多流中间包水模型系统的水模型研究

多流中间包水模型系统的水模型研究

受流动的影响，每个流动之间存在一定的差异。水数越多，越流之间的差异越大。减少不同流量之间的流量差异，减少由于流量不对称造成的铸造工艺质量差的错误，是一个应优先考虑的重要问题。科学家们对多流介质包的流动特征进行了大量研究。为了改善多流中间包的均匀性，科学家从不同角度解释了这一点。某厂采用七机七流中间包浇注大断面方圆坯,由于产品对质量要求非常严格,因此对于各流之间的均匀性问题特别关注.原型中间包在实际浇注过程存在各流流动不对称、稳定性差、非稳态浇注(开浇、换包前后和浇铸结束时)钢水液面波动大等问题.针对以上问题,本文在调研和实验室水模型研究基础上对现有中间包内型结构进行优化.1实验装置和程序(1)几何相似.本实验以某厂七机七流中间包为原型,按相似比(模型/原型)λ=1∶2.5制作水模型反应器.中间包模型及原件设计如图1.(2)动力学相似.钢液流入中间包过程中,流动的驱动力主要是重力,选取弗劳德准数Fr作为定性准数.保证模型和原型弗劳德准数Fr相等(式(1))即可以保证钢液的流动相似.模型参数(带下标m)和原型参数(带下标s)满足式(1)和式(2).本实验中雷诺数均处于第二自模化区,符合模化条件,故可以不考虑.速度比和流量比可以通过式(3)和式(4)得到.式中,lm和ls分别为模型、原型的特征尺寸,g是重力加速度,vm和vs分别为模型和原型的速度,λ是相似比,Qm和Qs分别为模型和原型的流量,cl、cv和cQ分别为模型与原型的特征尺寸比、流速比和流量比.实验装置由上水系统,示踪剂加入系统,数据采集系统和排水系统四部分组成,整体实验装置示意图如图2.考虑到中间包的对称性,本文主要研究不同控流装置下1~4流各指标(滞止时间、峰值时间、平均停留时间、死区比例等)的差异性,最终明确各控流装置对改善各流均匀性的作用及原型控流装置组合存在的缺陷.2分析与讨论的结果2.1各流强度的不均匀性图3中滞止时间对比表明,1~4流的滞止时间分别为93.5、18、8.5和6s.从滞止时间可以看出,流股最先到达4流,之后是3流和2流,最晚到达1流.在无控流装置下流股沿底部的流动轨迹为4流→3流→2流→1流.滞止时间最长的1流和最短的4流之间相差87s,不均匀性极大.图3中峰值时间对比表明,1~4流峰值时间最高的1流为120s,最低4流为9.5s.各流峰值时间差异性大,流动指标不稳定,因此在不设任何控流装置下多流中间包内各流的均匀性是无法保证的.图4为1~4流的平均停留时间对比.由于1流距离冲击区最远,平均停留时间最长,1~4流的平均停留时间逐渐降低.对比滞止时间、峰值时间和平均停留时间可以看出在无控流装置下各流的均匀性极差,主要体现在以下三方面:(1)各流的滞止时间很短,钢液存在明显的短路流,4流最为明显,流股几乎直接通过浇注区进入4流水口形成短路流;(2)主要流股沿着底部流动,中间包上层钢液不活跃,死区明显;(3)各流数据差异较大,均匀性不好.因此,在多流中间包情况下必须加载控流装置才能调节各流的均匀性.2.2中间包均流场特征原型中间包的控流装置布置图见图5.冲击区圆型稳流器+U型挡墙(见图1(b)),1、2流之间,2、3流之间,3、4流之间分别添加高200mm(模型80mm)的梯形挡墙(见图1(d)).图6表明,原型中间包的控流装置各指标较无控流装置有很大改善,但是依然存在各流不均匀的问题,2、3流与1、4流差异性仍然明显.滞止时间最长的4流和最短的3流相差几乎1倍.对比各流平均停留时间(图7)和流场特征(图8)可知:由于U型挡墙的导流作用将主要流股从导流孔导入到2、3流之间,流股从2、3流之间下降继续向1流和4流流动过程中分别受到了1、2流之间梯形挡墙和3、4流之间梯形挡墙的阻碍,延长了1流和4流的滞止时间和峰值时间;但主要流股在导电2、3流之后动能已经不足,在下降过程中受到1、2流之间挡墙阻碍更增加了1、2流上部的死区面积,且1流附近钢液极不活跃,容易造成1流与其他流温度差异大的问题,这一点从现场调研也发现,1流经常容易温度低而导致断浇.对比图7中各流平均停留时间可以看出,1~4流缓慢增加.综合各评价指标可以看出原型中间包流动存在如下问题:(1)原型中间包各流均匀性仍较差;(2)死区比例高,平均45.5%;(3)中间包内挡墙多容易造成耐材侵蚀和洁净度下降;(4)1、2流之间的挡墙对流动起一定的负面作用.2.3流场的优化方案,解决了耐材因数和流流中小企业的积极响应,降低了流直透墙的平均死区比例,从而保证流质流的均匀性,从而保证流质根据原型中间包流场流动存在的缺陷,将原型1、2流之间起阻碍作用的挡墙去掉,既改善了各流均匀性指标,又减少了耐材的消耗量.同时,为了能尽可能保证流体流向各流的距离和动能一致,将直的梯形挡墙改为有梯度的斜挡墙.优化方案见图9.优化后各流指标均匀性有了极大改善(图10),各流平均死区比例由原型的45.5%降低到平均23.1%(图11),在现场得到很好的应用效果.3中间包的控流装置以现场七机七流中间包为原型,建立1∶2.5的水模型系统,对多流中间包各流的均匀性进行了分析,获得以下结论:(1)多流中间包在无控流装置下,不能保证各流的均匀性,各流差异性极大;(2)