冶金過(guò)程水模型實(shí)驗(yàn)講義2015 (1)

1、95 冶金過(guò)程水模擬【實(shí)驗(yàn)性質(zhì)】 綜合性實(shí)驗(yàn) ；學(xué)時(shí)：4 5.1實(shí)驗(yàn)?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(guò)渡容器，是由間歇操作轉(zhuǎn)向連續(xù)操作的銜接點(diǎn)，隨著連鑄技術(shù)水平的不斷提高，中間包對(duì)于精煉和提高鑄坯質(zhì)量方面的作用越來(lái)越明顯，已經(jīng)由普通的過(guò)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(chǔ)存和分配鋼包鋼水，而且還通過(guò)控流裝置，調(diào)整鋼液流動(dòng)狀態(tài)，從而達(dá)到均勻溫度和促進(jìn)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(guò)濾裝置、使用塞棒、中間包吹氬等都影響著鋼液的流動(dòng)狀態(tài)，所以通過(guò)水模型實(shí)驗(yàn)優(yōu)化中間包內(nèi)控流裝置是中間包

2、科研工作的一個(gè)方面。本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生設(shè)計(jì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，針對(duì)這兩個(gè)方案做中間包RTD曲線的測(cè)定和流場(chǎng)顯示，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以對(duì)比分析，看哪個(gè)設(shè)計(jì)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(guò)本實(shí)驗(yàn)不僅使學(xué)生學(xué)會(huì)中間包水模型實(shí)驗(yàn)方法，而且學(xué)會(huì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)中間包性能進(jìn)行分析，為將來(lái)參與相關(guān)的科研活動(dòng)奠定基礎(chǔ)。5.2實(shí)驗(yàn)基本原理本實(shí)驗(yàn)中用水模擬鋼液，用有機(jī)玻璃模型模擬實(shí)際中間包。這是因?yàn)樗子诓僮髑?0水的運(yùn)動(dòng)粘度與1600鋼液的運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)以相似原理為理論基礎(chǔ)，要保證模型與實(shí)型的相似，必須滿(mǎn)足幾何相似，動(dòng)力相似，才能保證運(yùn)

3、動(dòng)相似。中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)，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(dòng)。中間包中的鋼液流動(dòng)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(yùn)動(dòng)相似，需要采用雷諾數(shù)、弗魯?shù)聰?shù)同時(shí)相等。 雷諾數(shù) （1） 弗魯?shù)聰?shù) （2）其中：密度；L：長(zhǎng)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(chēng)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(shí)相等時(shí)，要求比例因子為1:1。如果實(shí)驗(yàn)條件允許時(shí)，盡可能采用1:1模型；如果不能實(shí)現(xiàn)1:1時(shí)，可以縮小比例。原因有以下兩個(gè)方面，一是流體處于自?；瘏^(qū)時(shí)流動(dòng)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(chēng)為自模性。常將Re<2000的范圍稱(chēng)為第一自?；瘏^(qū)。當(dāng)2000<Re<104時(shí)，流體處于由層流向湍流的過(guò)渡狀態(tài)，這時(shí)流動(dòng)速度分布隨Re變化較大；但是，當(dāng)Re>104時(shí)，流動(dòng)再次進(jìn)入自?；癄顟B(tài)，稱(chēng)為第二自?；瘏^(qū)，只要原型設(shè)備的Re數(shù)處于自?；瘏^(qū)以?xún)?nèi)。則模型和原型Re數(shù)就不必相等，本實(shí)驗(yàn)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(guò)程中，流動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(guò)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(shí)驗(yàn)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(jiàn)表2。表2 實(shí)際拉速與實(shí)驗(yàn)流量的換算表格規(guī)格/mm實(shí)際拉速m/min原型出水口流量模型流量1400*2301.019.321.955實(shí)際流量模型流量 （2）實(shí)驗(yàn)液位的確定根據(jù)工廠實(shí)際生產(chǎn)液位和比例因子來(lái)確定實(shí)驗(yàn)液位。本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中水的液位高度為440mm。（3）采集時(shí)間的確定數(shù)據(jù)采集時(shí)間要大于兩倍的理論停留時(shí)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(shí)間為：tV/Qm=3600*0.496/（2*1.955）456s，實(shí)驗(yàn)采集時(shí)間應(yīng)大于2倍理論停留時(shí)間（912s），本實(shí)驗(yàn)采集時(shí)間設(shè)為16分鐘（960s）。5.4實(shí)驗(yàn)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(jī)玻璃中間包模型，長(zhǎng)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(jìn)水泵回水泵控制柜計(jì)算機(jī)流量計(jì)流量計(jì)電磁閥電磁閥示蹤劑漏斗電磁閥鋼包滑輪液位計(jì)電極電導(dǎo)率儀5.5實(shí)驗(yàn)方法1）測(cè)量停留時(shí)間分布通常應(yīng)用

