多流中間包各流流動特性一致性的定量分析

多流中間包各流流動特性一致性的定量分析

1多流中間包流動特性的定量分析隨著對連鑄件質(zhì)量要求的提高，連鑄中間包由原來的研磨工藝和鋼水壓縮，確保鋼水連續(xù)輸送。為了提高鋼水壓縮的質(zhì)量，我們必須將鋼絲繩作為一個精煉裝置，以去除干擾，調(diào)整鋼水成分，平衡和控制鋼水成分，平衡和控制鋼水成分。為了獲得高潔度和高質(zhì)量的鋼，我們意識到中間包內(nèi)合理流動的重要性。為了獲得理想的流量特征，中間包內(nèi)的輸出設(shè)備（rtd）采用物理模擬或數(shù)學(xué)模擬的預(yù)測水位分布曲線，分析中間包內(nèi)的流動特征，是優(yōu)化中間包內(nèi)流場和控流裝置的重要方法。對于多流中間包內(nèi)的流動特性,不僅要考慮非金屬夾雜物的去除,還要考慮多流中間包各流流動特性的一致性.原則上,從熱量的角度考慮,好的各流流動特性的一致性能保證中間包各流有均勻的鋼液清潔度和鋼水溫度,這樣才能獲得高潔凈度的鋼水和保證中間包連鑄生產(chǎn)的順行.但目前還沒有一種公認(rèn)的定量分析多流流動特性一致性的方法.本研究提出了一種多流中間包各流流動特性一致性的定量分析新方法,并結(jié)合一個工廠的六流圓坯連鑄中間包的典型物理模擬方案,與已有的分析方法進(jìn)行了對比研究,找出了較優(yōu)的定量分析多流中間包各流流動特性一致性的方法.2流動特性一致性分析:傳統(tǒng)各流中間包各流流動特性的一致性越好,多流中間包對于多流中間包,理想的情況是從中間包各流出口分配到各結(jié)晶器內(nèi)的鋼水應(yīng)該有相同的溫度和清潔度,這就要求多流中間包各流有完全一樣的流動特性.但上述情況在實際的中間包設(shè)計過程中是很難做到的,只能盡可能地使各流的流動特性接近,因此對多流中間包各流流動特性一致性的準(zhǔn)確的定量分析很重要.目前,主要有4種建立在示蹤響應(yīng)曲線基礎(chǔ)上的定量分析方法.方法1是Knoepke等提出的分析方法,利用兩流中間包的內(nèi)、外側(cè)流的示蹤響應(yīng)曲線峰值濃度值的比值來分析各流流動特性一致性,該比值越靠近1,兩流的流動特性的一致性越好.方法2是Godiwalla等提出的分析方法,采用多流中間包的最內(nèi)側(cè)流和最外側(cè)流的示蹤響應(yīng)曲線的面積比(A)來分析各流流動特性一致性,A越靠近1,多流中間包各流流動特性的一致性越好.方法3是樊俊飛等提出的分析方法,采用標(biāo)準(zhǔn)差來分析多流中間包各流(假設(shè)多流中間包有N流)的示蹤響應(yīng)曲線的最小響應(yīng)時間(ti,min,i=1～N)、濃度峰值時間(ti,peak,i=1～N)和平均停留時間(tic,i=1～N),這些參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差越小,多流中間包各流流動特性的一致性越好.標(biāo)準(zhǔn)差是常用的用來考察樣本分散程度的參數(shù):式中S為標(biāo)準(zhǔn)差,xk為第k個樣本值,x為樣本的算術(shù)平均值,P為樣本個數(shù).S值越大,說明所考察參數(shù)的離散程度也越大,越不一致.方法4是本研究提出的新的分析方法.首先,將各流的RTD曲線(將示蹤響應(yīng)曲線無因次化得到的曲線)在每1個采樣時間點下的無因次濃度值[Ci(θj),i=1～Nj=1～Z]求標(biāo)準(zhǔn)差,然后,將整個采樣時間范圍內(nèi)的所有標(biāo)準(zhǔn)差取平均值,即式中SN是多流中間包各流的無因次濃度的總體平均標(biāo)準(zhǔn)差,N是多流中間包的總流數(shù),Ci(θj)是在采樣時間點為θj時各流的無因次濃度值(i=1～N,j=1～Z),θj是RTD曲線的第j個無因次采樣時間點,Z是采樣時間點的總數(shù),C(θj)是在采樣時間點為θj時各流無因次濃度的平均值.SN越小,多流中間包各流流動特性的一致性越好.3“刺激-響應(yīng)”實驗為了比較分析各多流中間包流動特性一致性分析方法的合理性,建立1個六流中間包1:3的物理模型,中間包模型用10mm厚的透明有機玻璃制成,用水作為模擬鋼液的介質(zhì).水模實驗要保證模型和原型的幾何相似和動力相似.對于動力相似,要求模型與原型中的流體的雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)分別相等,而在中間包系統(tǒng)中,恒溫水模擬實驗水的流動主要是重力和慣性力起主導(dǎo)作用的湍流流動,故選用弗勞德數(shù)作為實驗的決定性準(zhǔn)數(shù).據(jù)此可計算出水力學(xué)模型實驗中對應(yīng)于原型鋼液流量的水流量,并通過流量計分別調(diào)節(jié)6個流的流量大小(6個流的流量相等).原型中間包尺寸及結(jié)構(gòu)形狀如圖1所示,圖中鋼包長水口注入?yún)^(qū)與中間包出水口區(qū)具有相同的深度.