電磁凈化中間包水模擬試驗研究

1、電磁凈化中間包水模擬試驗研究王保軍 鐘云波 王 赟 任忠鳴 雷作勝 任維麗上海大學材料學院 上海市現(xiàn)代冶金與材料制備重點實驗室, 上海 200072摘 要 本文采用水模試驗，對電磁凈化中間包中不同控流裝置配置和旋轉速度下的停留時間分布曲線進行了測試，對電磁凈化中間包中流體的流動特性，以及旋轉運動在中間包凈化鋼液中所起的作用進行了分析和探討。結果表明，電磁凈化中間包圓形腔中的旋轉運動能夠減小中間包中死區(qū)分數(shù)，增加活塞區(qū)比例，同時增長平均停留時間，但旋轉速度不是越高越好，存在一個最佳值。關鍵詞 電磁凈化中間包；RTD曲線；水模擬1 概述鋼鐵材料是金屬家族中應用最廣泛的一種結構材料，在國民經濟建設中

2、起著舉足輕重的作用。近年來，隨著能源問題的日益突出以及循環(huán)經濟理念的深入，生產高強度、高品質的鋼鐵材料成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。在各種提高鋼鐵材料性能的工藝中，提高材料的純凈度是最重要的環(huán)節(jié)之一1。因此，在鋼鐵生產過程中，最大限度提高鋼液的純凈度，獲得潔凈的鋼鐵材料，一直是冶金科研工作者追求的目標。中間包作為連接鋼包和結晶器的中間容器，它起著均勻溫度、穩(wěn)定流動、促進夾雜上浮等功能，對鋼液的潔凈度提高起著至關重要的作用2，因此，如何優(yōu)化中間包結構，獲得最佳的流場和更長的平均停留時間，提高夾雜物的去除效率，成為中間包冶金的主要內容之一。目前中間包中提高夾雜物去除效率的主要方法有擴容、結構優(yōu)化設計

3、、底部吹氬、氬氣保護、等離子體加熱等3-5，這些方法對鋼中夾雜物去除具有一定的積極意義，然而，在連鑄生產效率日益提高的今天，上述方法的除雜效率仍有待提高，特別是隨著高效連鑄概念的提出，迫切需要更加高效的凈化技術，以保證在高的鋼液流量的情況下，仍然能夠得到純凈的鋼液。 近年來，由日本川崎公司開發(fā)的中間包電磁凈化鋼液技術取得了很好的效果，并已在該公司的生產中得到實際應用6-9。該技術的基本原理是將中間包分成圓形腔和矩形腔，在圓形腔（大包水口注入?yún)^(qū)）的外圍裝置有一個半圓形的旋轉磁場發(fā)生器，利用旋轉磁場在鋼液中感生洛侖茲力，驅動鋼液旋轉，鋼液中的夾雜物由于密度比鋼液小，在離心力作用下向鋼液中心遷移，則

4、鋼液旋轉中心區(qū)域夾雜物濃度不斷增加，進而碰撞長大，上浮而進入渣層，從而使鋼液得到凈化。根據(jù)Stokes定律可知，鋼液中夾雜物上浮速度與夾雜物粒徑平方成正比，因此這種促進夾雜物碰撞長大的方法對提高夾雜物的去除效率非常有效10。此外，這種方法還具有無需與鋼液接觸、細微夾雜物去除效果明顯、夾雜物可開路排放等特點而成為鋼液凈化去除夾雜的一種頗具潛力的方法。由于日本方技術保密以及其他原因，這一技術在國內并沒有得到掌握和應用。本文在前期研究基礎上，針對中間包電磁凈化技術中，對不同旋轉速度和不同中間包控流裝置參數(shù)下的流場特性進行了水模擬研究，以期掌握電磁凈化中間包的一些流動特性，為以后的實際應用提供參考。2

