冶金過程水模型實驗講義2015 (1)

1、95 冶金過程水模擬【實驗性質(zhì)】 綜合性實驗 ；學(xué)時：4 5.1實驗?zāi)康闹虚g包是煉鋼連鑄生產(chǎn)流程的中間環(huán)節(jié)，是連接鋼包和結(jié)晶器之間的過渡容器，是由間歇操作轉(zhuǎn)向連續(xù)操作的銜接點，隨著連鑄技術(shù)水平的不斷提高，中間包對于精煉和提高鑄坯質(zhì)量方面的作用越來越明顯，已經(jīng)由普通的過渡容器發(fā)展為多功能連鑄反應(yīng)器。中間包現(xiàn)在的冶金作用不僅是儲存和分配鋼包鋼水，而且還通過控流裝置，調(diào)整鋼液流動狀態(tài)，從而達(dá)到均勻溫度和促進非金屬夾雜物上浮的效果。中間包冶金效果和中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，比如擋墻擋壩、導(dǎo)流孔、湍流抑制器、過濾裝置、使用塞棒、中間包吹氬等都影響著鋼液的流動狀態(tài)，所以通過水模型實驗優(yōu)化中間包內(nèi)控流裝置是中間包

2、科研工作的一個方面。本實驗要求學(xué)生設(shè)計兩個實驗方案，針對這兩個方案做中間包RTD曲線的測定和流場顯示，將實驗結(jié)果加以對比分析，看哪個設(shè)計方案有利于夾雜物上浮，有利于鋼液成分和溫度的均勻。通過本實驗不僅使學(xué)生學(xué)會中間包水模型實驗方法，而且學(xué)會通過實驗數(shù)據(jù)進行對中間包性能進行分析，為將來參與相關(guān)的科研活動奠定基礎(chǔ)。5.2實驗基本原理本實驗中用水模擬鋼液，用有機玻璃模型模擬實際中間包。這是因為水易于操作且20水的運動粘度與1600鋼液的運動粘度相當(dāng)，其各自的物理性質(zhì)如表1.1表1 20水和1600鋼液的物性參數(shù)本實驗以相似原理為理論基礎(chǔ)，要保證模型與實型的相似，必須滿足幾何相似，動力相似，才能保證運

3、動相似。中間包內(nèi)鋼液的流動，是液體在重力作用下從大包水口流入中間包內(nèi)，然后從中間包水口流出。在這種情況下，可視為粘性不可壓縮穩(wěn)態(tài)等溫流動。中間包中的鋼液流動主要受粘滯力、重力和慣性力的作用，為保證原型與模型的運動相似，需要采用雷諾數(shù)、弗魯?shù)聰?shù)同時相等。 雷諾數(shù) （1） 弗魯?shù)聰?shù) （2）其中：密度；L：長度；u：流速；：粘性系數(shù)； g：重力加速度。模型幾何尺寸與原型幾何尺寸的比稱作比例因子。當(dāng)原型與模型的雷諾數(shù)與弗魯?shù)聰?shù)同時相等時，要求比例因子為1:1。如果實驗條件允許時，盡可能采用1:1模型；如果不能實現(xiàn)1:1時，可以縮小比例。原因有以下兩個方面，一是流體處于自?；瘏^(qū)時流動速度分布彼此相似，與

4、Re數(shù)不再有關(guān)，這種現(xiàn)象便稱為自模性。常將Re<2000的范圍稱為第一自?；瘏^(qū)。當(dāng)2000<Re<104時，流體處于由層流向湍流的過渡狀態(tài)，這時流動速度分布隨Re變化較大；但是，當(dāng)Re>104時，流動再次進入自?；癄顟B(tài)，稱為第二自模化區(qū)，只要原型設(shè)備的Re數(shù)處于自?；瘏^(qū)以內(nèi)。則模型和原型Re數(shù)就不必相等，本實驗的和都處于104105之間同處于第二自?；瘏^(qū)。另外在流體在由鋼包流向中間包，中間包流向結(jié)晶器的過程中，流動主要由重力引起，因此只考慮與重力相關(guān)的準(zhǔn)數(shù)弗魯?shù)聰?shù)。5.3實驗參數(shù)確定(1) 模型流量的確定根據(jù)Fr準(zhǔn)數(shù)相等，可以確定模型流量，反之，通過模型流量的確定保證了

