多流中间包各流流动特性一致性的定量分析

多流中间包各流流动特性一致性的定量分析

1多流中间包流动特性的定量分析随着对连铸件质量要求的提高，连铸中间包由原来的研磨工艺和钢水压缩，确保钢水连续输送。为了提高钢水压缩的质量，我们必须将钢丝绳作为一个精炼装置，以去除干扰，调整钢水成分，平衡和控制钢水成分，平衡和控制钢水成分。为了获得高洁度和高质量的钢，我们意识到中间包内合理流动的重要性。为了获得理想的流量特征，中间包内的输出设备（rtd）采用物理模拟或数学模拟的预测水位分布曲线，分析中间包内的流动特征，是优化中间包内流场和控流装置的重要方法。对于多流中间包内的流动特性,不仅要考虑非金属夹杂物的去除,还要考虑多流中间包各流流动特性的一致性.原则上,从热量的角度考虑,好的各流流动特性的一致性能保证中间包各流有均匀的钢液清洁度和钢水温度,这样才能获得高洁净度的钢水和保证中间包连铸生产的顺行.但目前还没有一种公认的定量分析多流流动特性一致性的方法.本研究提出了一种多流中间包各流流动特性一致性的定量分析新方法,并结合一个工厂的六流圆坯连铸中间包的典型物理模拟方案,与已有的分析方法进行了对比研究,找出了较优的定量分析多流中间包各流流动特性一致性的方法.2流动特性一致性分析:传统各流中间包各流流动特性的一致性越好,多流中间包对于多流中间包,理想的情况是从中间包各流出口分配到各结晶器内的钢水应该有相同的温度和清洁度,这就要求多流中间包各流有完全一样的流动特性.但上述情况在实际的中间包设计过程中是很难做到的,只能尽可能地使各流的流动特性接近,因此对多流中间包各流流动特性一致性的准确的定量分析很重要.目前,主要有4种建立在示踪响应曲线基础上的定量分析方法.方法1是Knoepke等提出的分析方法,利用两流中间包的内、外侧流的示踪响应曲线峰值浓度值的比值来分析各流流动特性一致性,该比值越靠近1,两流的流动特性的一致性越好.方法2是Godiwalla等提出的分析方法,采用多流中间包的最内侧流和最外侧流的示踪响应曲线的面积比(A)来分析各流流动特性一致性,A越靠近1,多流中间包各流流动特性的一致性越好.方法3是樊俊飞等提出的分析方法,采用标准差来分析多流中间包各流(假设多流中间包有N流)的示踪响应曲线的最小响应时间(ti,min,i=1∼N)、浓度峰值时间(ti,peak,i=1∼N)和平均停留时间(tic,i=1∼N),这些参数的标准差越小,多流中间包各流流动特性的一致性越好.标准差是常用的用来考察样本分散程度的参数:式中S为标准差,xk为第k个样本值,x为样本的算术平均值,P为样本个数.S值越大,说明所考察参数的离散程度也越大,越不一致.方法4是本研究提出的新的分析方法.首先,将各流的RTD曲线(将示踪响应曲线无因次化得到的曲线)在每1个采样时间点下的无因次浓度值[Ci(θj),i=1～Nj=1～Z]求标准差,然后,将整个采样时间范围内的所有标准差取平均值,即式中SN是多流中间包各流的无因次浓度的总体平均标准差,N是多流中间包的总流数,Ci(θj)是在采样时间点为θj时各流的无因次浓度值(i=1～N,j=1～Z),θj是RTD曲线的第j个无因次采样时间点,Z是采样时间点的总数,C(θj)是在采样时间点为θj时各流无因次浓度的平均值.SN越小,多流中间包各流流动特性的一致性越好.3“刺激-响应”实验为了比较分析各多流中间包流动特性一致性分析方法的合理性,建立1个六流中间包1:3的物理模型,中间包模型用10mm厚的透明有机玻璃制成,用水作为模拟钢液的介质.水模实验要保证模型和原型的几何相似和动力相似.对于动力相似,要求模型与原型中的流体的雷诺数和弗劳德数分别相等,而在中间包系统中,恒温水模拟实验水的流动主要是重力和惯性力起主导作用的湍流流动,故选用弗劳德数作为实验的决定性准数.据此可计算出水力学模型实验中对应于原型钢液流量的水流量,并通过流量计分别调节6个流的流量大小(6个流的流量相等).原型中间包尺寸及结构形状如图1所示,图中钢包长水口注入区与中间包出水口区具有相同的深度.原型及模型的主要参数见表1.