1、1中间包内钢液流动的水模拟试验1 水模型的建立理论依据即相似原理。中包水模一般只考虑 Fr 数相等，Re 处于同一自模化区（即第二自模化区 Re10 4-105） 。即： (Fr)模型=(Fr)原型Re 模型10 4-105Re 原型10 4-105(按板坯连铸机 2000*250，拉速 0.9m/min 计算，Re 原型和 1/2 尺寸的模型 Re均在第二自模化区)一般取模型与实物的几何比例因子 为 1/2，由公式 u 2m /gLm= u 2r /gLr可推导出液体流量比：Q 液 m /Q 液 r = u mL2m/ u rL2r= 5/2=0.177液体速度比：u m/ u r= 1/2
2、 =0.707模型与实际的吹气量比值可通过修正佛路德准数即 Fr来确定：Fr= g u g2/( l g)/gL气体流速比：u 气 m/ u 气 r= gr( lm- gm) Lm/ gm( lr- gr) Lr1/2 =0.316气体流量比：Q 气 m /Q 气 r =(lm/Lr)2(u 气 m/ u 气 r )=0.079：水模型与实际钢包几何比例；m：模型；r：实际钢包；u：流体速度；g ：重力加速度；L：特征长度；Q：液体流量； 2：密度；模型与原型的各参数比见下表：液体密度（kg/m 3）气体密度（kg/m 3）几何比 液体速度比气体速度比液体流量比气体流量比模型 1000（水）
3、1.273（氮）实型 7000（钢） 1.783（氩）0.5 0.707 0.316 0.177 0.079模型与原型主要参数计算结果见下表：项目 原型 模型中包入水口流速/（m/s）2.26 1.60工作液面高/(mm) 1100 550水口流量/(m 3.h-1) 27 4.779水口插入液面深/mm 200 1002 试验方法本实验采用刺激响应试验。其方法是：在中间包注入流处输入一个刺激信号（饱和 KCL 溶液） ，信号一般使用示踪剂来实现，然后在中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包内的停留时间分布（即 RTD 曲线） 。主要测定仪器为：电导仪；流量计，示
4、踪剂采用饱和的 KCl 溶液，计算机数据采集处理系统（见图 1） 。3图 1 DJ800 导电率采集系统试验装置图如图 2 。图2 实验装置图1钢包； 2加示踪剂漏斗； 3阀门； 4中间包；5塞棒； 6电导电极；7流量计；8电导仪； 9数据采集板； 10计算机数据处理终端； 11透气砖通过RTD曲线计算以下参数，反映中间包内流场流动情况滞止时间 tp：中间包出口开始出现示踪剂时间。4平均停留时间 ta：平均停留时间： 或者 0)(dtctta )(tcta中间包的流体流动的3部分的比例，即活塞流、死区和全混流的比例：活塞区： 其中t c为理论平均停留时间 t c=VR/Q cPtV/死区： a
5、d1全混流区： VmdP/评价方法： 和 是与活塞区和死区体积分数密切相关。因此 和 是度量夹pta pta杂物上浮的重要指标，延长 和 有利于夹杂上浮。死区的体积分数大，中间pta包的有效流动空间利用率就低，夹杂物不易上浮，因此死区的体积分数越小越好。3 流场显示试验用高锰酸钾溶液做显示剂，用摄相机进行拍摄，从而拍摄出流场的流动图相，通过流场显示实验可以比较直观地观察到中间包内流场的流动情况，本实验对以下几种工况进行了拍摄：没有吹气状况下，无湍流控制气状况下，正常工况下的流场流动状态。从拍摄的结果看，中间包不吹气时，由于没有气幕挡墙向上的推动作用，导致流体在流过上挡墙下部经过气幕挡墙时，形成
6、“短路流动” 。钢包内钢水的停留时间缩短，减少夹杂物上浮机会。4 油滴卷渣试验实验中采用了豆油来模拟精炼渣，因为豆油的黏度是比较大的，豆油与水的黏度比与渣钢的黏度比比较接近。通过观察吹气量对保护渣卷动情况，制定合适吹气量，有关油和水的物性参数见下表。参 数 钢液 渣 水 豆油 氩气 氮气温度/ 1600 140015 20 20 20 20500表面张力/（）130mN1530 490 72.2 - - -密度/（ ）3kg71033.510311030.81031.784 1.25粘度（ ）sPa3105 300500 1.01 325 - -本次实验采用的是工厂实际使用的透气砖进行实验，针