5、原型與模型的弗魯?shù)聰?shù)相等。下式中r代表原型，m代表模型。 （3）即： （4） 即 （5） （6） （7）式中，為比例因子，本實驗中取1:2.5。由式（7）可確定水模型中間包出水口流量。中間包所需參數(shù)見表2。表2 實際拉速與實驗流量的換算表格規(guī)格/mm實際拉速m/min原型出水口流量模型流量1400*2301.019.321.955實際流量模型流量 （2）實驗液位的確定根據(jù)工廠實際生產(chǎn)液位和比例因子來確定實驗液位。本實驗中原型中間包內(nèi)出水口處至鋼液位高度為1100mm，比例因子為1/2.5，則實驗中水的液位高度為440mm。（3）采集時間的確定數(shù)據(jù)采集時間要大于兩倍的理論停留時間。如中間包模型中

6、水體積為：，取模型流量Q=1.955，則理論停留時間為：tV/Qm=3600*0.496/（2*1.955）456s，實驗采集時間應(yīng)大于2倍理論停留時間（912s），本實驗采集時間設(shè)為16分鐘（960s）。5.4實驗裝置本模擬系統(tǒng)由上水系統(tǒng)，示蹤劑加入系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和排水系統(tǒng)四部分組成，具體包括大包，有機玻璃中間包模型，長水口，中間包內(nèi)控流裝置(湍流抑制器，擋墻，擋壩，塞棒等)，示蹤劑加入裝置，電導(dǎo)探頭，電導(dǎo)率儀和數(shù)據(jù)記錄儀(DJ800)等，裝置示意圖如下：4進水泵回水泵控制柜計算機流量計流量計電磁閥電磁閥示蹤劑漏斗電磁閥鋼包滑輪液位計電極電導(dǎo)率儀5.5實驗方法1）測量停留時間分布通常應(yīng)用

7、“刺激-響應(yīng)”實驗來測量停留時間分布。其方法是：在中間包注流處輸入一個刺激信號（信號一般使用飽和氯化鉀溶液來實現(xiàn)），然后在中間包出口處測量該輸入信號的輸出，即所謂響應(yīng)，從響應(yīng)曲線得到流體在中間包內(nèi)的停留時間分布。本實驗采用脈沖法加入示蹤劑，即瞬間把所有的示蹤劑都注入到進口處的物流中，在保持流量不變的條件下，測定出口物流中示蹤劑濃度C隨時間的變化即RTD曲線。本實驗采用飽和的KCl溶液作示蹤劑，在大包水口支管處加入200ml，時間大約1秒。用電導(dǎo)率儀同時測量中間包出水口處的RTD（Residence Time Distribution停留時間分布）曲線，見圖2，并根據(jù)該曲線計算每個水口的平均停留

8、時間、滯止時間和死區(qū)比例。圖2 RTD 曲線圖中橫坐標(biāo)為無量綱時間（時間量與理論停留時間t的比值），縱坐標(biāo)為示蹤劑濃度，Q為總體積流量，將總體積流量分為活動區(qū)體積流量Qa（活塞區(qū)+全混區(qū)）和死區(qū)體積流量Qd，一般在2倍停留時間之外的測得的濃度為通過死區(qū)流量的濃度，RTD曲線中無量綱時間2之前的面積表示活動區(qū)體積流量與總流量之比，無量綱時間2之后的面積表示死區(qū)體積流量與總流量之比。所以測量時間一定大于2倍理論停留時間。 （8） （9） （10） （11）死區(qū)與外界進行較慢的物質(zhì)和能量交換，死區(qū)流速很慢，死區(qū)體積流量與活動區(qū)體積流量之和為總流量，當(dāng)認(rèn)為死區(qū)為完全滯留區(qū)，與外界不交換物質(zhì)和能量時，死

