多流中間包水模型系統(tǒng)的水模型研究

多流中間包水模型系統(tǒng)的水模型研究

受流動(dòng)的影響，每個(gè)流動(dòng)之間存在一定的差異。水?dāng)?shù)越多，越流之間的差異越大。減少不同流量之間的流量差異，減少由于流量不對(duì)稱造成的鑄造工藝質(zhì)量差的錯(cuò)誤，是一個(gè)應(yīng)優(yōu)先考慮的重要問題?？茖W(xué)家們對(duì)多流介質(zhì)包的流動(dòng)特征進(jìn)行了大量研究。為了改善多流中間包的均勻性，科學(xué)家從不同角度解釋了這一點(diǎn)。某廠采用七機(jī)七流中間包澆注大斷面方圓坯,由于產(chǎn)品對(duì)質(zhì)量要求非常嚴(yán)格,因此對(duì)于各流之間的均勻性問題特別關(guān)注.原型中間包在實(shí)際澆注過程存在各流流動(dòng)不對(duì)稱、穩(wěn)定性差、非穩(wěn)態(tài)澆注(開澆、換包前后和澆鑄結(jié)束時(shí))鋼水液面波動(dòng)大等問題.針對(duì)以上問題,本文在調(diào)研和實(shí)驗(yàn)室水模型研究基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有中間包內(nèi)型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.1實(shí)驗(yàn)裝置和程序(1)幾何相似.本實(shí)驗(yàn)以某廠七機(jī)七流中間包為原型,按相似比(模型/原型)λ=1∶2.5制作水模型反應(yīng)器.中間包模型及原件設(shè)計(jì)如圖1.(2)動(dòng)力學(xué)相似.鋼液流入中間包過程中,流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力主要是重力,選取弗勞德準(zhǔn)數(shù)Fr作為定性準(zhǔn)數(shù).保證模型和原型弗勞德準(zhǔn)數(shù)Fr相等(式(1))即可以保證鋼液的流動(dòng)相似.模型參數(shù)(帶下標(biāo)m)和原型參數(shù)(帶下標(biāo)s)滿足式(1)和式(2).本實(shí)驗(yàn)中雷諾數(shù)均處于第二自?；瘏^(qū),符合模化條件,故可以不考慮.速度比和流量比可以通過式(3)和式(4)得到.式中,lm和ls分別為模型、原型的特征尺寸,g是重力加速度,vm和vs分別為模型和原型的速度,λ是相似比,Qm和Qs分別為模型和原型的流量,cl、cv和cQ分別為模型與原型的特征尺寸比、流速比和流量比.實(shí)驗(yàn)裝置由上水系統(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,整體實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2.考慮到中間包的對(duì)稱性,本文主要研究不同控流裝置下1~4流各指標(biāo)(滯止時(shí)間、峰值時(shí)間、平均停留時(shí)間、死區(qū)比例等)的差異性,最終明確各控流裝置對(duì)改善各流均勻性的作用及原型控流裝置組合存在的缺陷.2分析與討論的結(jié)果2.1各流強(qiáng)度的不均勻性圖3中滯止時(shí)間對(duì)比表明,1~4流的滯止時(shí)間分別為93.5、18、8.5和6s.從滯止時(shí)間可以看出,流股最先到達(dá)4流,之后是3流和2流,最晚到達(dá)1流.在無控流裝置下流股沿底部的流動(dòng)軌跡為4流→3流→2流→1流.滯止時(shí)間最長的1流和最短的4流之間相差87s,不均勻性極大.圖3中峰值時(shí)間對(duì)比表明,1~4流峰值時(shí)間最高的1流為120s,最低4流為9.5s.