煉鋼中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)的水模擬試驗(yàn)

1、下載可編輯中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)的水模擬試驗(yàn)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)（即第二自模化區(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(jī) 2000*250 ，拉速 0.9m/min計(jì)算， Re 原型和 1/2 尺寸的模型 Re均在第二自模化區(qū) )一般取模型與實(shí)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(shí)際的吹氣量比值可通過(guò)修正佛路德準(zhǔn)數(shù)即Fr來(lái)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(shí)際鋼包幾何比例；.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯m：模型；r：實(shí)際鋼包 ；u：流體速度 ；g ：重力加速度 ；L：特征長(zhǎng)度 ；Q：液體流量 ；：密度；模型與

3、原型的各參數(shù)比見(jiàn)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(shí)型70001.783（鋼）（氬）模型與原型主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表：項(xiàng)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(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯2 試驗(yàn)方法本實(shí)驗(yàn)采用刺激 響應(yīng)試驗(yàn) 。其方法是 ：在中間包注入流處輸入一個(gè)刺激信號(hào)（飽和 KCL 溶液），信號(hào)一般使用示蹤劑來(lái)實(shí)現(xiàn)

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

5、 c(t)0或者平均停留時(shí)間 t a：平均停留時(shí)間 ： tatac(t )dtc( t)0中間包的流體流動(dòng)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(shí)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(píng)價(jià)方法 ： t p 和 ta 是與活塞區(qū)和死區(qū)體積分?jǐn)?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(biāo) ，延長(zhǎng) t p 和 t a 有利于夾雜上浮 。 死區(qū)的體積分?jǐn)?shù)大 ，中間包的有效流動(dòng)空間利用率就低 ，夾雜物不易上浮 ，因此死區(qū)的體積分?jǐn)?shù)越小越

6、好。.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯3 流場(chǎng)顯示試驗(yàn)用高錳酸鉀溶液做顯示劑，用攝相機(jī)進(jìn)行拍攝 ，從而拍攝出流場(chǎng)的流動(dòng)圖相，通過(guò)流場(chǎng)顯示實(shí)驗(yàn)可以比較直觀地觀察到中間包內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)情況，本實(shí)驗(yàn)對(duì)以下幾種工況進(jìn)行了拍攝：沒(méi)有吹氣狀況下 ，無(wú)湍流控制氣狀況下 ，正常工況下的流場(chǎng)流動(dòng)狀態(tài) 。 從拍攝的結(jié)果看 ，中間包不吹氣時(shí) ，由于沒(méi)有氣幕擋墻向上的推動(dòng)作用 ，導(dǎo)致流體在流過(guò)上擋墻下部經(jīng)過(guò)氣幕擋墻時(shí)，形成 “短路流動(dòng) ”。鋼包內(nèi)鋼水的停留時(shí)間縮短，減少夾雜物上浮機(jī)會(huì) 。4 油滴卷渣試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中采用了豆油來(lái)模擬精煉渣，因?yàn)槎褂偷酿ざ仁潜容^大的，豆油與水的黏度比與渣鋼的黏度比比較接近。通過(guò)觀察吹氣量對(duì)保護(hù)渣卷動(dòng)情