5、 實驗原理和方案2.1 實驗原理水模擬研究的依據(jù)是相似原理11，即模型與實型中液體流動幾何相似和動力相似。對于動力相似要求模型與實型中的流體的雷諾準數(shù)Re和弗魯?shù)聹蕯?shù)Fr分別相等， 但相似原理認為，當模擬系統(tǒng)進入第二自?；瘏^(qū)域，處于自?；癄顟B(tài)，即該系統(tǒng)的流動狀態(tài)與流速與雷諾數(shù)無關。經計算，本試驗的實物與模型流體的雷諾數(shù)均已進入第二自?；瘏^(qū)域，因此只考慮保證模型與原型的弗勞德數(shù)相等，即可達到動力相似。為了模擬的更為真實和準確，線性比盡可能的大，根據(jù)實驗條件，模型與原型的尺寸比：速度比：流量比：根據(jù)這些比例關系，就可以由實驗值推出實際所需的生產條件。2.2 實驗裝置針對國內某廠18噸中間包，用有機

6、玻璃按照1:2比例制作中間包模型，旋轉室的漩流由插入圓形腔中成對稱分布的三根圓棒旋轉產生，用來模擬旋轉磁場驅動鋼液旋轉，旋轉電機采用變頻裝置無極調速，轉速可在060轉/分鐘之間任意設定。在大包長水口靠近大包底部處設置示蹤劑加入口，在中間包出水口處設置電導電極， 通過信號轉換，將信號輸入計算機可以實時記錄水中鹽水濃度變化情況，最小的采樣時間間隔為100ms。試驗裝置如圖1所示。1-鋼包; 2-加示蹤劑漏斗;3-電動機;4-旋轉室; 5-攪拌槳; 6-擋墻；7-分配室 8-出口; 9-壩;10-電導儀;11-數(shù)據(jù)采集板; 12-塞棒；13-計算機處理終端圖1 水模擬試驗裝置示意圖2.3 試驗方法采

7、用“刺激- 響應”技術，使用飽和KCl溶液為示蹤劑。在中間包液面達到規(guī)定值，且流動穩(wěn)定后，在鋼包長水口處迅速加入示蹤劑， 通過測定中間包水口處流體的電導率變化，可得出流體隨時間變化的分布曲線(RTD曲線) ，從而可得出從長水口注流加入示蹤劑開始到流出中間包水口時的最小停留時間(響應時間) tmin和示蹤劑濃度達到最大時的峰值間tpeak，并以此計算出各微團在中間包內的實際平均停留時間12，計算式如下： （1）中間包內流體體積可分為分散活塞區(qū)體積、滯流區(qū)體積和完全混合流體積。其中， 滯流區(qū)體積分率由下式計算: （2）活塞區(qū)體積分率由下式計算: （3） 混合流體積分率由下式計算: （4） 式中Vd

8、-死區(qū)體積分率/%Vp-活塞流體積分率/%Vm-混合流體積分率/%min-無因次最小停留時間peak-峰值濃度無因次時間無因次最小停留時間、峰值濃度無因次時間和從活塞流區(qū)和完全混合流區(qū)流出的流體的平均無因次停留時間用下面公式計算: (5) (6) (7) 式中 ts-理論平均停留時間，ts=V/QmAhula和Sahai13在長期的水模擬試驗中認為：為了保證在中間包中鋼液與雜質最好的分離效果，應盡量使流體的平均停留時間較長，死區(qū)盡可能的小，活塞流與死區(qū)比例比值盡可能的大，混流區(qū)較大，還要具有一定指向液面的流動，同時要保證平靜的鋼液液面。本文即采用上述標準對電磁凈化中間包的流動特性的優(yōu)劣進行判斷

9、。試驗過程中，通過改變中間包內擋壩位置、液面深度、大包流速以及出口的位置、大小等措施，測定中間包水口的RTD曲線，然后通過上述公式計算，得出活塞區(qū)、滯留區(qū)、混合區(qū)體積分數(shù)以及實際平均停留時間、最小停留時間、峰值時間等流體流動特性參數(shù)，同時通過加入甲基蘭示蹤劑，直觀觀察流動情況，最終確定離心中間包的內腔結構以及操作參數(shù)的最佳值。2.4 實驗方案由于該實驗模擬的是電磁凈化中間包的流場運動情況，其湍動程度要比傳統(tǒng)中間包更為劇烈，流動形式更為復雜，這也決定了與傳統(tǒng)的中間包有很大的不同，同時也沒有相應的原方案供參考，因此中間包的結構和操作參數(shù)都需要重新確定。由于鋼液的旋轉，它從旋轉室到分配室的初速度會比

