三流中间包钢液流动行为的数学物理模拟 王伟先 代传民 张红伟 雷洪.pdf

2 0 1 3 年第4 2 卷第6 期 V 0 1 4 2N o 62 0 l3 j 童加熟 I N D U S T R l A LH E A T I N G 4 7 D O I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 1 6 3 9 2 0 1 3 0 6 0 1 5 三流中间包钢液流动行为的数学物理模拟 王伟先1 代传民2 张红伟2 雷洪2 1 东北特钢集团北满特殊钢有限责任公司 黑龙江齐齐哈尔1 6 1 0 4 1 2 东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室 辽宁沈阳1 1 0 8 1 9 摘要 通过数学物理模拟方法研究了三流中间包在不同控流装置下的流体流动特性 并采用平均停留时间作为特征参数对多流中 间包流体流动性进行评价 数值模拟结果表明 设置多孑L 挡墙后 中间包流体流动特征为流体通过多次循环流动到达导向孔 而 后通过多次循环流动到达中间包出口 水模型实验表明 设置多孔挡墙后 三流的平均停留时间的平均值由3 0 5s 增加到5 7 3s 增 加了8 7 9 而三流的平均停留时间的最大差异则由1 5 1 下降到1 1 3 关键词 连铸中间包 多孔挡墙 水模型 数值模拟 流动特性 平均停留时间 中图分类号 T F 7 7 7 1文献标志码 A文章编号 1 0 0 2 1 6 3 9 2 0 1 3 0 6 0 0 4 7 0 2 M a t h e m a t i c a la n dP h v s i c a lS i m u l a t i o nf o r t h eC h a r a c t e r i s t i c so fM o l t e nS t l i naT h r e e s t r a n d1 I n d i s h W A N GW e i x i 锄1 D A IC h 陇哪i n 2 Z H A N GH o n 州e i 2 L E IH o n 9 2 1 B e i m a nS p e c i a lS t e e lC o L t d D o n 曲e iS p e c i a ls t e e lG r o u p Q i q i h a r1 6 1 0 4 1 C h i n a 2 K e yL a b o m t o qo f E l e c 仃o m a 印e t i cP r o c e s s i n go f M a t e m l s M i n i s 仃yo f E d u c a t i o n N o n h e a s t e mu n j v e r s i 吼S h e n y 锄g1 10 0 0 4 C h i n a A b s t r a c t M a t h e m a t i c a la n dp h V s i c a ls i m u l a t i o nw e r ea D p l i e dt os t l l d Vt h en o wc h a r a c t e ri na n 廿l r c e s 咖n dc o n t i n u o u sc a s t i n gn m d i s h a n dt h ea v e r a g er e s i d e n c et i m ei sc h o s e nt ob em ek e vp a r a m e t e rt od e s c b et h en o wc h a r a c t e r i s t i ci nt l l em u l t i s 呦dt I l l l d i s h N 啪e r i c a l r e s u l t ss h o wt h a tm e r ei sg r c a tc h a n g eo f t h en o wc h a r a c t e r i s t i ci nt h et u n d i s ha f t e rt h ei n 仃o d u c t i o no