采用“刺激-响应”实验技术,即将100mL的20%NaCl溶液快速注入钢包长水口中,由电导探头测量中间包的流1,2,3三个出口(因对称,故检测一侧的水口)处的电导变化情况,并将输出的电信号通过A/D板转换成数字信号后由微机实现数据采集,通过数据处理获得RTD曲线.本实验主要研究了多孔挡墙在中间包内的位置及多孔挡墙的两交叉部分的角度对流动特性的影响,代表性的方案如图2所示.4各流流动特性的一致性方法1在定量分析各流流动特性一致性时,存在一定的误差.一方面,如Godiwalla等认为,由于峰值浓度值是单个的点,故它易受实验条件的影响,有时会产生较大的误差,会对各流流动特性一致性做出错误的判断,从而影响最终的优化结果;另一方面,作为单个点的峰值浓度值不能代表整个示踪响应曲线的特性,峰值浓度值有较好的一致性不能保证示踪响应曲线所有的点有较好的一致性,而只有示踪响应曲线上所有的点有较好的一致性才能保证多流中间包各流有较好的流动特性的一致性.此外,该方法只能用来分析两流中间包,而无法用于分析多于两流的多流中间包.方法2,3和4都可以用于分析两流或多于两流的多流中间包,下面结合前述物理模拟的实验结果对这3种分析方法进行比较分析,方法2,3和4对各方案的各流流动特性一致性的分析结果如表2所示.由表2可知,从方法2的分析结果来看,方案III和V的各流流动特性一致性的效果分别优于方案VI和II;而方法4则得到相反的结果.方法2在分析各流流动特性一致性上存在一定的误差.由于示踪响应曲线的面积是一个总体的参数,它不能反映示踪响应曲线的各具体点的特性,一个较好的A值不能保证较佳的各流流动特性一致性.一个理论上最佳的A值(A=1)不能保证很好的各流流动特性一致性,图3就是一个典型的示意图.此外,方法2只对最内侧和最外侧流的示踪响应曲线的面积作比较,因此对于多于两流的中间包,其他流的流动特性不能在此方法中得到体现.方法4能准确地定量分析各流流动特性的一致性.由于该方法把多流中间包各流RTD曲线上的每个点都考虑在内了,因此一个较小的SN值意味着各流RTD曲线之间有较好的一致性,这也就意味着各流有较好的流动特性一致性.就本实验而言,单从各流流动特性一致性方面考虑,方案III和VI优于其他方案,且这2个方案相差不大,相对而言方案VI略优,其RTD曲线见图4.需要说明的是,方案III和V的冶金效果比较还要考虑RTD曲线的其他流动特性,诸如死区、活塞区的大小等,这里不详细讨论.对于方法3的分析结果,从Stmin的角度考虑,方案II的各流流动特性一致性的效果优于方案III;从Stpeak的角度考虑,方案IV和的各流流动特性一致性的效果分别优于方案I和III.方法4分析得到的结果相反.这主要是由于最小响应时间(ti,min)、浓度峰值时间(ti,peak)均是单个的点,与方法1中使用的最大浓度值有相同的局限性.从Stc的角度考虑,就本研究的典型方案而言,它与方法4对各方案各流流动特性一致性的分析结果趋势相同.但这只是一个巧合,因为tic是一个总体的参数,与方法2中使用的A存在相同的缺点,它的标准差(Stc)也会存在同样的缺点.此外,还有两种方法被用来分析多流中间包各流流动特性一致性.一种方法是对各流示踪响应曲线的最小响应时间(ti,min)或平均停留时间取极差(极大值与极小值之差)来分析多流中间包各流流动特性一致性;另一种方法[1,13,14,15,16,17]是在对一个或多个示踪响应曲线或RTD曲线的特征参数作比较的基础上来分析多流中间包各流流动特性一致性,这些特征参数包括最小响应时间(ti,min)、浓度峰值时间(ti,peak)、平均停留时间和无因次峰值浓度值(Ci,max).这两种方法都是不合适的.因为Ci,max是示踪响应曲线峰值浓度值的无因次形式,因此它的使用与方法1中峰值浓度值的使用有相同的缺点;ti,min,ti,peak,使用的缺点已在上述方法3中进行了明确阐述.最终的结论尚待生产使用结果对比的支持.5流动特性一致性比对结合1个六流圆坯连铸中间包的物理模拟,对目前存在的几种不同的分析各流流动特性一致性的方法和本研究提出的新方法进