7、“刺激-響應(yīng)”實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量停留時(shí)間分布。其方法是：在中間包注流處輸入一個(gè)刺激信號(hào)（信號(hào)一般使用飽和氯化鉀溶液來(lái)實(shí)現(xiàn)），然后在中間包出口處測(cè)量該輸入信號(hào)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(shí)間分布。本實(shí)驗(yàn)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(jìn)口處的物流中，在保持流量不變的條件下，測(cè)定出口物流中示蹤劑濃度C隨時(shí)間的變化即RTD曲線。本實(shí)驗(yàn)采用飽和的KCl溶液作示蹤劑，在大包水口支管處加入200ml，時(shí)間大約1秒。用電導(dǎo)率儀同時(shí)測(cè)量中間包出水口處的RTD（Residence Time Distribution停留時(shí)間分布）曲線，見(jiàn)圖2，并根據(jù)該曲線計(jì)算每個(gè)水口的平均停留

8、時(shí)間、滯止時(shí)間和死區(qū)比例。圖2 RTD 曲線圖中橫坐標(biāo)為無(wú)量綱時(shí)間（時(shí)間量與理論停留時(shí)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(dòng)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(shí)間之外的測(cè)得的濃度為通過(guò)死區(qū)流量的濃度，RTD曲線中無(wú)量綱時(shí)間2之前的面積表示活動(dòng)區(qū)體積流量與總流量之比，無(wú)量綱時(shí)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(cè)量時(shí)間一定大于2倍理論停留時(shí)間。 （8） （9） （10） （11）死區(qū)與外界進(jìn)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(dòng)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(shí)，死

9、區(qū)的體積流量即為Qd=0.此時(shí)活動(dòng)區(qū)體積流量等于總流量Qa=Q ，這只是一種特例。2）流場(chǎng)顯示有色示蹤劑法觀察在透明的有機(jī)玻璃模型內(nèi)液體的流動(dòng)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(lái)進(jìn)行觀察，并進(jìn)行錄像分析。5.6實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作包括水箱中儲(chǔ)滿(mǎn)水；連接好電極、流量計(jì)，打開(kāi)上水流量計(jì)閥門(mén)等，配置好飽和KCL溶液150ml。1）啟動(dòng)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(qǐng)點(diǎn)擊“已關(guān)”2）設(shè)定中間包液位高度440mm；3）啟動(dòng)上水泵，點(diǎn)擊屏幕左側(cè)“上水泵”旁綠色按鈕，變?yōu)榧t色，說(shuō)明上水泵已啟動(dòng)。4）點(diǎn)擊屏幕左側(cè)“試驗(yàn)步驟”，以后操作見(jiàn)下表，黃色

10、閃爍說(shuō)明要執(zhí)行該操作提示操作反應(yīng)一 進(jìn)水閥開(kāi)度給定 并開(kāi)閥點(diǎn)擊“進(jìn)水”按鈕打開(kāi)水箱下面的進(jìn)水閥二 液位校準(zhǔn) 零位液位高于設(shè)定值5mm自動(dòng)關(guān)進(jìn)水閥三 出水流量 給定輸入出水流量值，并回車(chē)幾秒后出水閥打開(kāi)四 開(kāi)啟出水閥至設(shè)定值閥門(mén)開(kāi)度到55%左右五 請(qǐng)將出水閥打開(kāi) 并確認(rèn)點(diǎn)擊屏幕右側(cè)“出水閥控制”中“已開(kāi)”“已開(kāi)”變?yōu)榫G色，出水閥繼續(xù)打開(kāi)六 動(dòng)平衡 調(diào)整點(diǎn)擊“動(dòng)平衡”出水閥閥門(mén)繼續(xù)開(kāi)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(diǎn)擊“出水閥控制”下面的“手動(dòng)操作”使出水閥固定開(kāi)度不變點(diǎn)擊“完成”動(dòng)平衡調(diào)整結(jié)束七 系統(tǒng)準(zhǔn)備完了 可以開(kāi)始試驗(yàn)了出現(xiàn)，“可以開(kāi)始試驗(yàn)啦”八 試驗(yàn)時(shí)間 設(shè)定 秒輸入 數(shù)據(jù)采

