冶金过程水模型实验讲义_共5页

1、15冶金过程水模拟【试验性质】综合性试验；学时： 45.1 试验目的中间包是炼钢连铸生产流程的中间环节，是连接钢包和结晶器之间的过渡容器，是由间歇操作转向连续操作的连接点，随着连铸技术水平的不断提高，中间包对于精炼和提高 铸坯质量方面的作用越来越明显，已经由一般的过渡容器进展为多功能连铸反应器；中间 包现在的冶金作用不仅是储存和安排钢包钢水，而且仍通过控流装置，调整钢液流淌状态，从而达到匀称温度和促进非金属夹杂物上浮的成效；中间包冶金成效和中间包内部结构有关，比如挡墙挡坝、导流孔、湍流抑制器、过滤装置、使用塞棒、中间包吹氩等都影响着钢液的流淌状态，所以通过水模型试验优化中间包内控流装置是中间包

2、科研工作的一个方面；本试验要求同学设计两个试验方案，针对这两个方案做中间包rtd 曲线的测定和流场显示，将试验结果加以对比分析，看哪个设计方案有利于夹杂物上浮，有利于钢液成分和温度的匀称；通过本试验不仅使同学学会中间包水模型试验方法，而且学会通过试验数据进行对中间包性能进行分析，为将来参加相关的科研活动奠定基础；5.2 试验基本原理本试验中用水模拟钢液，用有机玻璃模型模拟实际中间包；这是由于水易于操作且20水的运动粘度与1600钢液的运动粘度相当，其各自的物理性质如表1.1表 120水和 1600钢液的物性参数本试验以相像原理为理论基础，要保证模型与实型的相像，必需满意几何相像，动力相像，才能

3、保证运动相像；中间包内钢液的流淌，是液体在重力作用下从大包水口流入中间包内，然后从中间包水口流出；在这种情形下，可视为粘性不行压缩稳态等温流淌；中间包中的钢液流淌主要受粘滞力、重力和惯性力的作用，为保证原型与模型的运动相像， 需要采纳雷诺数、弗鲁德数同时相等；雷诺数reul /（1）r弗鲁德数fu2 / gl（ 2）2其中：密度；l：长度； u：流速；：粘性系数；g ：重力加速度； 模型几何尺寸与原型几何尺寸的比称作比例因子；当原型与模型的雷诺数与弗鲁德数同时相等时，要求比例因子为1:1 ；假如试验条件答应时，尽可能采纳1:1 模型；假如不能实现 1:1 时，可以缩小比例；缘由有以下两个方面，

4、一是流体处于自模化区时流淌速度分布彼此相像，与re 数不再有关，这种现象便称为自模性；常将re<2000 的范畴称为第一自模化区；当2000<re<104 时，流体处于由层流向湍流的过渡状态，这时流淌速度分布随 re 变化较大；但是，当re>104 时，流淌再次进入自模化状态，称为其次自模化区，只要原型设备的re 数处于自模化区以内；就模型和原型re 数就不必相等，本试验的rer 和 rem 都处于 104105 之间同处于其次自模化区；另外在流体在由钢包流向中间包，中间包流向结晶器的过程中，流淌主要由重力引起，因此只考虑与重力相关的准数弗鲁德数；5.3 试验参数确定(

5、1) 模型流量的确定依据 fr 准数相等，可以确定模型流量，反之，通过模型流量的确定保证了原型与模型的弗鲁德数相等；下式中r 代表原型， m代表模型；frrfrm（ 3）m即：u2 m / glu2 r / gl（ 4）22即um/ url1/ 2 / l1 / 2 rrm1 / 2（ 5）qm / qruml m / ur l r5 / 2（6）qmqr5 / 2（ 7）式中， 为比例因子，本试验中取1:2.5 ；由式（ 7）可确定水模型中间包出水口流量；中间包所需参数见表2；表 2实际拉速与试验流量的换算表格规格 /mm实际拉速m/min原型出水口流量m3 / h模型流量m3 / h140

6、0*2301.019.321.955实际流量 qrav1.40.231.0 / 60360019.32m3 / h模型流量 qmqr5 / 219. 321 /2. 52. 51. 955m3 / h3（ 2）试验液位的确定依据工厂实际生产液位和比例因子来确定试验液位；本试验中原型中间包内出水口处至钢液位高度为1100mm ，比例因子为1/2.5，就试验中水的液位高度为440mm ；（ 3）采集时间的确定数据采集时间要大于两倍的理论停留时间；如中间包模型中水体积为：3v0.496m3 ，取模型流量q=1.955 m / h ，就理论停留时间为：t v/q m=3600*0.496/ （ 2*1

