中間包控流裝置的物理模擬研究

張景利,顏正國,于景坤

（1.中國第一重型機械集團公司 技術中心,黑龍江 齊齊哈爾 161042;2.東北大學 材料與冶金學院,沈陽 110004）

中間包控流裝置的物理模擬研究

張景利1,顏正國2,于景坤2

（1.中國第一重型機械集團公司 技術中心,黑龍江 齊齊哈爾 161042;2.東北大學 材料與冶金學院,沈陽 110004）

根據相似原理,建立 1∶3的物理模擬模型,通過正交試驗考察了擋渣堰、導流壩組合控流裝置對中間包流場的影響。研究結果表明,堰壩間距是影響流場的主要因素,優(yōu)化控流組合方案為:擋渣堰距注入流中心線距離 1 200mm,擋渣堰下沿距包底距離 500mm,導流壩高度 360mm,堰壩間距 300mm.優(yōu)化后中間包流場趨于合理,鋼液在中間包內的停留時間延長,活塞流體積增大,死區(qū)體積減小.

連鑄;中間包;控流裝置;物理模擬

隨著對鋼材質量要求的不斷提高,中間包冶金越來越受到冶金工作者的關注.中間包冶金效果與中間包內流體流動特性密切相關,合理的中間包流場,對防止鋼液二次氧化、延長鋼液在中間包內停留時間、促進夾雜物上浮去除等具有重要的作用.為保證中間包冶金效果,通常采用在中間包內設置擋渣堰、導流壩等控流裝置,以改善鋼液流動狀態(tài),延長停留時間,促使夾雜物上浮[1～5].

本文以國內某鋼廠雙流板坯連鑄中間包為研究對象,通過水力學物理模擬研究,采用正交試驗方法,考察中間包內擋渣堰、導流壩組合控流裝置對中間包流體流動特性的影響,以期確定最佳控流組合方案,優(yōu)化中間包結構,充分發(fā)揮中間包冶金效果.

1 試驗原理及方法

1.1 試驗原理

水模擬試驗的理論基礎是相似原理,要求模型與原型幾何相似、運動相似、時間相似和動力學相似 .鋼液在中間包內的流動,可視為黏性不可壓縮流動,因此系統只要滿足模型與原型幾何相似和動力學相似即可 .

根據中間包原型尺寸及試驗室現有條件,選取中間包模型與原型的幾何相似比為 =1∶3.根據 Sahai和 Bural[6]的計算研究和 Koria和Singh[7]的試驗研究結果,中間包不論幾何形狀和尺寸大小,流動過程的湍流 R e數都是十分相近的 .因此本研究只保證模型與原型的 Fr數相等即可 ,即 ,

式中,g為重力加速度,m/s2;Lm,Lr分別代表模型、原型的特征長度,m;Vm,Vr分別代表模型、原型的特征速度,m/s.

1.2 試驗裝置

中間包模型與原型幾何相似比為 1:3,模型用有機玻璃制成 .其試驗裝置如圖 1所示 .

圖 1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schem a tic d iag ram o f sim u la tiontesting facilities

1.3 試驗方法

采用刺激 -響應試驗法測定流體在中間包內停留時間分布 RTD曲線 .通過 RTD曲線,可直接得到從開始加入示蹤劑到示蹤劑流至中間包水口時的最小停留時間 tmin（又稱響應時間）,以及示蹤劑濃度達到最大時的峰值時間 tmax.經計算可得到各流體微元在中間包內的實際平均停留時間 tav.采用 Sahai等[8]提出的修正混合流動模型來計算活塞流、全混流及死區(qū)的體積分率 .

1.4 試驗方案

采用“正交試驗法”,將影響其流場的結構參數:擋渣堰距注入流中心線距離 a、堰壩間距 b、擋渣堰下沿距包底距離 c、導流壩高度 d每個因素各取 3個水平,選取標準正交表 L9（34）設計試驗方案[9].試驗方案如表 1所示 .

表 1 正交試驗因素水平表 （mm）Tab le 1 Fac to rs and leve ls o f o rthogona lexpe rim en t mm

2 試驗結果與討論

2.1 中間包不設控流裝置的模擬試驗結果與討論

中間包無控流裝置的水模擬試驗結果如表 2所示.

從表 2可知,中間包未采用控流裝置時,流體在中間包內停留時間、死區(qū)體積分率Vd/V及混合區(qū)體積分率Vm/V等指標都不理想 .中間包流場顯示試驗表明,大包注流經長水口注入中間包后,與包底發(fā)生碰撞,形成水平流動,向四周鋪展.一部分流體沿中間包包底徑直流向水口,形成短路流 .另一部分流體與中間包包壁接觸后折向上方流動,形成回流.中間包液面擾動較大,注流區(qū)流體對中間包包壁沖刷嚴重.以上結果表明,無控流裝置的中間包不利于夾雜物的上浮去除,而且由于液面波動過大,將導致鋼液二次氧化嚴重,以及包壁耐火材料的沖刷侵蝕,將嚴重污染鋼液及降低中間包使用壽命.因此有必要采取適當的控流裝置改善中間包流體流動形態(tài),提高鋼液潔凈度水平.