10、較大，如果沒有壩的阻擋，極易形成短路流，同時停留時間也會大大縮短，因此本試驗直接從有壩中間包入手，設計了擋墻位置、液位變化、流速變化以及出口寬度、位置等10種方案，測定了60組數(shù)據(jù)。試驗方案如下表：表1 試驗方案編號壩距水口側包壁距離/mm開口寬度mm開口位置流量1700L/h液位mm1490128*128正中17003802590128*128正中17003803690128*128正中17003804590128*208正中17003805590128*128偏一側17003806590128*208偏一側17003807590128*128正中15003808590128*128正中19

11、003809590128*128正中170030010590128*128正中17004303 實驗結果與分析3.1 不同壩距的流動特性分析由圖2我們可以看到，壩在不同位置所得到的流動特性也不同。通過比較可以得知，壩的3個位置中距中距水口側包壁距離為590mm的位置在整體上活塞區(qū)體積分數(shù)最高，而死區(qū)體積分數(shù)最低，同時混流區(qū)體積分數(shù)也很高，而且在10-30rad/min的較低轉速下死區(qū)幾乎為零。雖然690mm的位置在較高轉速下混流區(qū)比較大，但它的活塞流區(qū)最小，同時死區(qū)也是三方案中最大的。從圖中可以看出三種方案的平均停留時間相差不大，在低轉速下590mm的壩距的平均停留時間最大。因此距水口側包壁距

12、離為590mm的壩距比較合適。圖2 不同壩距對中間包流動特性的影響3.2 不同出口位置以及出口大小的流動特性分析由于出口連接著旋轉室和分配室，出口的大小和位置直接關系到進入分配室的注流的初始特性，因此要特別考慮。由于在有轉速情況下注流在出口位置是流動方向偏向一側，因此出口位置液設計了兩種情況，一種是位于正中，一種是處于旋流的上游，即圖1右圖標注位置偏上64cm，屬于偏心出流。對于偏心出流，根據(jù)流態(tài)觀察的結果可知，不管出口大小，在有轉速的情況下都極易引起中間包液面的整體波動，導致液面很不平穩(wěn)，沒有實際意義，因此出口位置偏向一側的方案不予考慮。由圖3可知，出口寬度較小時，可以獲得更高的活塞流區(qū)體積

13、，同時可以獲得更小的滯留區(qū)，而且這兩種方案的混流區(qū)體積分數(shù)相差不大，出口較小時的混流區(qū)體積分數(shù)在整體上還大于較大的出口。從圖中還可以看出，較低轉速下，出口較小時的平均停留時間也較長，高轉速下兩種情況基本相同。因此相對而言，較小的出口更有利于鋼液的除雜。3.3不同流量下的流動特性分析有圖4可知，隨著流量的增加，平均停留時間逐漸減小，但較低的流量會使鋼包的澆鑄時間延長，導致工作效率的降低14。同時從圖4可以看出，整體上流量為1700L/h的活塞流區(qū)比例最大，死區(qū)的比例最小，混流區(qū)比例與1900L/h下的基本相同，都比1500L/h下得大。因此在1700L/h的流量下流動狀況最為理想。圖3 開口寬度