7、.955 ） 456s，试验采集时间应大于2 倍理论停留时间（912s）， 本试验采集时间设为16 分钟（ 960s）；5.4 试验装置本模拟系统由上水系统，示踪剂加入系统，数据采集系统和排水系统四部分组成，具体包括大包，有机玻璃中间包模型，长水口，中间包内控流装置湍流抑制器，挡墙，挡坝，塞棒等 ，示踪剂加入装置，电导探头，电导率仪和数据记录仪dj800 等，装置示意图如 下：钢包滑轮电磁阀示踪剂漏液位计电极电磁阀电磁阀运算机流量计流量计电导率进水泵回水泵掌握柜5.5 试验方法1）测量停留时间分布通常应用 “ 刺激 -响应 ” 试验来测量停留时间分布；其方法是：在中间包注流处输入一4个刺激信号

8、（信号一般使用饱和氯化钾溶液来实现），然后在中间包出口处测量该输入信号的输出，即所谓响应，从响应曲线得到流体在中间包内的停留时间分布；本试验采纳脉冲法加入示踪剂，即瞬时把全部的示踪剂都注入到进口处的物流中，在保持流量不变的条件下，测定出口物流中示踪剂浓度c 随时间的变化即rtd 曲线；本试验采纳饱和的 kcl 溶液作示踪剂，在大包水口支管处加入 200ml ，时间大约 1 秒；用电导率仪同时测量中间包出水口处的 rtd（ residence time distribution停留时间分布）曲线，见图 2，并依据该曲线运算每个水口的平均停留时间、滞止时间和死区比例；图 2 rtd 曲 线图中横坐

9、标 为无量纲时间（时间量与理论停留时间t 的比值），纵坐标为示踪剂浓度，q为总体积流量，将总体积流量分为活动区体积流量 qa（活塞区 +全混区）和死区体积流量 qd，一般在 2 倍停留时间之外的测得的浓度为通过死区流量的浓度， rtd曲线中无量纲时间 2 之前的面积表示活动区体积流量与总流量之比，无量纲时间 2 之后的面积表示死区体积流量与总流量之比；所以测量时间肯定大于2 倍理论停留时间tt ；t ava / qacttv / qvaqvqa（ 8）vaqacvq（ 9）5vd1vavv1qacq（ 10）2t tqa0q0ci d ci d2t tci0ci0（ 11）死区与外界进行较慢的

10、物质和能量交换，死区流速很慢，死区体积流量与活动区体积流量之和为总流量，当认为死区为完全滞留区，与外界不交换物质和能量时，死区的体积流量即为 qd=0. 此时活动区体积流量等于总流量 qa=q ，这只是一种特例；2）流场显示有色示踪剂法观看在透亮的有机玻璃模型内液体的流淌状态；为了得到定性结果，挑选在大包水口支管处加入带色液体如墨水 来进行观看，并进行录像分析；5.6 试验步骤试验前预备工作包括水箱中储满水；连接好电极、流量计，打开上水流量计阀门等，配置好饱和kcl 溶液 150ml；1）启动软件检查屏幕右侧“出水阀掌握 ” 为 “ 已关 ”状态，假如不是，请点击“ 已关 ”2）设定中间包液位

11、高度440mm；3）启动上水泵，点击屏幕左侧“上水泵 ”旁绿色按钮，变为红色，说明上水泵已启动；4）点击屏幕左侧“ 试验步骤 ”，以后操作见下表，黄色闪耀说明要执行该操作提示操作反应一 进水阀开度给定并开阀点击 “ 进水 ”按钮打开水箱下面的进水阀二 液位校准零位液位高于设定值5mm 自动关进水阀三 出水流量给定输入出水流量值，并回车几秒后出水阀打开四 开启出水阀至设定值阀门开度到55%左右五 请将出水阀打开并确认点击屏幕右侧 “ 出水阀掌握 ” 中“ 已“ 已开 ”变为绿色，出水阀连续打开开”点击 “ 动平稳 ”出水阀阀门连续开大，调整中间包液六 动平稳调整位平稳，约5 分钟认为平稳调好后点

12、击“出水阀掌握 ”使出水阀固定开度不变6下面的 “手动操作 ”点击 “ 完成 ”动平稳调整终止七系统预备完了可以开头显现，“ 可以开头试验啦 ”试验了八 试验时间设定 秒输入 数据采集时间并回车九 开头采样点击 “ 开头采样 ”显现 “ 试验中” 字样十 试验终止点击 “ 出水阀掌握 ” 下面的 “ 手动禁止”点击 “ 试验终止 ”紫色的 “手动禁止 ” 变为绿色的 “ 手动操作 ”十一点击 “ 时钟清零 ”回到初始状态5.7 试验方案通过转变挡墙位置自行设定两种工况，通过试验数据分析哪种工况有利于钢中夹杂物上浮；试验编号挡墙距离挡坝（mm）备注a b5.8 数据处理及结果分析5.8.1 数据