各流峰值時(shí)間差異性大,流動(dòng)指標(biāo)不穩(wěn)定,因此在不設(shè)任何控流裝置下多流中間包內(nèi)各流的均勻性是無法保證的.圖4為1~4流的平均停留時(shí)間對(duì)比.由于1流距離沖擊區(qū)最遠(yuǎn),平均停留時(shí)間最長,1~4流的平均停留時(shí)間逐漸降低.對(duì)比滯止時(shí)間、峰值時(shí)間和平均停留時(shí)間可以看出在無控流裝置下各流的均勻性極差,主要體現(xiàn)在以下三方面:(1)各流的滯止時(shí)間很短,鋼液存在明顯的短路流,4流最為明顯,流股幾乎直接通過澆注區(qū)進(jìn)入4流水口形成短路流;(2)主要流股沿著底部流動(dòng),中間包上層鋼液不活躍,死區(qū)明顯;(3)各流數(shù)據(jù)差異較大,均勻性不好.因此,在多流中間包情況下必須加載控流裝置才能調(diào)節(jié)各流的均勻性.2.2中間包均流場(chǎng)特征原型中間包的控流裝置布置圖見圖5.沖擊區(qū)圓型穩(wěn)流器+U型擋墻(見圖1(b)),1、2流之間,2、3流之間,3、4流之間分別添加高200mm(模型80mm)的梯形擋墻(見圖1(d)).圖6表明,原型中間包的控流裝置各指標(biāo)較無控流裝置有很大改善,但是依然存在各流不均勻的問題,2、3流與1、4流差異性仍然明顯.滯止時(shí)間最長的4流和最短的3流相差幾乎1倍.對(duì)比各流平均停留時(shí)間(圖7)和流場(chǎng)特征(圖8)可知:由于U型擋墻的導(dǎo)流作用將主要流股從導(dǎo)流孔導(dǎo)入到2、3流之間,流股從2、3流之間下降繼續(xù)向1流和4流流動(dòng)過程中分別受到了1、2流之間梯形擋墻和3、4流之間梯形擋墻的阻礙,延長了1流和4流的滯止時(shí)間和峰值時(shí)間;但主要流股在導(dǎo)電2、3流之后動(dòng)能已經(jīng)不足,在下降過程中受到1、2流之間擋墻阻礙更增加了1、2流上部的死區(qū)面積,且1流附近鋼液極不活躍,容易造成1流與其他流溫度差異大的問題,這一點(diǎn)從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研也發(fā)現(xiàn),1流經(jīng)常容易溫度低而導(dǎo)致斷澆.對(duì)比圖7中各流平均停留時(shí)間可以看出,1~4流緩慢增加.綜合各評(píng)價(jià)指標(biāo)可以看出原型中間包流動(dòng)存在如下問題:(1)原型中間包各流均勻性仍較差;(2)死區(qū)比例高,平均45.5%;(3)中間包內(nèi)擋墻多容易造成耐材侵蝕和潔凈度下降;(4)1、2流之間的擋墻對(duì)流動(dòng)起一定的負(fù)面作用.2.3流場(chǎng)的優(yōu)化方案,解決了耐材因數(shù)和流流中小企業(yè)的積極響應(yīng),降低了流直透墻的平均死區(qū)比例,從而保證流質(zhì)流的均勻性,從而保證流質(zhì)根據(jù)原型中間包流場(chǎng)流動(dòng)存在的缺陷,將原型1、2流之間起阻礙作用的擋墻去掉,既改善了各流均勻性指標(biāo),又減少了耐材的消耗量.同時(shí),為了能盡可能保證流體流向各流的距離和動(dòng)能一致,將直的梯形擋墻改為有梯度的斜擋墻.優(yōu)化方案見圖9.優(yōu)化后各流指標(biāo)均勻性有了極大改善(圖10),各流平均死區(qū)比例由原型的45.5%降低到平均23.1%(圖11),在現(xiàn)場(chǎng)得到很好的應(yīng)用效果.3中間包的控流裝置以現(xiàn)場(chǎng)七機(jī)七流中間包為原型,建立1∶2.5的水模型系統(tǒng),對(duì)多流中間包各流的均勻性進(jìn)行了分析,獲得以下結(jié)論:(1)多流中間包在無控流裝置下,不能保證各流的均勻性,各流差異性極大;(2)