14、對中間包流動特性的影響圖4 不同流量對中間包流動特性的影響3.4 不同液位的流動特性分析由圖5可知，雖然平均停留時間隨著液位的增加而增大，430mm液位下的平均停留時間最長。但從圖5可以看出，相對其它兩種較低液位，高液位下的死區(qū)整體上明顯比其他兩種要大，同時混流區(qū)比例也比其他兩種方案要小很多，因此不是最佳液位深度。而在低液位下，雖然混流區(qū)比例相對較大，但最小停留時間、平均停留時間以及活塞區(qū)比例都是最小的，流動特性不是很理想。因此相對而言，380mm的液位是最理想的液位深度。圖5 不同液位對中間包流動特性的影響圖6 電磁凈化中間包水模擬流場形態(tài)無轉速 有轉速圖7 中間包注流在有無轉速下的流動示意

15、圖綜合以上各種方案可知，在流量為1700L/h、380mm液位下，壩距水口側包壁距離為590mm、開口在中間位置且為128mm*128mm時，平均停留時間較大，死區(qū)比例相對較小，同時活塞區(qū)比例也較大，混流區(qū)比例也很大。在這種方案下加入甲基蘭示蹤劑后觀察液體流動的過程可知（如圖6），不管在低轉速還是高轉速下，注流從出口出來后經過壩的阻擋，均有明顯的指向表面的流動。這些都表明，此種方案有利于鋼液中夾雜物的去除。此次試驗與以往同類試驗最大的不同在于加了一個旋轉場，注流從出口出來時有一個較大的初速度，同時方向也是偏向一側，旋轉速度越高，偏轉也越厲害。因此，旋轉磁場的轉速對流場特性影響也很大。從上述各方

16、案的實驗結果可知，隨著轉速的增加，響應時間逐漸減小。這是因為轉速的增加，使出口處的注流初速度增加，可以更快的到達出水口，響應時間也就相應減小。相對于零轉速下的情況，旋轉運動的施加，增加了活塞區(qū)的體積，降低了滯留區(qū)的體積分數(shù)，因此對提高鋼液中夾雜物去除效率更為有利；但旋轉速度并不是越高越好，存在一個最佳值，根據(jù)試驗結果，在10-30rad/min的范圍內，活塞區(qū)比例大，死區(qū)很小，某些情況甚至接近于零，效果非常好。同時在高轉速下由于注流向上的沖擊力比較大，導致液面不是很平穩(wěn)，因此轉速也不宜過高。從RTD曲線上可以看出旋轉運動的施加，降低了擊穿流比例，增加了活動區(qū)比例，對鋼液在中包中的溫度均勻分布也

17、更加有利。平均停留時間是影響夾雜物去除的一個重要因素，由以上幾幅圖片的數(shù)據(jù)分析可以看到，在有轉速的情況下，中間包的平均停留時間遠大于零轉速下的平均停留時間。雖然旋轉運動的施加，使注流在中間包中的運動速度增加，但同時也使注流的運動路線不再像無轉速下的那樣筆直，而是在中間包中有一個大的回流(見圖7)，進而使注流的運動路程增加，從而使注流的平均停留時間增加。4 結論經過水模擬的RTD曲線分析和流場觀察，探討了電磁凈化中間包的流場特性，得出以下初步結論：（1）旋轉磁場在中間包上的應用，增加了活塞區(qū)的體積，降低了滯留區(qū)的體積分數(shù)，因此對提高鋼液中夾雜物去除效率更為有利；（2）在本文條件下，當流量為170

18、0L/h、液位為380mm、壩距水口側包壁距離為590mm、開口在中間位置且為128mm*128mm時中間包的滯留區(qū)最小，活塞區(qū)最大，平均停留時間較長，最有利于鋼液中夾雜物的上浮去除；（3）電磁凈化中間包中，鋼液旋轉速度不宜過高，否則會導致液面的波動以及混流區(qū)的減小，因此旋轉速度存在一個最佳值；此外，旋轉運動的施加，降低了擊穿流比例，增加了混流區(qū)比例，對鋼液在中包中的溫度均勻分布也更加有利。參 考 文 獻1 劉中柱, 蔡開科. 純凈鋼生產技術. 鋼鐵. 2000 , 35 (2) : 64692 曲英,劉今，冶金反應工程學導論.北京: 冶金工業(yè)出版社,19883 高運明,倪紅衛(wèi).改善鋼水潔凈度

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