表 2 中間包無控流裝置的試驗結果Tab le 2 Expe rim en ta l resu lts o f tund ish w ithou t flow con tro ldevices

2.2 堰壩組合正交試驗結果分析

本試驗采用正交試驗,利用正交試驗結果的極差分析確定影響因子的主次順序,得出較優(yōu)的因子位級組合方案.采用擋渣堰、導流壩的中間包正交試驗結果及其極差分析如表 3所示.

由試驗結果極差分析,可以得出各因素對平均停留時間以及死區(qū)體積分率的影響主次順序,確定優(yōu)化組合方案:各因素對平均停留時間的影響主次順序為 b,d,c,a,確定優(yōu)化組合為a1b3c2d2;各因素對死區(qū)體積分率的影響主次順序同樣為 b,d,c,a,優(yōu)化組合方案為 a3b1d3c3.綜合考慮各因素對流體在中間包內平均停留時間以及死區(qū)體積分率的影響,可知因素 b,d對各指標影響最大,因素 a,c影響較小.同時考慮到中間包死區(qū)體積對夾雜物的去除以及中間包熱損失有較大的影響,因此將其作為主要衡量指標.初步確定優(yōu)化組合為 a3b1d3c3.

2.3 優(yōu)化方案驗證試驗結果

由正交試驗所得優(yōu)化組合方案的驗證試驗結果如表 4所示.

表 3 正交試驗結果及極差分析Tab le 3 Expe rim en ta l resu lts and range ana lysis o fo rthogona lexpe rim en t

表 4 驗證試驗結果Tab le 4 Expe rim en ta l resu lts o f ve rifica tion expe rim en t

從表 4所示結果可以看出,試驗所得出的堰、壩優(yōu)化組合控流方案其流體特征綜合指標在所有方案中是最好的,特別是死區(qū)體積分率這個重要的考察指標有大幅度的降低.而且從試驗結果極差分析可知,因素 b對流體在中間包平均停留時間以及死區(qū)體積分率影響最大.而且隨著 b值的減小,即堰、壩間距的縮小,死區(qū)體積分率基本呈直線下降趨勢.因此對試驗所得出的優(yōu)化組合方案作進一步優(yōu)化試驗,其基本思路是在所確定的優(yōu)化組合方案的基礎上,縮小堰壩間距 （對應于原型其距離由 300 mm縮小到 200mm）,而保持其他因素現有水平不變.試驗結果如表 5所示.

表 5 進一步優(yōu)化試驗結果Tab le 5 Resu lts o f fa rthe rop tim ized expe rim en t

由表 5所示結果可知,繼續(xù)縮小堰、壩間距不能起到進一步改善中間包流場的效果.分析認為,堰、壩間距過小,注流區(qū)沿包底鋪展流動的流體與導流壩碰撞接觸后,改變方向急速向上流動,流至出水口處被抽引直接流出中間包,從而導致流體在中間包內停留時間縮短,導流壩與出水口之間的死區(qū)體積增大.

3 結 論

通過正交設計對中間包水模擬試驗,得出以下幾條結論:

（1）中間包不設控流裝置,流體流動狀態(tài)不理想,響應時間及平均停留時間短,死區(qū)體積大,不利于發(fā)揮中間包冶金功能;

（2）采用正交試驗通過極差分析得到影響中間包內流場主次因素:堰壩間距 b>導流壩高度 d>擋渣堰下沿距包底距離 c>擋渣堰距注入流中心線距離 a.得到的中間包優(yōu)化控流組合方案為:擋渣堰距注入流中心線距離為 1 200mm,擋渣堰下沿距包底距離為 500mm,導流壩高度 360mm,堰壩間距 300mm.

（3）試驗結果表明,中間包采用優(yōu)化控流組合方案,中間包內流體的流動特性有較大幅度改善,活塞流體積分率增大,死區(qū)體積減小.

（4）采用正交設計的試驗方法,進行中間包水模擬試驗,可確定影響中間包流場的主要因素.

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Physica l sim u la tion of flow con tro l dev ices in tund ish

ZHANG Jing-li1,YAN Zheng-guo2,YU Jing-kun2
（1.Techno logy Cen ter,China FirstH eavy Industries,Q iqihaer 161042,Ch ina;2.Schoo lofM aterialand M etallu rgy,N o rtheastern U n iversity,Shenyang 11004,China）

The physicalm odel of 1∶3 w as estab lished based on the sim ilarity theo ry,and the effects of dam and w eir on the flow field in the tund ishw ere investigated by o rthogonalexperim en ts.The research resu ltsshow ed that the space betw een dam and w eirw as the key facto r influencing the flow field,and the op tim um structu re in the tund ish w as ob tained as fo llow s.The d istance from w eir to in letw as 1200mm,the underside ofw eir to bo ttom of tund ish w as 500mm,the heigh t of dam w as 360mm,and the space betw een w eir and dam w as 300mm.A fter op tim ization,the residence tim e ofm o lten steel in the tund ish w asp ro longed,the vo lum e fraction of p iston zonew as increased,w hile the vo lum e fraction o f dead zonew as decreased.

con tinuous casting; tund ish;flow con tro l devices;physical sim u lation

TF 777.1

A

1671-6620（2010）01-0018-04

2010-02-05.

張景利 （1961—）,男,黑龍江齊齊哈爾人,中國第一重型機械集團工程師,E-m ail:zhang.jingli@126.com;于景坤（1960—）,男,遼寧康平人,東北大學教授,博士生導師.