9、區(qū)的體積流量即為Qd=0.此時活動區(qū)體積流量等于總流量Qa=Q ，這只是一種特例。2）流場顯示有色示蹤劑法觀察在透明的有機玻璃模型內(nèi)液體的流動狀態(tài)。為了得到定性結(jié)果，選擇在大包水口支管處加入帶色液體(如墨水)來進行觀察，并進行錄像分析。5.6實驗步驟實驗前準(zhǔn)備工作包括水箱中儲滿水；連接好電極、流量計，打開上水流量計閥門等，配置好飽和KCL溶液150ml。1）啟動軟件 檢查屏幕右側(cè)“出水閥控制”為 “已關(guān)”狀態(tài)，如果不是，請點擊“已關(guān)”2）設(shè)定中間包液位高度440mm；3）啟動上水泵，點擊屏幕左側(cè)“上水泵”旁綠色按鈕，變?yōu)榧t色，說明上水泵已啟動。4）點擊屏幕左側(cè)“試驗步驟”，以后操作見下表，黃色

10、閃爍說明要執(zhí)行該操作提示操作反應(yīng)一 進水閥開度給定 并開閥點擊“進水”按鈕打開水箱下面的進水閥二 液位校準(zhǔn) 零位液位高于設(shè)定值5mm自動關(guān)進水閥三 出水流量 給定輸入出水流量值，并回車幾秒后出水閥打開四 開啟出水閥至設(shè)定值閥門開度到55%左右五 請將出水閥打開 并確認(rèn)點擊屏幕右側(cè)“出水閥控制”中“已開”“已開”變?yōu)榫G色，出水閥繼續(xù)打開六 動平衡 調(diào)整點擊“動平衡”出水閥閥門繼續(xù)開大，調(diào)整中間包液位平衡，約5分鐘認(rèn)為平衡調(diào)好后點擊“出水閥控制”下面的“手動操作”使出水閥固定開度不變點擊“完成”動平衡調(diào)整結(jié)束七 系統(tǒng)準(zhǔn)備完了 可以開始試驗了出現(xiàn)，“可以開始試驗啦”八 試驗時間 設(shè)定 秒輸入 數(shù)據(jù)采

11、集時間并回車九 開始采樣點擊“開始采樣”出現(xiàn)“實驗中”字樣十 試驗結(jié)束點擊“出水閥控制”下面的“手動禁止”點擊“實驗結(jié)束”紫色的“手動禁止”變?yōu)榫G色的“手動操作”十一 點擊“時鐘清零”回到初始狀態(tài)5.7實驗方案通過改變擋墻位置自行設(shè)定兩種工況，通過實驗數(shù)據(jù)分析哪種工況有利于鋼中夾雜物上浮。實驗編號擋墻距離擋壩（mm）備注AB5.8數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析5.8.1 數(shù)據(jù)處理1）中間包內(nèi)鋼液流動模式 連鑄中間包是一種典型的連續(xù)式全混流冶金反應(yīng)器。但由于鋼包注流的沖擊、水口處對鋼液的抽吸以及中間包本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形狀，造成了中間包內(nèi)鋼水流動 狀態(tài)的復(fù)雜性，中間包內(nèi)存在的流動模式往往又是一種非理想的連續(xù)流

12、。因此按照 混合模型來分析，中間包內(nèi)流體的流動可分為三部分，即活塞區(qū)、全混區(qū)和滯留區(qū)（死區(qū)），分別介紹如下： （1）活塞區(qū) 活塞區(qū)的流動是一種理想狀態(tài)，它假設(shè)通過反應(yīng)器的流體均沿同一方向，以相同的速度向前流動，在流動過程中沒有流體的混返，所有流體在反應(yīng)器中的停留時間都相同?；钊麉^(qū)的流動有利于夾雜物的上浮，應(yīng)盡可能地發(fā)展活塞流，并注意其流動路線的控制。 （2）全混區(qū) 該區(qū)位于鋼包注流附近，鋼液與來自鋼包的注流混合。在此區(qū)內(nèi)，流體充分混合，成分和溫度均勻且等于出口處的成分和溫度。全混區(qū)有利于鋼液成分和溫度的均勻，并且促進夾雜物的碰撞長大，但必須防止卷渣。（3）死區(qū) 此區(qū)內(nèi)流體與周圍區(qū)域不發(fā)生物質(zhì)和

