上擋墻位置變化對(duì)單流中間包流場(chǎng)特征的影響

謝榮輝　路焱　徐龍　夏智川　冀增　辛?xí)燥w

摘 要：應(yīng)用水力模擬試驗(yàn)，對(duì)某鋼廠板坯單流連鑄中間包流場(chǎng)特征開展研究。采用“刺激-響應(yīng)”技術(shù)，通過調(diào)整上擋墻控流裝置在中間包內(nèi)的不同位置，以研究中間包內(nèi)流場(chǎng)特征的變化。研究結(jié)果顯示，設(shè)置上擋墻的中間包流場(chǎng)特征趨于合理化，以全混流區(qū)為主，存在部分活塞流區(qū)和少量的死區(qū)。相比未設(shè)置上擋墻的中間包流場(chǎng)，其平均停留時(shí)間延長、活塞流區(qū)比例增加、死區(qū)比例降低。其中，上擋墻距中間包入水口間距離為160 mm時(shí)，鋼液平均停留時(shí)間最長為336 s、活塞流比例最大為5.15%、死區(qū)比例最小為25.7%。

關(guān)鍵詞：單流中間包 上擋墻 流場(chǎng)特征 水力模擬

中圖分類號(hào)：TF77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（a）-0071-03

中間包是連鑄生產(chǎn)前重要的過渡性冶金反應(yīng)器，其主要作用是降低鋼液被再次污染的可能性、改善鋼液流動(dòng)條件、提高去除非金屬夾雜物的能力、促進(jìn)夾雜物盡快上浮至鋼液表面[1，2]。傳統(tǒng)中間包內(nèi)常設(shè)置擋壩進(jìn)行控流，但是對(duì)于單流中間包，擋壩會(huì)使中間包內(nèi)存鋼量較高，另外還會(huì)導(dǎo)致包內(nèi)流場(chǎng)短路流的比例升高，進(jìn)而縮短了鋼液的平均停留時(shí)間，不利于非金屬夾雜物的上浮和去除[3，4]。

基于此，該研究設(shè)計(jì)下?lián)鯄?上擋墻的組合方式，改變上擋墻控流裝置在中間包內(nèi)的不同位置，應(yīng)用水力模擬試驗(yàn)，對(duì)國內(nèi)某鋼廠板坯單流連鑄中間包的流場(chǎng)特征變化進(jìn)行研究，選擇最優(yōu)的上擋墻位置參數(shù)和結(jié)構(gòu)組合，為改善中間包內(nèi)的流場(chǎng)特征奠定理論基礎(chǔ)，為優(yōu)化鋼廠連鑄中間包工藝提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)基本原理

實(shí)現(xiàn)物理模擬試驗(yàn)，需同時(shí)滿足實(shí)型和原型的幾何相似及動(dòng)力學(xué)相似兩個(gè)基本條件[5]。根據(jù)鋼廠生產(chǎn)用中間包，選取模型和實(shí)型的幾何相似比為1∶4。滿足動(dòng)力學(xué)相似，需要使雷諾準(zhǔn)數(shù)Re和弗勞德準(zhǔn)數(shù)Fr同時(shí)相等，但是，根據(jù)流體力學(xué)可知，容器內(nèi)流體流動(dòng)的雷諾數(shù)大于第二臨界值時(shí)，雷諾數(shù)受到流體的湍流程度及流動(dòng)速度的分布影響很小，可忽略雷諾數(shù)對(duì)流動(dòng)的影響。此時(shí)，只需要使模型和實(shí)型的弗勞德數(shù)Fr相等即可。

式中，m為模型，p為原型；g為重力加速度，取9.8 m/s2；L為特征長度；U為流體速度；Q為流體流量；t為停留時(shí)間；λ為相似比，值為0.25。

實(shí)驗(yàn)設(shè)定中間包內(nèi)液面高度是250 mm，計(jì)算可得所用水的體積是：V=0.076 m3，流量取Q=0.6 m3/h，可計(jì)算出理論停留時(shí)間為：t=456 s，數(shù)據(jù)采集量取理論停留時(shí)間的1～2倍，故計(jì)算平均停留時(shí)間時(shí)選取時(shí)間為900 s。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備包括鋼包模型、中間包模型、上擋墻、下?lián)鯄巍⑷?jí)變速水泵（RS15/6型）、渦輪流量計(jì)、電導(dǎo)率儀（MP513型）、計(jì)算機(jī)等，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)所用的示蹤劑為飽和KCl溶液，每組加入量為167 mL，采用脈沖方式從注鋼口隨流輸入中間包。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了5種上擋墻的位置，具體方案如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 上擋墻位置變化對(duì)平均停留時(shí)間的影響

