煉鋼中間包內(nèi)鋼液流動的水模擬試驗

1、下載可編輯中間包內(nèi)鋼液流動的水模擬試驗1 水模型的建立理論依據(jù)即相似原理 。中包水模一般只考慮Fr 數(shù)相等， Re 處于同一自?；瘏^(qū)（即第二自?；瘏^(qū) Re10 4-10 5 ）。即：(Fr)模型 =(Fr)原型Re 模型10 4-10 5Re 原型10 4-10 5(按板坯連鑄機 2000*250 ，拉速 0.9m/min計算， Re 原型和 1/2 尺寸的模型 Re均在第二自?；瘏^(qū) )一般取模型與實物的幾何比例因子為 1/2 ，由公式 u 2m /gL m = u 2r /gL r可推導(dǎo)出液體流量比 ：Q 液 m /Q 液 r = u m L2m / u r L2 r=5/2 =0.177液

2、體速度比 ：u m / u r =1/2 =0.707模型與實際的吹氣量比值可通過修正佛路德準數(shù)即Fr來確定 ：Fr =g u g 2 /(lg )/gL氣體流速比 ：u 氣 m/u 氣 r=gr ×( lm -gm )×Lm/g m×( lr -gr )×Lr1/2=0.316氣體流量比 ：Q 氣 m /Q 氣 r =(l m/L r)2×(u 氣 m/ u 氣 r )=0.079：水模型與實際鋼包幾何比例；.專業(yè) .整理 .下載可編輯m：模型；r：實際鋼包 ；u：流體速度 ；g ：重力加速度 ；L：特征長度 ；Q：液體流量 ；：密度；模型與

3、原型的各參數(shù)比見下表：液體密度氣體密度幾何液體速氣體速液體流氣體流（ kg/m 3）（kg/m 3）比度比度比量比量比模型10001.2730.50.7070.3160.1770.079（水）（氮）實型70001.783（鋼）（氬）模型與原型主要參數(shù)計算結(jié)果見下表：項目原型模型中包入水口流速/2.261.60（ m/s ）工作液面高 /(mm)1100550水口流量 /(m 3.h-1 )274.779水口插入液面深 /mm200100.專業(yè) .整理 .下載可編輯2 試驗方法本實驗采用刺激 響應(yīng)試驗 。其方法是 ：在中間包注入流處輸入一個刺激信號（飽和 KCL 溶液），信號一般使用示蹤劑來實現(xiàn)

4、，然后在中包出口處測量該輸入信號的輸出 ，即所謂響應(yīng) ，從響應(yīng)曲線得到流體在中包內(nèi)的停留時間分布（即 RTD曲線）。主要測定儀器為 ：電導(dǎo)儀；流量計，示蹤劑采用飽和的KCl 溶液，計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng) （見圖 1）。圖 1DJ800 導(dǎo)電率采集系統(tǒng)試驗裝置圖如圖2 。.專業(yè) .整理 .下載可編輯圖2 實驗裝置圖1鋼包； 2加示蹤劑漏斗 ； 3閥門； 4 中間包；5塞棒； 6 電導(dǎo)電極；7 流量計； 8 電導(dǎo)儀； 9 數(shù)據(jù)采集板 ； 10 計算機數(shù)據(jù)處理終端 ； 11透氣磚通過 RTD曲線計算以下參數(shù) ，反映中間包內(nèi)流場流動情況滯止時間 tp ：中間包出口開始出現(xiàn)示蹤劑時間。tc(t )dtt

5、 c(t)0或者平均停留時間 t a：平均停留時間 ： tatac(t )dtc( t)0中間包的流體流動的 3部分的比例 ，即活塞流 、死區(qū)和全混流的比例 ：活塞區(qū)： VP / V tP / tc其中 t c為理論平均停留時間tc=V R/Q死區(qū)： Vd /V 1 ta / tc全混流區(qū) ： Vm /V 1 VP / VVd /V評價方法 ： t p 和 ta 是與活塞區(qū)和死區(qū)體積分數(shù)密切相關(guān)。 因此 t p 和 t a 是度量夾雜物上浮的重要指標 ，延長 t p 和 t a 有利于夾雜上浮 。 死區(qū)的體積分數(shù)大 ，中間包的有效流動空間利用率就低 ，夾雜物不易上浮 ，因此死區(qū)的體積分數(shù)越小越