13、能量交換。死區(qū)相當(dāng)于減少了中間包的有效容積。若存在死區(qū)，使實際停留時間比理論計算值少，不利于夾雜物的上浮，需減少死區(qū)體積。 2）停留時間分布 所謂停留時間，是指物料從進入反應(yīng)器開始，到離開反應(yīng)器為止，在反應(yīng)器中所經(jīng)歷的時間。進入活塞區(qū)的流體最先到達(dá)反應(yīng)器的出口，而進入死區(qū)的則最后到達(dá)出口。雖然同時進入各區(qū)的流體分量不相同，但在總體上表現(xiàn)為一定的概率分布。如果鋼液流動為活塞流，示蹤劑分子和加入前后的流體沒有混合，經(jīng)過一段時間后全部示蹤劑由水口流出，所以仍舊保持脈沖特性，這就是曲線 A；如果鋼液流動為全混流，示蹤劑脈沖加入后立刻與中間包內(nèi)鋼液混合，混合均勻并立即由水口流出，以后

14、隨著鋼液流出的示蹤劑將逐漸減少，所以其曲線呈現(xiàn)衰減特征，這就是曲線 B；實際上鋼液的流動介于這兩種特例之間，也就是曲線 C。三種曲線的意義只是表示流動特征的不同，而容器體積和流量是一樣的。圖3 反應(yīng)器內(nèi)流體的三種流動狀態(tài)的RTD曲線 3）中間包混合模型計算 通過研究中間包物理模型，可提供中間包內(nèi)的停留時間分布和混合特性方面的信息，了解中間包內(nèi)鋼液的流動狀況。具體計算公式如下：（1）理論平均停留時間： （12）其中V為模型水的體積，Q為模型總流量。（2）實際平均停留時間：指活動區(qū)體積與活動區(qū)流量之比。根據(jù)活動區(qū)流量的定義，在2倍理論停留時間之前的流量認(rèn)為是

15、活動區(qū)流量，所以實際平均停留時間在計算時積分到2倍理論停留時間。 越大越有利于夾雜物有上浮。式（8）中ci為ti時刻KCL的電導(dǎo)率，n表示中間包對稱軸一側(cè)的通道數(shù)，在本實驗中n=1。 （13）（3）滯止時間：從加入脈沖信號開始到出口得到相應(yīng)時的最短時間，滯止時間延長，活塞區(qū)擴大。（4）峰值時間：獲得最大電導(dǎo)率值的時間，峰值時間越長、峰值越小，曲線就越平緩，流場也就越合理。（5）活塞區(qū)比例： 若同一時刻進入容器的流團均在同一時刻離開容器，它們不會和先或后于它們進入容器的流團相混合，此為活塞區(qū)?；钊麉^(qū)有利于夾雜物的上浮。 （14）其中：活塞區(qū)體積（6）死區(qū)比例：死區(qū)內(nèi)流體無流動和擴散，相當(dāng)于縮小了中間包的有效容積。死區(qū)的存在對大顆粒夾雜的上浮影響不是很大，但對于中小夾雜（<20um），由于沒有流體的流動，也就使中小夾雜沒有機會碰撞聚集長大而較迅速的上浮。我們可以這樣認(rèn)為對于中小夾雜，在有限的滯留時間內(nèi)，沒有上浮的機會，因而死區(qū)對夾雜的去除效率（尤其是中小夾雜）可認(rèn)為為零： (15)其中：死區(qū)體積； （7）全混區(qū)比例：而當(dāng)流團一進入容器立即與其它流團完全混合，分不出那個流團是先來和后來的，這種流動模式稱為全混區(qū)： （16）其中：全混區(qū)體積5.8.2 實驗結(jié)果對比分析為