f m u l t i h o l eb a m e A tf i r s t t h en u i d r e a c h l eg u i d eh o l eb vr e c i r c u l a t i o nm o v e m e m a n dt h e nn o wt o w a r dt l l ee x i tb vr e c i r c u l a t i o nm o v e m e n t W a t e rm o d e l i n 2r e s u l t ss h o w t h a ta R e rt h ei n 协 d u c t i o no fm u l t i h o l eb a m e m em e 柚v a l u ea m o n gt h ea v e r a g er e s i d e n c et i m ea tt l l et h r c ee x i t sr i s e sb v8 7 9 h D m 3 0 5 st o5 7 3 sw h i l et h em a x i m u md i 脏r e n c e 锄o n gm ea v e r a g er c s i d e n c et i m ea tm et l l r e ee x i t sf a l l st b ml5 1 t o1 1 3 K e yw o r d s c o n t i n u o u sc a s t i n gt u n d i s h m u l t i h o l eb a f n e w a t e rm o d e l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n n o wc h a m c t e r i s t i c s a v e r a g er e s i d e n c et i I n e 中间包是炼钢过程由间歇式操作向连续性操作转变 的一个过渡性反应器 它承担着对多流连铸机各结晶器 分配钢水 保证多炉连续浇注等作用 同时 中间包也 是炼钢过程中的最后一个耐火材料精炼反应器 它还承 担着防止钢水二次氧化 去除钢中非金属夹杂物 控制 钢液温度等作用 因此 中间包冶金一直是连铸研究的 重点环节 近3 0 年来 许多冶金工作者一直致力于中间包内钢 液流动形式优化研究 1 2 针对生产过程中三流梯形中间 包去除夹杂物能力弱 各流温差较大的实际情况 设计 了一字型多孔挡墙 并利用数值模拟和水模型实验相结 合的方法 研究了优化前后中间包内钢液流动行为 为 更好地减小各流之间的钢液温度差异并实现有效去除钢 液中夹杂物提供依据 1 实验原理与方法 按照1 2 的几何比建立图1 所示的中间包水模型 其中直挡墙有三个开孑L 下部开口用于安装湍流控制器 收稿日期 2 0 1 3 0 7 0 7 基金项目 中央高校基本科研业务费 N 1 0 0 4 0 9 0 0 4 N 1 0 0 4 0 9 0 0 7 作者简介 王伟先 1 9 7 0 一 男 本科 高级工程师 从事炼钢工 艺研究 中部有两个尺寸为5 0I n I n 4 0m m 的导流孔 由于中间 包内钢液流动为湍流流动 因此采用弗鲁德准数 n 相 等就能保证原型和模型中流体流动行为相似 这样 钢包 长水口水流量为o 3k 幽 中间包理论停留时间为r 7 5 2s a 中间包和湍流控制器 b 多孔挡墙 图l 中间包水模型 水模型实验采用的 刺激一响应 实验技术可简述 如下 在钢包长水口下部设置一个示踪剂加入装置 并 万方数据 童扣熟 I N D U S T R I A LH E A T I N G 2 0 1 3 年第4 2 卷第6 期 V 0 1 4 2N O 62 0 l3 在中间包三个出口处分别设置D J S l C 型电导电极 这些 电极与D D S J 一3 0 8 A 型电导率仪相连 并利用数据采集卡 实时地将测得的各出口处电导率数据存储至计算机 因 为N a c l 在水中能够完全电离 因此溶液的电导率与N a c l 浓度成线性关系 这样 实验测得的中间包出口处电导 率随时间变化的曲线就能被转换为N a C l 