中間包的物理模擬

1、中間包的物理模擬摘要 中間包內(nèi)鋼液的流動是復(fù)雜的三維湍流流動，強(qiáng)烈的湍流特性不利于中間包鋼液內(nèi)夾雜物的上浮去除。在長水口主流區(qū)安裝一個旋流室，讓鋼液從旋流室的底部沿切線方向流入旋流室，以達(dá)到將鋼液本身的勢能轉(zhuǎn)化成其旋轉(zhuǎn)動能的目的，是鋼液在旋流室內(nèi)旋轉(zhuǎn)。通過這樣的方法，既能可以實(shí)現(xiàn)湍流控制器的作用，還可以達(dá)到與離心中間包相似的冶金效果。Abstract,The flow of the molten steel in tundish is a complex three-dimensional turbulent flow, strong turbulence properties against

2、 intermediate clad steel fluid inclusion floatation removal. In mainstream long nozzle area to install a vortex chamber, make molten steel flow from the bottom of the swirl chamber along the tangent direction vortex chamber, the liquid steel itself in order to achieve the purpose of potential energy

3、 into its rotational kinetic energy of liquid steel in hydrocyclone indoor rotation. By this way, can not only can realize the effect of turbulence controller, also can achieve similar to centrifugal tundish metallurgy effect. 關(guān)鍵詞 中間包 物理模擬中間包是一個上承鋼包下接結(jié)晶器的中間存儲和分流容器，其內(nèi)的許多冶金過程受控于鋼水在中間包內(nèi)的流動狀態(tài)，而鋼水在中間包內(nèi)的停

4、留和流動狀態(tài)要受鋼包和結(jié)晶器工作狀態(tài)的影響。其中重要的因素之一是體系內(nèi)溫度狀態(tài)和反應(yīng)器之間的溫差。在連鑄澆注系統(tǒng)中，減少鋼水的二次氧化和脫氧產(chǎn)物，一提高產(chǎn)品質(zhì)量的工藝開發(fā)中，物理模型起到了重要作用一、 中間包的作用綜述中間包的作用，主要有：1合理儲存鋼水，按工藝要求進(jìn)行有效分流，保證順利開澆、停澆和換包，實(shí)現(xiàn)對連鑄機(jī)均衡、連續(xù)和穩(wěn)定的供給鋼水；2防止鋼水再次污染，即抑制二次氧化、減輕耐火材料侵蝕、減少渣的卷入以及渣中不穩(wěn)定氧化物的危害；3改善鋼水流動條件，防止短路流動，減小死區(qū)，改進(jìn)流動方向，增加鋼水的停留時間，改善夾雜物上浮和去除的條件；4選擇合適的包襯耐火材料和熔池覆蓋劑，減輕熱損失，利于

5、上浮夾雜物的排出；5控制好鋼水溫度，必要時再加熱，使鋼水過熱度保持穩(wěn)定。二、 中間包內(nèi)鋼水流動特征鋼水的流動會影響中間包內(nèi)鋼水的分流、影響鋼水散熱和溫度變化、影響夾雜物上浮和排除，以及影響鋼水成分的均勻程度等。流體在容器內(nèi)的流動模式分為幾種：1如同一時刻進(jìn)入容器的流團(tuán)均在同一時刻離開容器，它們不會與進(jìn)入容器的其他流團(tuán)混合，這種流動模式稱為活塞流；2當(dāng)流團(tuán)一進(jìn)入容器，立即與其他流團(tuán)完全混合，分不出進(jìn)入容器的先后，這種流動模式稱為全混流；3短路流指進(jìn)入容器的部分流體立即通過容器，停留時間很短或幾乎為零；4死區(qū)指容器內(nèi)停留時間大大超過理論平均時間停留時間的那一部分流團(tuán)。中間包工作時，鋼水在重力作用下

6、，流入和流出是流速很大。而在體積和流通面積大得多的中間包熔池主要部分，流速很小。中間包熔池內(nèi)各部分的鋼水溫度在時間和空間上并不均勻，而且一直變化。較高溫度的鋼水注入中間包后，在注入?yún)^(qū)形成溫度較高的區(qū)域，這樣，在注入?yún)^(qū)與中間包主體熔池之間，可能產(chǎn)生明顯的溫度梯度。三、 物理模型模型設(shè)計(jì)由于流動現(xiàn)象的復(fù)雜性和水作為模擬介質(zhì)的限制，不可能在單一模型去滿足對流動施加影響的所有準(zhǔn)數(shù)相等的要求。根據(jù)對流動現(xiàn)象的具體分析，確定占統(tǒng)治地位的準(zhǔn)數(shù)，以選擇模型的比例。 1同時考慮兩個準(zhǔn)數(shù)相等 當(dāng)鋼包和中間包內(nèi)液體降到一定高度時，液面會形成漏斗狀的旋渦，把表面渣子卷入鋼液內(nèi)部，此時重力和粘性力都起明顯作用，模擬時必

7、須考慮Re和Fr同時相等。設(shè)為模型與原模型長度比例因子（注：為模型）。要保證模型與實(shí)物的Re和Fr同時相等，則模型尺寸是實(shí)物尺寸的1.07倍。也就是說模型尺寸應(yīng)與實(shí)物一樣大，這是有效的模擬工具，缺點(diǎn)是設(shè)備費(fèi)用較大。在重力引起的流動中，如不能忽視液體表面張力的作用，則要使模型與實(shí)物系統(tǒng)的Fr和We分別同時相等。也就是說要保證Fr利We同時得到滿足，稷型尺寸應(yīng)是實(shí)物尺寸的0.6倍。2考慮一個準(zhǔn)數(shù)相等中間包內(nèi)液體流動主要是慣性力和重力占統(tǒng)治地位，此時僅考慮Fr相等就可以了。 要保持模型和實(shí)物相似，液面高度必須和模型尺寸按同樣比例減少。令為時間比例因子，則：令為流量比例因子，則：通過水口面積為A的流量