6、好。.專業(yè) .整理 .下載可編輯3 流場顯示試驗用高錳酸鉀溶液做顯示劑，用攝相機進行拍攝 ，從而拍攝出流場的流動圖相，通過流場顯示實驗可以比較直觀地觀察到中間包內(nèi)流場的流動情況，本實驗對以下幾種工況進行了拍攝：沒有吹氣狀況下 ，無湍流控制氣狀況下 ，正常工況下的流場流動狀態(tài) 。 從拍攝的結(jié)果看 ，中間包不吹氣時 ，由于沒有氣幕擋墻向上的推動作用 ，導(dǎo)致流體在流過上擋墻下部經(jīng)過氣幕擋墻時，形成 “短路流動 ”。鋼包內(nèi)鋼水的停留時間縮短，減少夾雜物上浮機會 。4 油滴卷渣試驗實驗中采用了豆油來模擬精煉渣，因為豆油的黏度是比較大的，豆油與水的黏度比與渣鋼的黏度比比較接近。通過觀察吹氣量對保護渣卷動情

7、況，制定合適吹氣量 ，有關(guān)油和水的物性參數(shù)見下表。氮參數(shù)鋼液渣水豆油氬氣氣溫度/ 16001400 150020202020表面張力 /153049072.2-（ 10 3 N m 1 ）密度 / （ kg m3）331 ×331.257× 103.5 × 1010 0.8× 10 1.784粘度（ 10 3 Pas）5300 5001.01325-.專業(yè) .整理 .下載可編輯本次實驗采用的是工廠實際使用的透氣磚進行實驗，針對 5 種不同吹氣量進行了對比分析 （見組圖 3），吹氣量：0.08m 3/h吹氣量：0.16m 3 /h吹氣量：0.24m 3/h

8、吹氣量：0.32m 3/h吹氣量： 0.42m 3 /h圖 3 不同吹氣量下的油層卷動情況試驗液面的高度為550mm ，油層的厚度為 30mm 左右 。 通過試驗確定一個臨界的吹氣量 ，試驗相關(guān)現(xiàn)象見下表 :.專業(yè) .整理 .， 超過臨界吹氣量， 達到臨界吹氣量下載可編輯吹氣量 m 3/h現(xiàn)象0.06出現(xiàn) “渣孔 ”，渣孔面積較小，吹氣量不足以引起卷渣。0.16“渣孔 ”面積擴大 ，但是由于豆油具有的粘性 ，沒有出現(xiàn)油滴破裂 。0.24渣孔面積進一步擴大在靠近上擋墻一面油層破裂 ，但脫離油層的小油滴不多 。0.32渣孔面積進一步擴大透氣磚兩側(cè)油層破裂嚴重 ，大量油滴離開油層。0.42靠近上檔墻

9、部位油層不能穩(wěn)定存在 ，大量破碎油滴出現(xiàn) 。結(jié)論未達到臨界吹氣量未達到臨界吹氣量超過臨界吹氣量在試驗中我們觀察到 ，隨著吹氣量的增加 ，氣泡尺寸在縮少 。這是由于吹氣量加大之后 ，氣體的湍流動能增加 ，在透氣轉(zhuǎn)上形成氣泡上浮的過程中，對周圍的氣泡進行破碎 ，因此通過氣泡上浮過程，小氣泡尺寸縮小 。通過卷渣模擬試驗得到臨界吹氣量應(yīng)該在0.24m 3/h 以下，因此在水模實驗時選擇的吹氣量.專業(yè) .整理 .下載可編輯都小于此值 。5 試驗結(jié)果及分析5.1確定合適的吹氣量在確定臨界吹氣量之后，開始進行水模擬實驗，首先在原工況下 （上擋墻距水口 717mm ，兩檔墻間距150mm ，上檔墻距包底距離1