浓度随时间变化 的曲线c f 即停留时间分布曲线 简称I H D 曲线 在 实验过程中 在脉冲加人2 0 0m L 质量浓度为2 0 的N a C l 溶液的同时记录R T D 曲线数据 实验时间为24 0 0s 记 录的时间间隔为1s 对于得到的I 汀D 曲线 采用经典的组合方法进行分 析 具体计算公式如下 一 一 竺堕坐 r c f d f 7 fJ f 塑老些 1 0 0 2 l1 一 l 1 0 0 3 1 一K 一玩 1 0 0 4 式中 f 为时间 s 为示踪剂最小响应时间 s f 一 为浓度峰值时间 s i 是平均停留时间 s 是活塞区 体积分率 是死区体积分率 是全混区体 积分率 2 结果与讨论 2 1 优化参数选择 文献 3 表明对多流中间包的各流分别计算死区 活塞区和全混区存在一个重要前提 多流中间包各流的 死区 活塞区和全混区是相互独立的 但是 中间包内 的所有流体流经区域与各流出口均是相连通的 即中间 包内任一空间位置不被特定流单独持有 而是被各流共 同拥有 因此 对每流分别计算死区 活塞区和全 昆区 的体积分率是没有意义的 表1 也表明 如果采用经典 组合方法计算原型中间包各流死区 那么其值分别为 6 3 6 6 1 5 和5 7 1 其相应的物理意义是中间包内 大部分区域内钢水处于静止状态 这明显是与生产实际 是相违背的 式 2 表明活塞区体积分率的计算涉及了最小响应 时间和浓度峰值时间 而式 3 表明死区体积分率的计 算则涉及了平均停留时间 这说明最小响应时间 浓度 峰值时间和平均停留时间是I D 曲线的三个基本特征参 数 但是最小响应时间和浓度峰值时间仅涉及R T D 曲线 的部分数据 而平均停留时间则使用了R T D 曲线的全部 数据 因此相对于最小响应时间和浓度峰值时间而言 平均停留时间更能反映I 曲线的特性 可以作为中间 包优化的关键参数 2 2 水模型实验 具有导流孔的挡墙能将中间包明确地分为注入区和 浇注区两个区域 起到了明显的整流效果 表1 指出 安装具有导流孔挡墙后的中间包总体平均停留时间 3 5 3 8 由 3 0 5s 增加到5 7 3s 增加了8 7 9 而三流的平均停留时 间的最大差异则由1 5 1 降到了1 1 3 这表明安装导流 孔的挡墙后中间包具有更强的去除夹杂物的能力 同时 各流之间的温度差异进一步减小 表l原型和全湍优化方案的水模型结果 矾麓麓麓矽s 麓麓麓 s 麓 麓麓 器 s s 川s z 川Ms z s s s s 臀s z 川 e s s s s z 坻 n 吣石 2 3 数值模拟实验 水模型实验表明设置多孔挡墙后中间包各流平均停 留时间均大幅度增加 此现象来源于中间包钢液流场的 改变 图2 是利用标准肛s 湍流模型 4 得到的中间包流线 图 图2 表明 来自钢包长水口的向下流股冲击湍流控 制器底部向四周后呈 伞 状散开 遇到湍流控制器侧 壁后转而向上运动 在向上流动过程中 受湍流控制器 上檐的阻碍 向上运动的流体转而流向湍流控制器的中 心位置 与向下的主流股相遇后向上流动 图2 a 表 明 在无挡墙的情况下 流出湍流控制器的钢液向四周 散开 均匀地流向各出口 其流线无明显规律可循 图 2 b 表明带导流孔的挡墙能起到较好的整流效果 在 注入区内 从湍流控制器流出的钢液沿液面到达梯形中 间包的后面壁面后又以循环流动方式到达挡墙的导向孔 经导流孔整流后的钢液斜射中间包浇注区 当射流到达 中间包前面壁面后 以规则的水平循环流动方式流向中 间包出口 a 原型中间包 b 优化后中间包 图2 中间包流场 下转至第5 2 页 万方数据 5 2 j 繁加熟 I N D l j s T R I A LH E A T l N G 2 0 1 3 年第4 2 卷第6 期 V 0 1 4 2N o 62 0 l3 参考文献 1 史文权 马转娥 赵凯智 影响循环水系统浓缩倍数提高的 因素分析 J 工业水处理 2 0 1 1 3 1 1 8 0 8 2 2 李中原 陈潮锟 郑秀丽 通过提高循环水浓缩倍数节水减 排 J 天然气化工 2 0 1 1 3 5 5 5 5 5 7 3 陈侣湘 火力发电厂节水研究 J 云南电力技术 2 0 0 2 3 0 1 1 7 2 1 4 夏友才 