8、：也就是說水口尺寸也要與模型尺寸按比例減少。在重力占統(tǒng)治地位的流動中，任何縮小比例的模型，只要模型線型尺寸、水口直徑、液面高度按比例縮小，均可滿足Fr準(zhǔn)數(shù)相等。但是必須指出：僅考慮Fr相等，按單一比例因子所確定的縮小模型，對于所研究的流動形態(tài)，停留時間分布和渦流的形成等方面只能是近似的。但是，對存在氣液或固液的兩相流時，如考慮修正的Fr相等，模型比實(shí)物大7 倍；考慮Morton準(zhǔn)數(shù)相等，模型比實(shí)物大44倍(如下表)。顯然按這種比例建立模型是不可能的。對連鑄系統(tǒng)來說，認(rèn)為采用0.6：l模型來模擬兩相流是合適的。因?yàn)椋?)雖然鋼液和水卷入空氣有很大差別，但氣泡從液體中上升所產(chǎn)生的流動行為是相似的；

9、2) 模型和實(shí)物具有相同的表面積，可認(rèn)為卷入空氣的速率是相似的，3)由注流在熔池表面所產(chǎn)生的表面波的形狀是相似的，4)在中間包和結(jié)晶器內(nèi)，由注流引起液體攪動消逝時間大致是相似的。表1 鋼液和水系統(tǒng)比較四、 實(shí)際應(yīng)用模型1FTSC中間包控流裝置本實(shí)驗(yàn)采用的模型也原型相似比為1：2.5?？紤]中間包內(nèi)流體流動處于第二自模化區(qū)，因此只要滿足模型和原型的Fr準(zhǔn)數(shù)相等即可保證動力相似。實(shí)驗(yàn)中以水代替鋼液，以壓縮空氣代替氬氣。具體為：保持中間包液面穩(wěn)定后，在長水口注流內(nèi)脈沖注入定量的飽和食鹽水，同時用電導(dǎo)電極測定出口處示蹤劑濃度隨時間的變化，將輸出的電信號通過A/D板轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后由微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。圖

10、1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖中間包物理模擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)：1） 延長相應(yīng)時間和最小停留時間；2） 延長峰值時間和平均停留時間；3） 減少死區(qū)面積；4） 增加活塞流體積，保持適當(dāng)?shù)幕旌狭黧w積；5） 保證指向液面的流動。通過實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)論如下：1） 湍流控制器的引入可以限制高速注流的速度，消除短路流，延長中間包的響應(yīng)時間和平局停留時間，有利于控制夾雜物含量，改善鑄坯質(zhì)量；2） 導(dǎo)流壩上假設(shè)氣幕擋墻有利于改善中間包流體的流動狀態(tài)，各項(xiàng)特征參數(shù)達(dá)到最優(yōu)化。為現(xiàn)場使用提供了理論依據(jù)。2旋流中間包中間包內(nèi)鋼液的流動是復(fù)雜的三維湍流流動，強(qiáng)烈的湍流特性不利于中間包鋼液內(nèi)夾雜物的上浮去除。在長水口主流區(qū)安裝一個旋流室，

11、讓鋼液從旋流室的底部沿切線方向流入旋流室，以達(dá)到將鋼液本身的勢能轉(zhuǎn)化成其旋轉(zhuǎn)動能的目的，是鋼液在旋流室內(nèi)旋轉(zhuǎn)。通過這樣的方法，既能可以實(shí)現(xiàn)湍流控制器的作用，還可以達(dá)到與離心中間包相似的冶金效果。由于中間包內(nèi)的流動是強(qiáng)烈的湍流流動，根據(jù)水力學(xué)原理，當(dāng)流體流動的Re數(shù)大于第二臨界值時，流體的湍流程度及流速的分布不再瘦Re數(shù)的影響。此時流體的流動狀態(tài)不再變化，且彼此相似。所以采用水模型對中間包內(nèi)的流動進(jìn)行物理模擬可以只考慮Fr數(shù)相等。選取單流中間包的幾何相似比為，擋墻、擋壩以及旋流室的安放位置如圖2所示，圓柱型旋流室模型示意圖如圖3 所示。圖2 旋流中間包示意圖1）旋流室內(nèi)中心截面有回流，切向速度分布呈蘭金渦，徑向速度梯度大，利于夾雜物的向心聚集，上浮去除。湍動能的耗散主要集中在旋流入口和邊緣。2）旋流室的加入使雙流中間包內(nèi)呈現(xiàn)明顯的非對稱流動。3）從中間包的跡線看旋流室的加入使得流體的運(yùn)動路徑得到了改善，旋流區(qū)夾雜物的碰撞聚合利于夾雜物的上浮去除。五、 結(jié)論物理模擬能進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)中很難不能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程，能進(jìn)行新技術(shù)的研究與開發(fā)等，是冶金研究過程不可缺少的重要手段。但是，物理模擬也與原型不能完全一致，只有與數(shù)學(xué)模擬，理論分析以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，才能獲得更好的研究結(jié)果。