原型及模型的主要參數(shù)見表1.采用“刺激-響應(yīng)”實驗技術(shù),即將100mL的20%NaCl溶液快速注入鋼包長水口中,由電導(dǎo)探頭測量中間包的流1,2,3三個出口(因?qū)ΨQ,故檢測一側(cè)的水口)處的電導(dǎo)變化情況,并將輸出的電信號通過A/D板轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后由微機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,通過數(shù)據(jù)處理獲得RTD曲線.本實驗主要研究了多孔擋墻在中間包內(nèi)的位置及多孔擋墻的兩交叉部分的角度對流動特性的影響,代表性的方案如圖2所示.4各流流動特性的一致性方法1在定量分析各流流動特性一致性時,存在一定的誤差.一方面,如Godiwalla等認(rèn)為,由于峰值濃度值是單個的點,故它易受實驗條件的影響,有時會產(chǎn)生較大的誤差,會對各流流動特性一致性做出錯誤的判斷,從而影響最終的優(yōu)化結(jié)果;另一方面,作為單個點的峰值濃度值不能代表整個示蹤響應(yīng)曲線的特性,峰值濃度值有較好的一致性不能保證示蹤響應(yīng)曲線所有的點有較好的一致性,而只有示蹤響應(yīng)曲線上所有的點有較好的一致性才能保證多流中間包各流有較好的流動特性的一致性.此外,該方法只能用來分析兩流中間包,而無法用于分析多于兩流的多流中間包.方法2,3和4都可以用于分析兩流或多于兩流的多流中間包,下面結(jié)合前述物理模擬的實驗結(jié)果對這3種分析方法進(jìn)行比較分析,方法2,3和4對各方案的各流流動特性一致性的分析結(jié)果如表2所示.由表2可知,從方法2的分析結(jié)果來看,方案III和V的各流流動特性一致性的效果分別優(yōu)于方案VI和II;而方法4則得到相反的結(jié)果.方法2在分析各流流動特性一致性上存在一定的誤差.由于示蹤響應(yīng)曲線的面積是一個總體的參數(shù),它不能反映示蹤響應(yīng)曲線的各具體點的特性,一個較好的A值不能保證較佳的各流流動特性一致性.一個理論上最佳的A值(A=1)不能保證很好的各流流動特性一致性,圖3就是一個典型的示意圖.此外,方法2只對最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)流的示蹤響應(yīng)曲線的面積作比較,因此對于多于兩流的中間包,其他流的流動特性不能在此方法中得到體現(xiàn).方法4能準(zhǔn)確地定量分析各流流動特性的一致性.由于該方法把多流中間包各流RTD曲線上的每個點都考慮在內(nèi)了,因此一個較小的SN值意味著各流RTD曲線之間有較好的一致性,這也就意味著各流有較好的流動特性一致性.就本實驗而言,單從各流流動特性一致性方面考慮,方案III和VI優(yōu)于其他方案,且這2個方案相差不大,相對而言方案VI略優(yōu),其RTD曲線見圖4.需要說明的是,方案III和V的冶金效果比較還要考慮RTD曲線的其他流動特性,諸如死區(qū)、活塞區(qū)的大小等,這里不詳細(xì)討論.對于方法3的分析結(jié)果,從Stmin的角度考慮,方案II的各流流動特性一致性的效果優(yōu)于方案III;從Stpeak的角度考慮,方案IV和的各流流動特性一致性的效果分別優(yōu)于方案I和III.方法4分析得到的結(jié)果相反.這主要是由于最小響應(yīng)時間(ti,min)、濃度峰值時間(ti,peak)均是單個的點,與方法1中使用的最大濃度值有相同的局限性.從Stc的角度考慮,就本研究的典型方案而言,它與方法4對各方案各流流動特性一致性的分析結(jié)果趨勢相同.但這只是一個巧合,因為tic是一個總體的參數(shù),與方法2中使用的A存在相同的缺點,它的標(biāo)準(zhǔn)差(Stc)也會存在同樣的缺點.此外,還有兩種方法被用來分析多流中間包各流流動特性一致性.一種方法是對各流示蹤響應(yīng)曲線的最小響應(yīng)時間(ti,min)或平均停留時間取極差(極大值與極小值之差)來分析多流中間包各流流動特性一致性;另一種方法[1,13,14,15,16,17]是在對一個或多個示蹤響應(yīng)曲線或RTD曲線的特征參數(shù)作比較的基礎(chǔ)上來分析多流中間包各流流動特性一致性,這些特征參數(shù)包括最小響應(yīng)時間(ti,min)、濃度峰值時間(ti,peak)、平均停留時間和無因次峰值濃度值(Ci,max).這兩種方法都是不合適的.因為Ci,max是示蹤響應(yīng)曲線峰值濃度值的無因次形式,因此它的使用與方法1中峰值濃度值的使用有相同的缺點;ti,min,ti,peak,使用的缺點已在上述方法3中進(jìn)行了明確闡述.最終的結(jié)論尚待生產(chǎn)使用結(jié)果對比的支持.5流動特性一致性比對結(jié)合1個六流圓坯連鑄中間包的物理模擬,對目前存在的幾種不同的分析各流流動特性一致性的方法和本研究提出的新方法進(jìn)