浅析火力发电厂节水的主要途径 J 节能 2 0 0 0 5 3 8 4 0 6 4 2 4 3 6 王佩璋 推广循环水处理新技术促进火电厂节水 J 工业 水处理 1 9 9 1 1 1 4 7 9 7 王伟 孙奉仲 高明 基于凝汽器强化传热技术的循环 水系统节水研究 J 热能动力工程 2 0 0 6 2 1 5 5 1 2 5 1 5 8 杨洋 提高循环冷却水系统浓缩倍数的措施 J 资料开 发与市场 2 叭2 2 8 6 4 8 9 4 9 1 9 W A N GH Y o o NCL M U T I P L EKS A t t r i b u t cD e c i s i o n M a k i n g M B e r l i n S p 血g v e d a g 1 9 8 1 5 J 胡成强 浅谈冷却塔的节水措施 J 化工设计 2 0 0 1 l l 雾毡薄雾迎黔雾墟薄雾壕魁零甾譬莽芬迎黔芬塌氧零塔譬莽牙迎 迎薄棼迎薄雾迎薄葶璩薄牙现 境 牙墟淞琴鹬琴零祭祭零祭琴祭零秘秘零 薄 上接第4 8 页 3 采用多孔挡墙后 三流的平均停留时间的平均 总体而言 在无挡墙的情况下 流出湍流控制器的 值由3 0 5s 增加到5 7 3s 增加了8 7 9 而三流的平均 钢液流股速度迅速减小 这样会造成中间包内钢液湍流 停留时间的最大差异则由1 5 1 降为1 1 3 程度较弱 表现为中间包的全混区较小 钢液缓慢流动 区域较大 而设置多孔挡墙后 钢液流动速度在注入区 和浇注区的以循环流动方式到达多孔挡墙的导向孑L 和中 间包出口 这类运动方式能够有效地延长中间包平均停 留时间 而钢液流动采用由较强湍流逐渐转弱的流动机 制表现为中间包的全混区较大 死区较小 3 结论 1 对于多流中间包 各流平均停留时间的平均值 和最大差值可作为多流中间包内流体流动的评价参数 2 采用多孔挡墙后 中间包流体流动被分隔为注 入区和浇注区 多孔挡墙导流孔可实现对钢液的平均分 配 且钢液在中间包内的流动方式为循环流动方式 参考文献 I1lM A Z U M D A RD G U T H R I ERIL T b eP b y s i c a la n dM a m e m a t i c a lM o d e l i n go fC o n t i 肌o I l sC a s t i n g1 眦d i s hS y s t e m s J I S I JI n t e m a t i o n a l 1 9 9 9 3 9 6 5 2 4 5 4 7 2 C H A m P A D H Y L A YK I S A CM G U T H R I ERIL P h y s i c a l a I l dM a t h e m a t i c a lM o d e l i n go fS t c e l m a k i n gT u n d i s h0 D e m t i o n s aR e v i e wo ft 1 eL a s tD e c a d e 19 9 9 2 0 0 9 J I S u I n t e m a t i o n a l 2 0 1 0 5 0 3 3 3 1 3 4 8 3 雷洪 赵岩 邢国成 等 总体分析法在非对称两流中 间包水模型中的应用 J 东北大学学报 自然科学版 2 0 1 1 3 2 4 5 3 7 5 4 0 4 陶文铨 数值传热学 M 西安 西安交通大学出版社 1 9 9 5 铸造 杂志征订启事i 蝣每造 杂志 月刊 创刊于1 9 5 2 年 国内外公开发行 国际标准刊号 I s s N1 0 0 1 4 9 7 7 国内统一刊号 c N 2 1 1 1 8 8 厂r G 内容涵盖铸钢 铸铁和 铸造有色合金等整个铸造技术领域 包括砂型铸造和压铸等特种铸造技术 报道国内外铸造领域的先进科技成果和应用技术 成功企业的生产及管理经 验 国内外铸造行业信息及活动 同时还为国内外企业及相关机构刊登广告 传播信息 为铸造行业相关的供应商 采购商提供服务 j 栏目设置 专题综述 新材料 新技术 有色合金 压铸 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