多流中间包内钢液流动特性的水力学模拟实验

多流中间包内钢液流动特性的水力学模拟实验

1钢液流动特性的评价在金属丝连续铸造过程中，中间包不仅是一个稳定的缓冲容器，而且能保证钢水的连续注水，而且避免钢渣进入制造装置，去除钢液中的金属混合，提高铸造质量。优化中间包中钢水的流动，促进钢水成分和温度的均匀性，促进混合物的漂浮和去除。评价单流中间包内钢液流动状况的优劣常采用平均停留时间、峰值时间和滞止时间.但对于多流中间包,提高各流流出的钢液在包内流动特性的一致性,对均匀各流出口的钢液温度及纯净度的差异亦十分重要.一些学者采用标准差描述各流流出钢液在中包内流动特性的一致性.根据统计学的相关知识可知,在各均值不相等的情况下,不宜采用标准差描述一致性.离散系数能够反映单位均值上的离散程度,能够对两个均值不等的单位进行离散程度的对比,目前尚未应用于相关研究.本研究采用水力学模拟实验对石家庄钢铁责任有限公司(以下简称“石钢”)5流0号中间包内钢液流动特性进行优化研究,以改善中包内钢水的流动特性,提高冶金效果.研究中采用离散系数评价多流中间包各出钢口流出的钢液在包内流动特性的一致性.2中间包挡墙简介石钢5流0号中间包吨位为25t,连铸过程中其液面高度为800mm.中间包配用的大包长水口内径为50mm,浸入深度为300mm.侵入式水口的内径为33mm该中间包内部结构和基本尺寸如图1所示.中间包现用挡墙尺寸结构图如图2(a)所示.图2(b)为拟评价的挡墙类型.图3为石钢现用的两种湍流抑制器尺寸结构图.与该中间包配套用的连铸机所浇注的铸坯断面为150mm×150mm,正常拉坯速度为1.5~2.0m/min.3实验原理和评估指标3.1中间包模型的建立根据相似原理,对于中间包内钢液流动的水力学模拟实验,需要满足模型与原型的几何相似和动力相似关系.(1)几何相似模型和原型保持几何相似,也就是保持模型和原型的各个对应尺寸具有同一的相似倍数.本研究模型与原型的几何相似比例λ为1:2.5,采用有机玻璃制作实验用中间包模型.(2)动力相似中间包内钢液的流动主要受粘滞力、重力和惯性力的作用.为保证模型与原型的动力相似,需要采用雷诺数Re和弗鲁德数Fr同时相等.而当流体流动处于同一自模化区域,只需保证模型与原型的弗鲁德数Fr相等,就能保证模型与原型相似.本研究中原型和模型内流体的流动均处于第二自模化区域,要保证动力相似,可只考虑模型和原型的弗鲁德数Fr相等,即式中,Frp代表原型弗鲁德数,Frm代表模型弗鲁德数.代入有关参数可得:式中,Qm为模型流量(m3/s),Qp为原型流量(m3/s).3.2流场计算指标评价中间包内钢液流动状态的优劣有诸多的判据,通常采用平均停留时间、峰值时间和响应时间.提高各流的平均停留时间、峰值时间和滞止时间,可改善钢液在中间包内的流动特性.本研究选用各流平均停留时间均值为主评价指标,各流峰值时间均值和滞止时间均值为参考评价指标.此外,对于多流连铸中间包,为保证生产的顺序和各流连铸钢坯质量,还需考虑各流之间流动特性一致性,即离散程度.在总体均值相等且计量单位相同的条件下,可用标准差和离散系数描述统计量的离散程度;而当均值不相等或计量单位不同时,可采用离散系数进行描述.离散系数(CV)的数学表达式为其中,S为标准差,为均值,xi为中间包某一出口的,N为统计量个数,本研究N=3.CV值越小,表示各流间的流动特性差异越小.4实验设计4.1中间包td测量结果采用“刺激-响应”实验方法,阶跃式加入示踪剂(饱和KCl溶液),在中间包出口处测定示踪剂浓度的变化,从而得到流体在中间包内的响应曲线(即RTD曲线).实验过程测量水溶液的电导率代替示踪剂的浓度.