7、況，制定合適吹氣量 ，有關(guān)油和水的物性參數(shù)見(jiàn)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(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯本次實(shí)驗(yàn)采用的是工廠實(shí)際使用的透氣磚進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，針對(duì) 5 種不同吹氣量進(jìn)行了對(duì)比分析 （見(jiàn)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(dòng)情況試驗(yàn)液面的高度為550mm ，油層的厚度為 30mm 左右 。 通過(guò)試驗(yàn)確定一個(gè)臨界的吹氣量 ，試驗(yàn)相關(guān)現(xiàn)象見(jiàn)下表 :.專(zhuān)業(yè) .整理 .， 超過(guò)臨界吹氣量， 達(dá)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(kuò)大 ，但是由于豆油具有的粘性 ，沒(méi)有出現(xiàn)油滴破裂 。0.24渣孔面積進(jìn)一步擴(kuò)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(jìn)一步擴(kuò)大透氣磚兩側(cè)油層破裂嚴(yán)重 ，大量油滴離開(kāi)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(dá)到臨界吹氣量未達(dá)到臨界吹氣量超過(guò)臨界吹氣量在試驗(yàn)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(dòng)能增加 ，在透氣轉(zhuǎn)上形成氣泡上浮的過(guò)程中，對(duì)周?chē)臍馀葸M(jìn)行破碎 ，因此通過(guò)氣泡上浮過(guò)程，小氣泡尺寸縮小 。通過(guò)卷渣模擬試驗(yàn)得到臨界吹氣量應(yīng)該在0.24m 3/h 以下，因此在水模實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇的吹氣量.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯都小于此值 。5 試驗(yàn)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(kāi)始進(jìn)行水模擬實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行試驗(yàn) 。實(shí)驗(yàn)安排見(jiàn)下表 ：實(shí)驗(yàn)號(hào)吹氣量 (m 3/h)滯止時(shí)間平均停留時(shí)間10.155232620.1755133630.25132840.22544331通過(guò)上表的計(jì)算結(jié)果可以看出：隨著吹氣量的增加 ，滯止時(shí)間減小 ，平均停留時(shí)間在 0.175時(shí)最大，增大吹氣量 ，反而導(dǎo)致停留時(shí)間減小 ，這是由于增大吹氣量，氣泡的湍流動(dòng)能增大 ，對(duì)水的攪動(dòng)增大 ，從而使得停留時(shí)間減少 。5.2 優(yōu)化擋墻位置通過(guò) 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(jìn)行擋墻位置優(yōu)化試驗(yàn) 。試驗(yàn)方案下表 ：實(shí)驗(yàn)號(hào)上擋墻距兩檔墻之吹氣量滯止時(shí)間平均停留水口距離

11、間距離時(shí)間57173000.17549341.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯66673000.1754534876673500.1754433087672000.1754733997673000.17545316107173500.17538346通過(guò)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)氣幕擋墻距離中包水口越遠(yuǎn)，滯止時(shí)間越短，平均停留時(shí)間受到上擋墻距水口距離、兩檔墻之間距離兩個(gè)方面的影響比較大，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)平均停留時(shí)間最長(zhǎng) 。5.3上擋墻高度對(duì)中間包流場(chǎng)的影響由于擋墻高度微變化對(duì)中包的影響效果小于其位置對(duì)其影響，在

12、找到合適位置之后，改變上擋墻高度進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，找到其對(duì)中包流場(chǎng)的影響。實(shí)驗(yàn)號(hào)上擋上擋墻兩檔墻吹氣量滯止時(shí)平均停留時(shí)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(guò)以上幾組試驗(yàn)可以看出，上擋墻的高度微變化對(duì)于中包流場(chǎng)的影響要小于其位置的影響 ，擋墻距離包底越近 ，滯止時(shí)間隨之減少 ，這主要是流體經(jīng)過(guò)下?lián)鯄r(shí)由于流速增大的原因，另外擋墻距離包底在 110140mm 時(shí)平均停留時(shí)間最長(zhǎng) 。6 中間包流場(chǎng)數(shù)值模擬.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯運(yùn)用 ANSY

13、S軟件，對(duì)中間包進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬分析 ，通過(guò)對(duì)速度場(chǎng)的分析，找到改進(jìn)的工藝參數(shù)趨勢(shì) ，優(yōu)化流場(chǎng)分布 ，努力使整個(gè)流場(chǎng)避免 “短路流動(dòng) ”，增加中間包內(nèi)鋼水的停留時(shí)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(méi)有吹氣情況下的流場(chǎng)圖 。通過(guò)中間包水模試驗(yàn)結(jié)論 ，可以看出 ：在上擋墻距離長(zhǎng)水口 667mm ，上下?lián)鯄﹂g距 300mm 時(shí)，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(guò)前面介紹的相關(guān)轉(zhuǎn)換公式 ，對(duì)模型與實(shí)際生產(chǎn)下工藝參數(shù)進(jìn)行換算，在上擋墻距離長(zhǎng)水口 1334mm ，上下?lián)鯄﹂g距 600mm 時(shí)，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(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯附錄：部分試驗(yàn)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(shí)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(zhuān)業(yè) .整理 .0.590.540200400600800100012001400時(shí)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(shí)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(zhuān)業(yè) .整理 .0.540200400600800100012001400時(shí)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(shí)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(zhuān)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(shí)間 /(s).專(zhuān)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(shí)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(shí)間 /(s).專(zhuān)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(shí)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(zhuān)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(shí)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(zhuān)業(yè) .整理 .0200400600800100012001400時(shí)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(shí)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(zhuān)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(shí)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