炼钢中间包内钢液流动的水模拟试验.docx
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炼钢中间包内钢液流动的水模拟试验
中间包内钢液流动的水模拟试验
1水模型的建立
理论依据即相似原理。
中包水模一般只考虑Fr数相等，Re处于同一自模化区（即第二自模化区Re＞104-105）。
即：
（Fr）模型=（Fr）原型
Re模型＞104-105
Re原型＞104-105
（按板坯连铸机2000*250，拉速0.9m/min计算，Re原型和1/2尺寸的模型Re均在第二自模化区）
一般取模型与实物的几何比例因子λ为1/2，由公式u2m/gLm=u2r/gLr可推导出液体流量比：
Q液m/Q液r=umL2m/urL2r=λ5/2=0.177
液体速度比：
um/ur=λ1/2=0.707
模型与实际的吹气量比值可通过修正佛路德准数即Fr’来确定：
Fr’=
gug2/（
l－
g）/gL
气体流速比：
u气m/u气r={
gr×（
lm-
gm）×Lm/[
gm×（
lr-
gr）×Lr]}1/2=0.316
气体流量比：
Q气m/Q气r=（lm/Lr）2×（u气m/u气r）=0.079
λ：
水模型与实际钢包几何比例；
m：
模型；
r：
实际钢包；
u：
流体速度；
g：
重力加速度；
L：
特征长度；
Q：
液体流量；
：
密度；
模型与原型的各参数比见下表：
液体密度
（kg/m3）
气体密度
（kg/m3）
几何比
液体速度比
气体速度比
液体流量比
气体流量比
模型
1000（水）
1.273（氮）
0.5
0.707
0.316
0.177
0.079
实型
7000（钢）
1.783（氩）
模型与原型主要参数计算结果见下表：
项目
原型
模型
中包入水口流速/（m/s）
2.26
1.60
工作液面高/（mm）
1100
550
水口流量/（m3.h-1）
27
4.779
水口插入液面深/mm
200
100
2试验方法
本实验采用刺激—响应试验。
其方法是：
在中间包注入流处输入一个刺激信号（饱和KCL溶液），信号一般使用示踪剂来实现，然后在中包出口处测量该输入信号的输出，即所谓响应，从响应曲线得到流体在中包内的停留时间分布（即RTD曲线）。
主要测定仪器为：
电导仪；流量计，示踪剂采用饱和的KCl溶液，计算机数据采集处理系统（见图1）。
图1DJ800导电率采集系统
试验装置图如图2。
图2实验装置图
1—钢包；2—加示踪剂漏斗；3—阀门；4—中间包；5—塞棒；6—电导电极；
7—流量计；8—电导仪；9—数据采集板；10—计算机数据处理终端；11—透气砖
通过RTD曲线计算以下参数，反映中间包内流场流动情况
滞止时间tp：
中间包出口开始出现示踪剂时间。
平均停留时间ta：
平均停留时间：
或者
中间包的流体流动的3部分的比例，即活塞流、死区和全混流的比例：
活塞区：
其中tc为理论平均停留时间tc=VR/Q
死区：
全混流区：
评价方法：
和
是与活塞区和死区体积分数密切相关。
因此
和
是度量夹杂物上浮的重要指标，延长
和
有利于夹杂上浮。
死区的体积分数大，中间包的有效流动空间利用率就低，夹杂物不易上浮，因此死区的体积分数越小越好。
3流场显示试验
用高锰酸钾溶液做显示剂，用摄相机进行拍摄，从而拍摄出流场的流动图相，通过流场显示实验可以比较直观地观察到中间包内流场的流动情况，本实验对以下几种工况进行了拍摄：
没有吹气状况下，无湍流控制气状况下，正常工况下的流场流动状态。
从拍摄的结果看，中间包不吹气时，由于没有气幕挡墙向上的推动作用，导致流体在流过上挡墙下部经过气幕挡墙时，形成“短路流动”。
钢包内钢水的停留时间缩短，减少夹杂物上浮机会。