图4为典型的单流中间包RTD曲线,其中,c为中间包出口处电导率(µS/mm),tmin为自加入示踪剂到中间包出口处观测到示踪剂的时间滞止时间(s),tmax为中间包出口处出现最大电导率的时间峰值时间.平均停留时间ta以下式定义:式中,t为时间自变量(s).将积分式(5)化为求和:式中,ti为从开始加入示踪剂到时间步数为i步时的时间间隔(s),ci为ti时刻的出口处对电导率(µS/mm),∆ti为时间间隔(s).本研究中间包为左右对称的T型中间包,实验过程中只对中间及右侧出水口的电导率进行监测.受监测的出水口编号分别为I、II和III,详见图1.4.2研究设计和模型建立为解决浇铸结束后中间包内残钢的切割问题,石钢预在中间包各出钢口之间添加挡坝.由此,本研究选用的影响因子包括:A湍流抑制器,B挡墙,C挡坝,D拉速.各影响因子均取两水平,表1为本研究的因子水平表.其中,中间包右侧各流间的挡坝尺寸图如图5所示,挡坝1距出钢口II的距离为300mm,挡坝2距出钢口III的距离为400mm.4.3石钢交互作用误差项设计按L8(27)正交表安排正交实验,4个主效应分别安排在第1,2,4和7列.各交互作用项均做误差项处理,表头设计见表2(其中e为误差项),详表从略.其中方案2和方案6为石钢现有工况.每组实验进行3次,共进行24次实验.5结果与分析5.1中间包内流动特性的比较表3为各方案下的实验结果.由表3可知,各方案条件下的几乎不同.因此,不宜采用标准差描述各方案条件下各流钢液流动特性的一致性,而应采用离散系数.以CV1,CV2和CV3分别代表ta,tmax和tmin的离散系数,各离散系数值也列于表3中.若根据有关文献,采用标准差S描述各流流出钢液在中间包内流动特性的一致性,则有可能会给最优方案的选取造成一定的影响.如对于方案1和方案3的峰值时间tmax,可算得其标准差分别为95和52;若按峰值时间标准差判断,方案3优于方案1.而按离散系数进行比较,由表3可知,方案1的峰值时间的一致性优于方案3.根据文献结果可知,平均水平(平均值)不相等的情况下,采用离散系数评判一致性更为合理.5.2“#”的著作性检测采用指标单个分析综合处理方法,对实验结果进行极差分析和方差分析.将第3,5,6列作为误差项.表4为极差分析结果,其中k1和k2分别为评价指标在某影响因子取水平1和水平2时的平均值,R为极差.表5为极方差分析结果.其中,“***”表示非常显著,显著性水平为0.01;“**”表示比较显著,显著性水平为0.05;“*”表示一般显著,显著性水平为0.10;“×”表示不显著.根据表4和5可知:(1)湍流抑制器对平均停留时间的影响比较显著,采用方形湍流抑制器可提高钢液在中间包内的平均停留时间,比采用圆形湍流抑制器提高了12s.平均停留时间的提高,为钢液中夹杂物的上浮提供了有利条件,提高钢液的纯净度.由此,湍流抑制器取水平1为佳.(2)挡墙对各离散系数CV均显著.由此表明,采用V型挡墙可均衡各流间流动特性,减小各流间的离散程度.各流间离散程度减小,可降低各流铸坯质量的差异.因此,挡墙取水平2为佳.(3)石钢0号中间包内添置挡坝,不仅未改善中间包内钢液的流动特性,反而加大了各流间滞止时间的离散程度.因此,挡坝取水平2为佳.(4)降低拉速虽然降低了各出水口滞止时间的离散程度,但可延长峰值时间和滞止时间.因此,拉速取水平1更优.由上述分析可确定出本研究中间包的最优方案为A1B2C2D1(本研究中的方案4),即石钢0号5流中间包的最优方工况为:采用方型湍流抑制器和V型挡墙,不添加挡坝,拉速为1.5m/min.6石钢5流0号中间包的特点(1)根据统计学原理,本研究提出了适用于多流中间包各流流出的钢液在包内流动特性一致性的评价指标(即离散系数),而不应用标准差.(2