7、对 5 种不同吹气量进行了对比分析（见组图 3） ，吹气量：0.08m 3/h 吹气量：0.16m 3/h吹气量：0.24m 3/h 吹气量：0.32m 3/h6吹气量：0.42m 3/h图3 不同吹气量下的油层卷动情况试验液面的高度为 550mm，油层的厚度为 30mm 左右。通过试验确定一个临界的吹气量，试验相关现象见下表:吹气量 m3/h 现象 结论0.06 出现“渣孔” ，渣孔面积较小，吹气量不足以引起卷渣。未达到临界吹气量0.16 “渣孔”面积扩大，但是由于豆油具有的粘性，没有出现油滴破裂。未达到临界吹气量0.24 渣孔面积进一步扩大，在靠近上挡墙一面油层破裂，但脱离油层的小油滴不多
8、。达到临界吹气量0.32 渣孔面积进一步扩大，透气砖两侧油层破裂严重 ，大量油滴离开油层。超过临界吹气量0.42 靠近上档墙部位油层不能稳定存在，大量破碎油滴出现。超过临界吹气量在试验中我们观察到，随着吹气量的增加，气泡尺寸在缩少。这是由于吹气量加大之后，气体的湍流动能增加，在透气转上形成气泡上浮的过程中，对周围的气泡进行破碎，因此通过气泡上浮过程，小气泡尺寸缩小。通过卷渣模拟试验得到临界吹气量应该在0.24m 3/h以下，因此在水模实验时选择的吹气量都小于此值。75 试验结果及分析5.1确定合适的吹气量在确定临界吹气量之后，开始进行水模拟实验，首先在原工况下（上挡墙距水口 717mm，两档墙
9、间距 150mm，上档墙距包底距离 125mm）不同吹气量情况进行试验。实验安排见下表：实验号 吹气量(m 3/h) 滞止时间 平均停留时间1 0.15 52 3262 0.175 51 3363 0.2 51 3284 0.225 44 331通过上表的计算结果可以看出：随着吹气量的增加，滞止时间减小，平均停留时间在0.175时最大，增大吹气量，反而导致停留时间减小，这是由于增大吹气量，气泡的湍流动能增大，对水的搅动增大，从而使得停留时间减少。5.2 优化挡墙位置通过5.1内容，我们确定合适的吹气量在0.1750.2 m 3/h之间，下面进行挡墙位置优化试验。试验方案下表：实验号 上挡墙距水
10、口距离两档墙之间距离吹气量 滞止时间 平均停留时间5 717 300 0.175 49 3416 667 300 0.175 45 3487 667 350 0.175 44 3308 767 200 0.175 47 3399 767 300 0.175 45 31610 717 350 0.175 38 3468通过以上试验数据可以看出，当气幕挡墙距离中包水口越远，滞止时间越短，平均停留时间受到上挡墙距水口距离、两档墙之间距离两个方面的影响比较大，对数据进行分析可得，方案6为最佳方案，即上挡墙距水口距离为667mm，两档墙之间距离300mm时平均停留时间最长。5.3上挡墙高度对中间包流场的
11、影响 由于挡墙高度微变化对中包的影响效果小于其位置对其影响，在找到合适位置之后，改变上挡墙高度进行模拟实验，找到其对中包流场的影响。实验号 上挡墙距包底距离上挡墙距水口距离两档墙之间距离吹气量 滞止时间平均停留时间11 170 667 300 0.2 50 335.977045312 140 667 300 0.2 49 347.52250513 110 667 300 0.2 45 343.1828118通过以上几组试验可以看出，上挡墙的高度微变化对于中包流场的影响要小于其位置的影响，挡墙距离包底越近，滞止时间随之减少，这主要是流体经过下挡墙时由于流速增大的原因，另外挡墙距离包底在11014
12、0mm时平均停留时间最长。6 中间包流场数值模拟运用ANSYS软件，对中间包进行流场数值模拟分析，通过对速度场的分析，找到改进的工艺参数趋势，优化流场分布，努力使整个流场避免“短路流动” ，增加中间包内钢水的停留时间，提高夹杂物上浮率，提高钢水质量。下图4是原工况下气幕挡墙没有吹气情况下的流场图。9图4 原工况下未吹气情况下流场7 结论通过中间包水模试验结论，可以看出：在上挡墙距离长水口667mm，上下挡墙间距300mm时，上挡墙距离包底在110140mm,位置最佳。合适的吹气量应该控制在1.52.4m 3/h之内。通过前面介绍的相关转换公式，对模型与实际生产下工艺参数进行换算，在上挡墙距离长