10、25mm ）不同吹氣量情況進行試驗 。實驗安排見下表 ：實驗號吹氣量 (m 3/h)滯止時間平均停留時間10.155232620.1755133630.25132840.22544331通過上表的計算結(jié)果可以看出：隨著吹氣量的增加 ，滯止時間減小 ，平均停留時間在 0.175時最大，增大吹氣量 ，反而導(dǎo)致停留時間減小 ，這是由于增大吹氣量，氣泡的湍流動能增大 ，對水的攪動增大 ，從而使得停留時間減少 。5.2 優(yōu)化擋墻位置通過 5.1內(nèi)容，我們確定合適的吹氣量在0.1750.2 m 3 /h 之間，下面進行擋墻位置優(yōu)化試驗 。試驗方案下表 ：實驗號上擋墻距兩檔墻之吹氣量滯止時間平均停留水口距離

11、間距離時間57173000.17549341.專業(yè) .整理 .下載可編輯66673000.1754534876673500.1754433087672000.1754733997673000.17545316107173500.17538346通過以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，當氣幕擋墻距離中包水口越遠，滯止時間越短，平均停留時間受到上擋墻距水口距離、兩檔墻之間距離兩個方面的影響比較大，對數(shù)據(jù)進行分析可得 ，方案 6為最佳方案 ，即上擋墻距水口距離為667mm ，兩檔墻之間距離 300mm 時平均停留時間最長 。5.3上擋墻高度對中間包流場的影響由于擋墻高度微變化對中包的影響效果小于其位置對其影響，在

12、找到合適位置之后，改變上擋墻高度進行模擬實驗，找到其對中包流場的影響。實驗號上擋上擋墻兩檔墻吹氣量滯止時平均停留時墻距距水口之間距間間包底距離離距離111706673000.250335.9770453121406673000.249347.522505131106673000.245343.1828118通過以上幾組試驗可以看出，上擋墻的高度微變化對于中包流場的影響要小于其位置的影響 ，擋墻距離包底越近 ，滯止時間隨之減少 ，這主要是流體經(jīng)過下?lián)鯄r由于流速增大的原因，另外擋墻距離包底在 110140mm 時平均停留時間最長 。6 中間包流場數(shù)值模擬.專業(yè) .整理 .下載可編輯運用 ANSY

13、S軟件，對中間包進行流場數(shù)值模擬分析 ，通過對速度場的分析，找到改進的工藝參數(shù)趨勢 ，優(yōu)化流場分布 ，努力使整個流場避免 “短路流動 ”，增加中間包內(nèi)鋼水的停留時間 ，提高夾雜物上浮率 ，提高鋼水質(zhì)量 。 下圖4是原工況下氣幕擋墻沒有吹氣情況下的流場圖 。通過中間包水模試驗結(jié)論 ，可以看出 ：在上擋墻距離長水口 667mm ，上下?lián)鯄﹂g距 300mm 時，上擋墻距離包底在 110140mm, 位置最佳 。 合適的吹氣量應(yīng)該控制在 1.52.4m 3/h 之內(nèi) 。通過前面介紹的相關(guān)轉(zhuǎn)換公式 ，對模型與實際生產(chǎn)下工藝參數(shù)進行換算，在上擋墻距離長水口 1334mm ，上下?lián)鯄﹂g距 600mm 時，上