4油滴卷渣试验
实验中采用了豆油来模拟精炼渣，因为豆油的黏度是比较大的，豆油与水的黏度比与渣钢的黏度比比较接近。
通过观察吹气量对保护渣卷动情况，制定合适吹气量，有关油和水的物性参数见下表。
参数
钢液
渣
水
豆油
氩气
氮气
温度/℃
1600
1400～1500
20
20
20
20
表面张力/（
）
1530
～490
72.2
-
-
-
密度/（
）
7×103
3.5×103
1×103
0.8×103
1.784
1.25
粘度（
）
5
300～500
1.01
325
-
-
本次实验采用的是工厂实际使用的透气砖进行实验，针对5种不同吹气量进行了对比分析（见组图3），
吹气量：
0.08m3/h吹气量：
0.16m3/h
吹气量：
0.24m3/h吹气量：
0.32m3/h
吹气量：
0.42m3/h
图3不同吹气量下的油层卷动情况
试验液面的高度为550mm，油层的厚度为30mm左右。
通过试验确定一个临界的吹气量，试验相关现象见下表:
吹气量m3/h
现象
结论
0.06
出现“渣孔”，渣孔面积较小，吹气量不足以引起卷渣。
未达到临界吹气量
0.16
“渣孔”面积扩大，但是由于豆油具有的粘性，没有出现油滴破裂。
未达到临界吹气量
0.24
渣孔面积进一步扩大，在靠近上挡墙一面油层破裂，但脱离油层的小油滴不多。
达到临界吹气量
0.32
渣孔面积进一步扩大，透气砖两侧油层破裂严重，大量油滴离开油层。
超过临界吹气量
0.42
靠近上档墙部位油层不能稳定存在，大量破碎油滴出现。
超过临界吹气量
在试验中我们观察到，随着吹气量的增加，气泡尺寸在缩少。
这是由于吹气量加大之后，气体的湍流动能增加，在透气转上形成气泡上浮的过程中，对周围的气泡进行破碎，因此通过气泡上浮过程，小气泡尺寸缩小。
通过卷渣模拟试验得到临界吹气量应该在0.24m3/h以下，因此在水模实验时选择的吹气量都小于此值。
5试验结果及分析
5.1确定合适的吹气量
在确定临界吹气量之后，开始进行水模拟实验，首先在原工况下（上挡墙距水口717mm，两档墙间距150mm，上档墙距包底距离125mm）不同吹气量情况进行试验。
实验安排见下表：
实验号
吹气量（m3/h）
滞止时间
平均停留时间
1
0.15
52
326
2
0.175
51
336
3
0.2
51
328
4
0.225
44
331
通过上表的计算结果可以看出：
随着吹气量的增加，滞止时间减小，平均停留时间在0.175时最大，增大吹气量，反而导致停留时间减小，这是由于增大吹气量，气泡的湍流动能增大，对水的搅动增大，从而使得停留时间减少。
5.2优化挡墙位置
通过5.1内容，我们确定合适的吹气量在0.175~0.2m3/h之间，下面进行挡墙位置优化试验。
试验方案下表：
实验号
上挡墙距水口距离
两档墙之间距离
吹气量
滞止时间
平均停留时间
5
717
300
0.175
49
341
6
667
300
0.175
45
348
7
667
350
0.175
44
330
8
767
200
0.175
47
339
9
767
300
0.175
45
316
10
717
350
0.175
38
346
通过以上试验数据可以看出，当气幕挡墙距离中包水口越远，滞止时间越短，平均停留时间受到上挡墙距水口距离、两档墙之间距离两个方面的影响比较大，对数据进行分析可得，方案6为最佳方案，即上挡墙距水口距离为667mm，两档墙之间距离300mm时平均停留时间最长。
5.3上挡墙高度对中间包流场的影响
由于挡墙高度微变化对中包的影响效果小于其位置对其影响，在找到合适位置之后，改变上挡墙高度进行模拟实验，找到其对中包流场的影响。
实验号
上挡墙距包底距离