13、水口1334mm，上下挡墙间距600mm时，上挡墙距离包底在220280mm 之内,位置最佳。合适的吹气量应该控制在1.93.04m3/h之内。10附录：部分试验不同工况下RTD曲线0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)工况：距水口 717mm，两档墙间距 200mm，上档墙距包底距离 110mm工况：距水口 617mm，两档墙间距 200mm，上档墙距包底距离 110mm0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1
14、200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)11工况：距水口 717mm，两档墙间距 150mm，上档墙距包底距离 110mm工况：距水口 717mm，两档墙间距 200mm，上档墙距包底距离 110mm工况：距水口 717mm，两档墙间距 200mm，上档墙距包底距离 125mm，吹气量0.175m3/h0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时
15、间 /(s)导电率/(mS/cm)0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)12工况：距水口 717mm，两档墙间距 200mm，上档墙距包底距离 125mm，吹气量 0.225m3/h工况：距水口 717mm，两档墙间距 200mm，上档墙距包底距离 125mm，吹气量 0.15m3/h0.540.590.640.690.
16、740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)工况：距水口 717mm，两档墙间距 200mm，上档墙距包底距离 125mm，吹气量 0.2m3/h0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)13工况：距水口 717mm，两档墙间距 300mm，上档墙
17、距包底距离 125mm，吹气量 0.175m3/h距水口 667mm，两档墙间距 300mm，上档墙距包底距离 125mm，吹气量 0.175m3/h距水口 667mm，两档墙间距 350mm，上档墙距包底距离 125mm，吹气量 0.175m3/h0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)0.540.590.640.690
18、.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)14工况：距水口 767mm，两档墙间距 200mm，上档墙距包底距离 125mm，吹气量 0.175m3/h工况：距水口 767mm，两档墙间距 300mm，上档墙距包底距离 125mm，吹气量 0.175m3/h工况：距水口 717mm，两档墙间距 350mm，上档墙距包底距离 125mm，吹气量 0.175m3/h0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/c
19、m)0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)15工况：距水口 667mm，两档墙间距 300mm，上档墙距包底距离 125mm，吹气量 0.2m3/h工况：距水口 667mm，两档墙间距 300mm，上档墙距包底距离 170mm，吹气量 0.2m3/h 无湍流控制器工况：距水口 667mm，两档墙间距 300mm，上档墙距
20、包底距离 140mm，吹气量 0.2m3/h0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)16工况：距水口 667mm，两档墙间距 300mm，上档墙距包底距离 110mm，吹气量 0.2m3/h工况：距水口 667mm，两档墙间距 300mm，上档墙距包底距离 125mm，吹气量 0.125m3/h0.540.590.640.690.740.790.840 200 400 600 800 1000 1200 1400时 间 /(s)导电率/(mS/cm)
