連鑄中間包控流方案優(yōu)化研究

連鑄中間包控流方案優(yōu)化研究

0控流元件設(shè)置參數(shù)的設(shè)置隨著鋼材質(zhì)量要求的提高，連珠中間包的冶金作用變得越來越明顯。同時(shí),作為一個(gè)典型的非等溫反應(yīng)器,中間包的非等溫過程也受到高度重視。對(duì)于多流中間包,合理的控流裝置能有效延長(zhǎng)鋼水的平均停留時(shí)間,減小各流出口鋼水的溫度和停留時(shí)間差異,對(duì)改善中間包內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)起著至關(guān)重要的作用。因此,尋找合理的中間包控流元件的設(shè)置參數(shù),對(duì)多流連鑄中間包來說具有特別重要的意義。本項(xiàng)目針對(duì)攀鋼新建的四機(jī)四流大方坯連鑄中間包,通過水力學(xué)物理模擬,優(yōu)化出合理的中間包內(nèi)控流裝置,以達(dá)到連鑄工藝順利進(jìn)行和提高鑄坯潔凈度的目的。1實(shí)驗(yàn)計(jì)劃1.1中間包溫度對(duì)溫度的影響根據(jù)相似原理,在(Fr)p=(Fr)m(其中下標(biāo)“p”表示原型,“m”表示模型)和幾何相似的情況下建立1∶4縮小中間包物理模型,模型用有機(jī)玻璃制成,側(cè)壁向外傾斜10°,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。非等溫過程中,浮力作用不可忽略,還須考慮中間包準(zhǔn)數(shù)(Zb)p=(Zb)m。通常情況下,大包注流溫度與中間包內(nèi)鋼液最低溫度之差的范圍是15～25K,取膨脹系數(shù)βp=1.16×10-4K-1,βm=2.179×10-4K-1。實(shí)驗(yàn)中取溫差上限25K。設(shè)長(zhǎng)度相似比λ=lm/lp=0.25,則可以得到以下關(guān)系:速度:um=λ0.5up=0.5up(1)體積流量:Qm=λ1.5Qp=0.03125Qp(2)流體溫度差∶ΔΤm=βpβmΔΤp=0.42ΔΤp(3)由此計(jì)算得到模型與原型的對(duì)應(yīng)參數(shù)如表1所示。流體溫度差∶ΔTm=βpβmΔTp=0.42ΔTp(3)由此計(jì)算得到模型與原型的對(duì)應(yīng)參數(shù)如表1所示。1.2平均停留時(shí)間的確定停留時(shí)間的測(cè)定采用“刺激—響應(yīng)”方法,用飽和食鹽水作示蹤劑,在中間包入口處脈沖加入,在出口處采集水的電導(dǎo)率,計(jì)算得到食鹽濃度—時(shí)間曲線(C曲線),根據(jù)冶金反應(yīng)工程學(xué)理論,轉(zhuǎn)化得到停留時(shí)間分布曲線(即RTD曲線),進(jìn)而分析流體流動(dòng)模式,分析方法采用文獻(xiàn)所闡述的全流量模型?？紤]到四流中間包的對(duì)稱性,只采集了1、2流的食鹽濃度響應(yīng)信號(hào)。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為中間包內(nèi)流體理論平均停留時(shí)間的2倍。為考察流場(chǎng)分布的均勻性,還須計(jì)算各流平均停留時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差。換包后的澆注過程中,各爐鋼水有一定的溫度差,中間包內(nèi)鋼水存在自然對(duì)流現(xiàn)象。為了考察此過程中各流出口的溫度特征,實(shí)驗(yàn)中采用正溫差的方式,將入口水溫提高,在出口用熱電偶-巡檢儀系統(tǒng)采集溫度信號(hào),得到溫度響應(yīng)曲線。同樣考慮到對(duì)稱性,只采集了3、4流。通過計(jì)算各流溫度的平均值、相鄰兩流間溫差最大值及溫差平均值來優(yōu)化處理,計(jì)算公式如下:i流溫度變化量的平均值:ΔTi=Ti-T0=nΣj=1(Τi?j-Τ0)n(4)=Σj=1n(Ti?j?T0)n(4)i流與i+1流的最大溫差:(ΔTi,i+1)max=|Ti+1,j-Ti,j|max(5)i流與i+1流的平均溫差:|ΔTi,i+1|=nΣj=1|Τi+1,j-Τi?j|n(6)=Σj=1n|Ti+1,j?Ti?j|n(6)其中i為中間包出口流數(shù)編號(hào),T0為初始水溫,j為采集次數(shù),n為總采集次數(shù),j=1,2,…,n。設(shè)置和優(yōu)化控流裝置須遵循以下原則:(1)延長(zhǎng)各流平均停留時(shí)間和整體平均停留時(shí)間,減小死區(qū)體積分?jǐn)?shù),增加活塞流體積分?jǐn)?shù),增加活塞流與死區(qū)體積比,減小各流平均停留時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差。