13、处理1）中间包内钢液流淌模式连铸中间包是一种典型的连续式全混流冶金反应器；但由于钢包注流的冲击、水口处对钢液的抽吸以及中间包本身的内部结构和外形，造成了中间包内钢水流淌状态的复杂性，中间包内存在的流淌模式往往又是一种非抱负的连续流；因此依据混合模型来分析，中间 包内流体的流淌可分为三部分，即活塞区、全混区和滞留区（死区），分别介绍如下：（ 1）活塞区活塞区的流淌是一种抱负状态，它假设通过反应器的流体均沿同一方向，以相同的速度向前流淌，在流淌过程中没有流体的混返，全部流体在反应器中的停留时间都相同；活塞区的流淌有利于夹杂物的上浮，应尽可能地进展活塞流，并留意其流淌路线的掌握；（ 2）全混区该区位

14、于钢包注流邻近，钢液与来自钢包的注流混合；在此区内，流体充分混合，成分和温度匀称且等于出口处的成分和温度；全混区有利于钢液成分和温度的匀称，并且促7进夹杂物的碰撞长大，但必需防止卷渣；（ 3）死区此区内流体与四周区域不发生物质和能量交换；死区相当于削减了中间包的有效容积；如存在死区，使实际停留时间比理论运算值少，不利于夹杂物的上浮，需削减死区体积；2）停留时间分布所谓停留时间，是指物料从进入反应器开头，到离开反应器为止，在反应器中所经受的时间；进入活塞区的流体最先到达反应器的出口，而进入死区的就最终到达出口；虽然同时进入各区的流体重量不相同，但在总体上表现为肯定的概率分布；假如钢液流淌为活塞流

15、，示踪剂分子和加入前后的流体没有混合，经过一段时间后全部示踪剂由水口流出，所以仍然保持脉冲特性，这就是曲线a ；假如钢液流淌为全混流，示踪剂脉冲加入后马上与中间包内钢液混合，混合匀称并立刻由水口流出，以后随着钢液流出的示踪剂将逐步减少，所以其曲线出现衰减特点，这就是曲线b ；实际上钢液的流淌介于这两种特例之间，也就是曲线c ；三种曲线的意义只是表示流淌特点的不同，而容器体积和流量是一样的；3）中间包混合模型运算图 3 反应器内流体的三种流淌状态的rtd曲线通过讨论中间包物理模型，可供应中间包内的停留时间分布和混合特性方面的信息，明白中间包内钢液的流淌状况；详细运算公式如下：（1）理论平均停留时

16、间tt ：tv（ 12）tq其中 v 为模型水的体积，q为模型总流量；（2）实际平均停留时间ta ：指活动区体积与活动区流量之比；依据活动区流量的定义，在 2 倍理论停留时间之前的流量认为是活动区流量，所以实际平均停留时间在运算时积分到 2 倍理论停留时间；ta越大越有利于夹杂物有上浮；式（8）中 c i 为 t i 时刻 kcl的电导率， n 表示中间包对称轴一侧的通道数，在本试验中n=1；802t t tct atdtn2t t10t i citn2t t10t i ci（ 13）ctdt2t t0n2t t10 cit n2t t10 ci （3）滞止时间tmin：从加入脉冲信号开头到出

17、口得到相应时的最短时间，滞止时间延长，活塞区扩大；（4）峰值时间t peak ：获得最大电导率值的时间，峰值时间越长、峰值越小，曲线就越平缓，流场也就越合理；（5）活塞区比例：如同一时刻进入容器的流团均在同一时刻离开容器，它们不会和先或后于它们进入容器的流团相混合，此为活塞区；活塞区有利于夹杂物的上浮；vpt minvt2t tpeak（ 14）其中：vp 活塞区体积（6）死区比例：死区内流体无流淌和扩散，相当于缩小了中间包的有效容积；死区的存在对大颗粒夹杂的上浮影响不是很大，但对于中小夹杂（<20um），由于没有流体的流淌，也就使中小夹杂没有机会碰撞集合长大而较快速的上浮；我们可以这样认为对于中小夹杂，在有限的滞留时间内，没有上浮的机会，因而死区对夹杂的去除效率（特别是中小夹杂）可认为为零：vdvva vv1va v1qa qqat aa1qtt1kt att15其中：vd 死区体积；kn2t tci10nci10（7）全混区比例：而当流团一进入容器立刻与其它流团完全混合，分不出那个流团是先来和后来的，这种流淌模式称为全混区：vm1v pvd vvv（ 16）其中：vm 全