多流中间包流动特性实验研究

多流中间包流动特性实验研究

连铸中间包内流的流动特征对内邪气的浮升和均匀的钢水温度起到了重要作用。为了得到理想的流动特性,控流装置如挡墙、挡坝、多孔挡墙、抑湍器等被广泛用于中间包的内腔设计。利用物理模拟得到的停留时间分布(RTD)曲线来分析中间包内的流动特性已成为优化中间包流场及控流装置的重要手段。但目前还没有一个公认的用于分析多流中间包流动特性的模型。本研究采用笔者提出的多流中间包流动特性分析模型来定量计算多流中间包的活塞区、混合区、死区的体积分数。此外,对于多流中间包,还要考虑各流流动特性的一致性。本研究采用笔者提出的分析方法来定量分析多流中间包各流流动特性的一致性。本文结合某厂的实际情况,针对六流方坯连铸中间包进行控流元件参数的优化研究。由所测得的RTD曲线来定量地描述中间包内流体的流动特性,最终评价中间包控流参数的优劣。1实验原理和方法1.1中间包系统水流量的计算水模实验要做到原型和模型的几何相似和动力相似。本实验确定几何相似比例为1∶3。在中间包系统中,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。据此可计算得到水模实验中对应于原型钢液流量的水流量。中间包原型的结构及主要尺寸如图1所示。1.2钢包水口电导测量采用“刺激-响应”实验技术。将一定量的20%的NaCl溶液快速注入钢包水口中,由电导探头测量各出口处的电导随时间的变化规律,并转换成数字信号后由微机实现数据的采集。考虑到中间包的左右对称性,只需测量一侧的三个水口,具体为图1中的1、2、3号水口。1.3各流流动特性的计算中间包内的流体流动可视为由三个部分组成,即活塞流区、全混流区和死区。这三个区的大小可通过中间包流动特性分析模型对实验所测得的RTD曲线分析得到。显然,能否对多流中间包内的流动特性做出准确的定量分析,很大程度上取决于所采用的多流中间包流动特性分析模型是否合适。笔者提出了一个多流中间包流动特性的分析模型,并在文献中通过与其它几个分析模型的对比分析验证了其合理性。假定中间包有N流,其混合模型流程示意图如图2所示。图2中,Q为总体积流量;Q1～QN、Q1a～QNa、Q1d～QNd分别为各流的体积流量、活跃区(活塞区和全混区之和)体积流量、死区体积流量;V1a～VNa、V1d～VNd分别为各流的活跃区体积、死区体积。这里采用此分析模型来计算各区的体积分数,具体到本实验所测的三个流则有:活塞流区体积分数VpV=13⋅(θ1min+θ2min+θ3min)(1)VpV=13⋅(θ1min+θ2min+θ3min)(1)死区体积分数VdV=1-13⋅(Q1aQ1⋅ˉθ1c+Q2aQ2⋅ˉθ2c+Q3aQ3⋅ˉθ3c)(2)VdV=1−13⋅(Q1aQ1⋅θ¯1c+Q2aQ2⋅θ¯2c+Q3aQ3⋅θ¯3c)(2)全混区体积分数VmV=1-VpV-VdV(3)VmV=1−VpV−VdV(3)式中,θimin=timinˉt(i=1~3)θimin=timint¯(i=1~3);ˉθic=ˉticˉtθ¯ic=t¯ict¯;理论停留时间ˉt=VQt¯=VQ;平均停留时间ˉtic=Σtci(t)Σci(t)t¯ic=Σtci(t)Σci(t);QiaQiQiaQi为各流的活跃区体积流量Qia与该流的体积流量Qi之比,数值上分别等于各流的无因次RTD曲线上θ从0到2的面积与该流RTD曲线总面积之比;timin为各流示踪剂的响应时间;ci(t)是在采样时间点为t时各流的浓度值;V为实验时中间包内水的体积。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。本研究采用笔者提出的分析方法来定量分析多流中间包各流流动特性的一致性,具体到本实验所测的三个流则有:首先,将各流的RTD曲线在每一个采样时间点下的无因次浓度值求标准差,然后将整个采样时间范围内的所有标准差取平均值。即ˉS3=1ΖΖΣj=1√{3Σi=1[Ci(θj)-ˉC(θj)]2}/2(i=1~3,j=1~Ζ)(4)式中,ˉS3是三流中间包各流无因次浓度的总体平均标准差;Ci(θj)是在采样时间点为θj时各流的无因次浓度值(i=1～3,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;ˉC(θj)是在采样时间点为θj时各流无因次浓度的平均值。ˉS3越小,多流中间包各流流动特性的一致性越好。1.4控制流程图方案本文研究了无控流装置的中间包、不同类型的“V”型挡墙及其与挡坝、抑湍器组合对中间包流动特性的影响,有代表性的方案如图3所示。2不同控流装置的流动特性比较各种方案分析结果见表1,典型的RTD曲线见图4。从表1可以看出:(1)无控流装置的中间包流动特性很不合理。其三流中间包各流无因次浓度的总体平均标准差ˉS3远高于其它方案,说明三流钢液的流动特性相差很大,不利于生产过程的稳定、顺行。此外,1流的无因次响应时间仅为0.0107,表明1流存在着短路流,不利于夹杂物的上浮。因此有必要进行控流装置的设计优化。(2)带横墙的“V”型挡墙(方案Ⅰ)和不带横墙的“V”型挡墙(方案Ⅲ)均能明显改善各流流动特性的一致性。而在“V”型挡墙的基础上在2、3流之间加入挡坝(方案Ⅱ、Ⅳ),均能提高活塞区体积分数、降低死区体积分数,说明2、3流之间加入挡坝能进一步改善钢液的流动特性。(3)与不带横墙的“V”型挡墙组合的挡坝的数量、高度均对中间包内钢液的流动特性有影响。具体来说,在2、3流之间存在挡坝基础上,再在1、2流之间加入挡坝(方案Ⅴ)会增大死区体积分数、减小活塞区体积分数及增大三流中间包各流无因次浓度的总体平均标准差,可见流动特性会明显恶化。而将2、3流之间挡坝的高度由150mm提高到200mm(方案Ⅵ)对流动特性的影响不太明显,但三流中间包各流无因次浓度的总体平均标准差变大,说明三流流动特性一致性变差。(4)就本实验而言,不带横墙的“V”型挡墙与2、3流之间加入150mm高的挡坝组合控流装置(方案Ⅳ)的控流效果是所有不加抑湍器方案中最好的。而在其基础上加入抑湍器后,活塞区体积分数变化不大,死区体积分数虽略有增加,但三流中间包各流无因次浓度的总体平均标准差ˉS3明显减少。综合考虑,其控流效果优于加抑湍器前的控流装置。因此,推荐方案Ⅶ为现场生产使用的最佳方案。3“v”型挡墙组合对钢液流动特性的影响(1)带横墙和不带横墙的“V”型挡墙均能明显改善各流流动特性的一致性。且在其基础上,在2、3流之间加入挡坝均能进一步改善钢液的流动特性。(2)与不带横墙的“V”型挡墙