(2)增加各流溫度變化量的平均值,減小相鄰兩流的最大溫差和平均溫差。1.3“v墻+壩”的正交設(shè)計(jì)本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了兩種控流裝置方案:“V墻+壩”(圖2)和“湍流器+壩”(圖3)。對(duì)于“V墻+壩”,在兩塊V墻上均開3個(gè)孔來控制流股,根據(jù)孔的位置、直徑、偏角以及壩高的不同進(jìn)行四因素三水平的正交設(shè)計(jì)。對(duì)于“湍流器+壩”,根據(jù)湍流器的半徑、高度、頂緣長(zhǎng)度以及壩高的不同也進(jìn)行了四因素三水平的正交設(shè)計(jì)。2方案對(duì)比結(jié)果對(duì)“V墻+壩”的1#～9#方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果表明1#方案的效果最好;同樣對(duì)“湍流器+壩”的1#～9#方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果也是1#方案的效果最好?，F(xiàn)對(duì)空況、“V墻+壩”1#方案和“湍流器+壩”1#方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較。2.1多流場(chǎng)分布均勻,流場(chǎng)分布不均勻,流場(chǎng)分布不均勻,流場(chǎng)分布不均勻,流場(chǎng)分布不均勻,流場(chǎng)分布均勻,比連鑄法工藝優(yōu)勢(shì)圖4～6是不同控流裝置的濃度響應(yīng)曲線,表4給出了不同控流裝置的停留時(shí)間和流動(dòng)模式分析結(jié)果?？梢钥闯?在無控流裝置時(shí),濃度響應(yīng)曲線出現(xiàn)明顯的尖峰,在中間包內(nèi)存在嚴(yán)重的底部擊穿流,死區(qū)較大,夾雜物來不及上浮,各流平均時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差較大,流場(chǎng)分布不均勻,不利于穩(wěn)定連鑄工藝和提高鑄坯質(zhì)量。使用“V墻+壩”1#方案時(shí),底部擊穿流消失,鋼液在中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間明顯延長(zhǎng),死區(qū)明顯減小,活塞流區(qū)域增大,使得夾雜物上浮幾率增加,中間包的有效容積得到充分利用,各流平均時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差較小,流場(chǎng)分布均勻。使用“湍流器+壩”1#方案時(shí),濃度峰值明顯減小,各流的響應(yīng)時(shí)間和平均停留時(shí)間都有所延長(zhǎng),但依然存在尖峰,有短路流現(xiàn)象,死區(qū)較大,而且曲線出現(xiàn)多峰,有較強(qiáng)烈的回流產(chǎn)生,各流平均時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差很大,流場(chǎng)分布不均勻。2.2有控流裝置的情況表2各流溫度波動(dòng)隨時(shí)間的變化特征為圖7～9是不同控流裝置的溫度響應(yīng)曲線。表5是不同控流裝置時(shí)的溫度處理結(jié)果(表中,(ΔT3,4)max表示3流和4流間的最大溫差,ΔT3,4表示3流和4流間的溫差平均值,T3-T0、T4-T0分別表示加入熱水后3流、4流溫度變化的平均值)?？梢钥闯?在無控流裝置的情況下,近流溫度波動(dòng)較大,相鄰兩流平均溫差較大,說明中間包內(nèi)流動(dòng)模式復(fù)雜,溫度分布不均勻。使用“V墻+壩”1#方案時(shí),各流溫度變化量平均值較大,表明溫度上升快,達(dá)到一致的時(shí)間短;近流的溫度波動(dòng)沒有空況下那么強(qiáng)烈,隨著時(shí)間的推移,各流溫度很快達(dá)到一致,溫度波動(dòng)逐漸消失,平均溫差較小,溫度分布較均衡。使用“湍流器+壩”1#方案時(shí),各流溫度達(dá)到一致的時(shí)間較短,平均溫差小,分布較均衡,但是近流溫度波動(dòng)很強(qiáng)烈,最大溫差大,而且波動(dòng)并沒有隨時(shí)間的推移而消失。從圖7～9還可以看出,在非等溫條件下,遠(yuǎn)流比近流先發(fā)生響應(yīng),說明高溫鋼水先到達(dá)遠(yuǎn)流,后到達(dá)近流,這與等溫下的情況相反。這主要是因?yàn)楦邷劁撍拿芏刃?在浮力的作用下沿著液面流動(dòng),很快就可到達(dá)遠(yuǎn)流。3控流裝置方案特點(diǎn)通過對(duì)攀鋼四流大方坯連鑄中間包的水力學(xué)物理模擬實(shí)驗(yàn),可以得出以下結(jié)論:(1)在不加任何控流裝置時(shí),攀鋼四流大方