14、擋墻距離包底在 220280mm 之內(nèi) ,位置最佳 。 合適的吹氣量應(yīng)該控制在1.93.04m 3 /h 之內(nèi) 。.專業(yè) .整理 .下載可編輯附錄：部分試驗不同工況下 RTD曲線0.840.79)m 0.74c/Sm(/0.69率電導(dǎo) 0.64 0.590.540200400600800100012001400時間/(s)工況 ：距水口 717mm ，兩檔墻間距200mm ，上檔墻距包底距離110mm0.840.79)mc0.74/Sm(/0.69率電導(dǎo) 0.64.專業(yè) .整理 .0.590.540200400600800100012001400時間 /(s)下載可編輯工況 ：距水口 617m

15、m ，兩檔墻間距200mm ，上檔墻距包底距離110mm0.840.79)mc0.74/Sm(/0.69率電導(dǎo) 0.64 0.590.540200400600800100012001400時間 /(s)工況 ：距水口 717mm ，兩檔墻間距150mm ，上檔墻距包底距離110mm0.840.79)mc0.74/Sm(/0.69率電導(dǎo) 0.640.59.專業(yè) .整理 .0.540200400600800100012001400時間 /(s)下載可編輯工況 ：距水口 717mm ，兩檔墻間距200mm ，上檔墻距包底距離110mm0.840.79)mc0.74/Sm(/0.69率電導(dǎo) 0.64

16、0.590.540200400600800100012001400時間 /(s)工況 ：距水口717mm ， 兩檔墻間距200mm ，上檔墻距包底距離125mm ，吹氣量0.175m 3/h0.84.專業(yè) .整理 .0.79)m0.74c/Sm(下載可編輯工況 ： 距水口717mm ， 兩檔墻間距200mm ，上檔墻距包底距離125mm ，吹氣量0.225m 3/h0.840.79)mc0.74/Sm(/0.69率電導(dǎo) 0.64 0.590.540200400600800100012001400時間 /(s).專業(yè) .整理 .下載可編輯工況 ： 距水口717mm ， 兩檔墻間距200mm ，上

17、檔墻距包底距離125mm ，吹氣量0.15m 3/h0.840.79)mc0.74/Sm(/率 0.69電導(dǎo)0.640.590.540200400600800100012001400時間 /(s)工況 ：距水口 717mm ，兩檔墻間距200mm ，上檔墻距包底距離125mm ，吹氣量 0.2m 3 /h0.840.79)mc0.74/Sm(/率 0.69電導(dǎo)0.640.590.540200400600800100012001400時間 /(s).專業(yè) .整理 .下載可編輯工況 ：距水口 717mm ，兩檔墻間距300mm ，上檔墻距包底距離125mm ，吹氣量 0.175m 3 /h0.84

18、0.79)mc0.74/Sm(/率 0.69電導(dǎo)0.640.590.540200400600800100012001400時間 /(s)距水口 667mm ，兩檔墻間距300mm ，上檔墻距包底距離125mm ，吹氣量 0.175m 3 /h.專業(yè) .整理 .下載可編輯0.840.79)mc0.74/Sm(/率 0.69電導(dǎo)0.640.590.540200400600800100012001400時間 /(s)距水口 667mm ，兩檔墻間距350mm ，上檔墻距包底距離125mm ，吹氣量 0.175m 3 /h0.840.79)mc0.74/Sm(/率 0.69電導(dǎo)0.640.590.54

19、.專業(yè) .整理 .0200400600800100012001400時間 /(s)下載可編輯工況 ： 距水口767mm ， 兩檔墻間距200mm ，上檔墻距包底距離125mm ，吹氣量0.175m 3/h0.840.79)mc0.74/Sm(/率 0.69電導(dǎo)0.640.590.540200400600800100012001400時間 /(s)工況 ： 距水口767mm ， 兩檔墻間距300mm ，上檔墻距包底距離125mm ，吹氣量.專業(yè) .整理 .下載可編輯0.175m 3/h0.840.79)mc0.74/Sm(/率 0.69電導(dǎo)0.640.590.540200400600800100012001400時間 /(s)工況 ： 距水口717mm ， 兩檔墻間距350mm ，上檔墻距包底距離125mm ，吹氣量0.840.175m 3/h0.79)mc