11、集時(shí)間并回車(chē)九 開(kāi)始采樣點(diǎn)擊“開(kāi)始采樣”出現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)中”字樣十 試驗(yàn)結(jié)束點(diǎn)擊“出水閥控制”下面的“手動(dòng)禁止”點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)結(jié)束”紫色的“手動(dòng)禁止”變?yōu)榫G色的“手動(dòng)操作”十一 點(diǎn)擊“時(shí)鐘清零”回到初始狀態(tài)5.7實(shí)驗(yàn)方案通過(guò)改變擋墻位置自行設(shè)定兩種工況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析哪種工況有利于鋼中夾雜物上浮。實(shí)驗(yàn)編號(hào)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(dòng)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(duì)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(dòng) 狀態(tài)的復(fù)雜性，中間包內(nèi)存在的流動(dòng)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(lái)分析，中間包內(nèi)流體的流動(dòng)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(dòng)是一種理想狀態(tài)，它假設(shè)通過(guò)反應(yīng)器的流體均沿同一方向，以相同的速度向前流動(dòng)，在流動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有流體的混返，所有流體在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都相同?；钊麉^(qū)的流動(dòng)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(dòng)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(lái)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(jìn)夾雜物的碰撞長(zhǎng)大，但必須防止卷渣。（3）死區(qū) 此區(qū)內(nèi)流體與周?chē)鷧^(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(shí)際停留時(shí)間比理論計(jì)算值少，不利于夾雜物的上浮，需減少死區(qū)體積。 2）停留時(shí)間分布 所謂停留時(shí)間，是指物料從進(jìn)入反應(yīng)器開(kāi)始，到離開(kāi)反應(yīng)器為止，在反應(yīng)器中所經(jīng)歷的時(shí)間。進(jìn)入活塞區(qū)的流體最先到達(dá)反應(yīng)器的出口，而進(jìn)入死區(qū)的則最后到達(dá)出口。雖然同時(shí)進(jìn)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(dòng)為活塞流，示蹤劑分子和加入前后的流體沒(méi)有混合，經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(dòng)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(shí)際上鋼液的流動(dòng)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(dòng)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(dòng)狀態(tài)的RTD曲線 3）中間包混合模型計(jì)算 通過(guò)研究中間包物理模型，可提供中間包內(nèi)的停留時(shí)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(dòng)狀況。具體計(jì)算公式如下：（1）理論平均停留時(shí)間： （12）其中V為模型水的體積，Q為模型總流量。（2）實(shí)際平均停留時(shí)間：指活動(dòng)區(qū)體積與活動(dòng)區(qū)流量之比。根據(jù)活動(dòng)區(qū)流量的定義，在2倍理論停留時(shí)間之前的流量認(rèn)為是

15、活動(dòng)區(qū)流量，所以實(shí)際平均停留時(shí)間在計(jì)算時(shí)積分到2倍理論停留時(shí)間。 越大越有利于夾雜物有上浮。式（8）中ci為ti時(shí)刻KCL的電導(dǎo)率，n表示中間包對(duì)稱(chēng)軸一側(cè)的通道數(shù)，在本實(shí)驗(yàn)中n=1。 （13）（3）滯止時(shí)間：從加入脈沖信號(hào)開(kāi)始到出口得到相應(yīng)時(shí)的最短時(shí)間，滯止時(shí)間延長(zhǎng)，活塞區(qū)擴(kuò)大。（4）峰值時(shí)間：獲得最大電導(dǎo)率值的時(shí)間，峰值時(shí)間越長(zhǎng)、峰值越小，曲線就越平緩，流場(chǎng)也就越合理。（5）活塞區(qū)比例： 若同一時(shí)刻進(jìn)入容器的流團(tuán)均在同一時(shí)刻離開(kāi)容器，它們不會(huì)和先或后于它們進(jìn)入容器的流團(tuán)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(wú)流動(dòng)和擴(kuò)散，相當(dāng)于縮小了中間包的有效容積。死區(qū)的存在對(duì)大顆粒夾雜的上浮影響不是很大，但對(duì)于中小夾雜（<20um），由于沒(méi)有流體的流動(dòng)，也就使中小夾雜沒(méi)有機(jī)會(huì)碰撞聚集長(zhǎng)大而較迅速的上浮。我們可以這樣認(rèn)為對(duì)于中小夾雜，在有限的滯留時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有上浮的機(jī)會(huì)，因而死區(qū)對(duì)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(tuán)一進(jìn)入容器立即與其它流團(tuán)完全混合，分不出那個(gè)流團(tuán)是先來(lái)和后來(lái)的，這種流動(dòng)模式稱(chēng)為全混區(qū)： （16）其中：全混區(qū)體積5.8.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析為