不同上擋墻位置變化對(duì)中間包流場(chǎng)平均停留時(shí)間的影響如圖2所示。

由圖2可知，隨著擋墻與中間包入水口間距離的增大，平均停留時(shí)間先減少后增加，在W4處平均停留時(shí)間達(dá)到最大值，為336.0 s。當(dāng)上擋墻距注鋼口距離超過160 mm后，平均停留時(shí)間減少，在W5處達(dá)到最小值，為307.0 s。中間包內(nèi)鋼水的平均停留時(shí)間越長越有利于均勻鋼水的溫度和成分，也有利于非金屬夾雜物的去除。另外，中間包內(nèi)流場(chǎng)的死區(qū)比例是由平均停留時(shí)間和理論停留時(shí)間所決定的。實(shí)驗(yàn)中的理論停留時(shí)間是確定值，死區(qū)比例則完全取決于平均停留時(shí)間。

另外，W0的平均停留時(shí)間大于W2和W5，達(dá)到326.0 s，但是依然小于W3和W4兩種結(jié)構(gòu)設(shè)置，說明無控流結(jié)構(gòu)的中間包內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)較平穩(wěn)，但并不能完全滿足生產(chǎn)需要，應(yīng)該采取設(shè)置擋墻結(jié)構(gòu)的技術(shù)手段來達(dá)到縮小流場(chǎng)死區(qū)比例的目的，增加中間包的有效容積。

2.2 上擋墻位置變化對(duì)中間包內(nèi)活塞流區(qū)和死區(qū)比例的影響

中間包內(nèi)活塞流區(qū)和死區(qū)比例的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，W0的活塞流區(qū)所占比例最小，為4.06%，W4的活塞流區(qū)比例最大，達(dá)到5.15%，與W0相比增加了29.3%。另外，上擋墻位置在W4處，其死區(qū)比例最小，達(dá)到25.7%，相比W0減少了10.1%。另外，即使設(shè)置了上擋墻結(jié)構(gòu)，但是W1、W2、W4、W5的死區(qū)比例與W0相比并沒有減少。其原因在于：上擋墻位置如果靠近注鋼口，會(huì)對(duì)注流產(chǎn)生較強(qiáng)的阻礙作用，流體在擋墻和中間包內(nèi)壁間形成回流，減小擋墻后方流體的流速，易在出鋼口前方形成死區(qū)；上擋墻位置如果遠(yuǎn)離注鋼口，則影響擋墻與中間包內(nèi)壁間的流場(chǎng)分布，注流在中間包底部易形成死區(qū)。因此，無擋墻的中間包流場(chǎng)并不合理，應(yīng)該選擇W4所設(shè)置的擋墻位置。

2.3 上擋墻位置變化對(duì)RTD曲線的影響

不同上擋墻位置變化對(duì)中間包流場(chǎng)RTD曲線的影響如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)上擋墻距注鋼口為55 mm時(shí)，RTD曲線存在雙峰，并且峰值較高、形狀尖銳，曲線后方“尾巴”較長。經(jīng)分析可知，該流場(chǎng)內(nèi)流速分布不均勻，流體微元在中間包內(nèi)平均停留時(shí)間較短，流場(chǎng)內(nèi)存在一定的內(nèi)循環(huán)；同時(shí)，包內(nèi)流場(chǎng)在注鋼口后方存在死區(qū)，造成中間包內(nèi)活塞流的比例降低。上擋墻距注鋼口為85 mm、160 mm、205 mm時(shí)，RTD曲線形狀相似，反映了中間包內(nèi)流場(chǎng)特征也相類似，即以全混流為主要特征，活塞流占一定的比例，依然存在少量的死區(qū)，該結(jié)果與2.2計(jì)算結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

（1）無擋墻控流時(shí)，中間包內(nèi)鋼液的平均停留時(shí)間、活塞流區(qū)比例較低，不利于鋼液成分和溫度的均勻化，也不利于夾雜物的上浮去除。

（2）上擋墻距中間包注鋼口距離為160 mm時(shí)，該中間包內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)得以優(yōu)化，其滯止時(shí)間為18.4 s，平均停留時(shí)間為336.0 s，活塞流比例為5.15%，死區(qū)比例為25.7%。其流場(chǎng)特征以全混流為主，活塞流占一定的比例，存在少量的死區(qū)。

參考文獻(xiàn)

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