上挡墙距水口距离
两档墙之间距离
吹气量
滞止时间
平均停留时间
11
170
667
300
0.2
50
335.9770453
12
140
667
300
0.2
49
347.522505
13
110
667
300
0.2
45
343.1828118
通过以上几组试验可以看出，上挡墙的高度微变化对于中包流场的影响要小于其位置的影响，挡墙距离包底越近，滞止时间随之减少，这主要是流体经过下挡墙时由于流速增大的原因，另外挡墙距离包底在110~140mm时平均停留时间最长。
6中间包流场数值模拟
运用ANSYS软件，对中间包进行流场数值模拟分析，通过对速度场的分析，找到改进的工艺参数趋势，优化流场分布，努力使整个流场避免“短路流动”，增加中间包内钢水的停留时间，提高夹杂物上浮率，提高钢水质量。
下图4是原工况下气幕挡墙没有吹气情况下的流场图。
图4原工况下未吹气情况下流场
7结论
通过中间包水模试验结论，可以看出：
在上挡墙距离长水口667mm，上下挡墙间距300mm时，上挡墙距离包底在110~140mm,位置最佳。
合适的吹气量应该控制在1.5~2.4m3/h之内。
通过前面介绍的相关转换公式，对模型与实际生产下工艺参数进行换算，在上挡墙距离长水口1334mm，上下挡墙间距600mm时，上挡墙距离包底在220~280mm之内,位置最佳。
合适的吹气量应该控制在1.9~3.04m3/h之内。
附录：
部分试验不同工况下RTD曲线
工况：
距水口717mm，两档墙间距200mm，上档墙距包底距离110mm
工况：
距水口617mm，两档墙间距200mm，上档墙距包底距离110mm
工况：
距水口717mm，两档墙间距150mm，上档墙距包底距离110mm
工况：
距水口717mm，两档墙间距200mm，上档墙距包底距离110mm
工况：
距水口717mm，两档墙间距200mm，上档墙距包底距离125mm，吹气量0.175m3/h
工况：
距水口717mm，两档墙间距200mm，上档墙距包底距离125mm，吹气量0.225m3/h
工况：
距水口717mm，两档墙间距200mm，上档墙距包底距离125mm，吹气量0.15m3/h
工况：
距水口717mm，两档墙间距200mm，上档墙距包底距离125mm，吹气量0.2m3/h
工况：
距水口717mm，两档墙间距300mm，上档墙距包底距离125mm，吹气量0.175m3/h
距水口667mm，两档墙间距300mm，上档墙距包底距离125mm，吹气量0.175m3/h
距水口667mm，两档墙间距350mm，上档墙距包底距离125mm，吹气量0.175m3/h
工况：
距水口767mm，两档墙间距200mm，上档墙距包底距离125mm，吹气量0.175m3/h
工况：
距水口767mm，两档墙间距300mm，上档墙距包底距离125mm，吹气量0.175m3/h
工况：
距水口717mm，两档墙间距350mm，上档墙距包底距离125mm，吹气量0.175m3/h
工况：
距水口667mm，两档墙间距300mm，上档墙距包底距离125mm，吹气量0.2m3/h
工况：
距水口667mm，两档墙间距300mm，上档墙距包底距离170mm，吹气量0.2m3/h无湍流控制器
工况：
距水口667mm，两档墙间距300mm，上档墙距包底距离140mm，吹气量0.2m3/h
工况：
距水口667mm，两档墙间距300mm，上档墙距包底距离110mm，吹气量0.2m3/h
工况：
距水口667mm，两档墙间距300mm，上档墙距包底距离125mm，吹气量0.125m3/h
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