電磁凈化中間包水模擬試驗(yàn)研究

1、電磁凈化中間包水模擬試驗(yàn)研究王保軍 鐘云波 王 赟 任忠鳴 雷作勝 任維麗上海大學(xué)材料學(xué)院 上海市現(xiàn)代冶金與材料制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200072摘 要 本文采用水模試驗(yàn)，對(duì)電磁凈化中間包中不同控流裝置配置和旋轉(zhuǎn)速度下的停留時(shí)間分布曲線進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)電磁凈化中間包中流體的流動(dòng)特性，以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在中間包凈化鋼液中所起的作用進(jìn)行了分析和探討。結(jié)果表明，電磁凈化中間包圓形腔中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能夠減小中間包中死區(qū)分?jǐn)?shù)，增加活塞區(qū)比例，同時(shí)增長(zhǎng)平均停留時(shí)間，但旋轉(zhuǎn)速度不是越高越好，存在一個(gè)最佳值。關(guān)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(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)材料，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(jīng)濟(jì)理念的深入，生產(chǎn)高強(qiáng)度、高品質(zhì)的鋼鐵材料成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。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(chǎn)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(biāo)。中間包作為連接鋼包和結(jié)晶器的中間容器，它起著均勻溫度、穩(wěn)定流動(dòng)、促進(jìn)夾雜上浮等功能，對(duì)鋼液的潔凈度提高起著至關(guān)重要的作用2，因此，如何優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu)，獲得最佳的流場(chǎng)和更長(zhǎng)的平均停留時(shí)間，提高夾雜物的去除效率，成為中間包冶金的主要內(nèi)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(kuò)容、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3、、底部吹氬、氬氣保護(hù)、等離子體加熱等3-5，這些方法對(duì)鋼中夾雜物去除具有一定的積極意義，然而，在連鑄生產(chǎn)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(shù)，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(shù)取得了很好的效果，并已在該公司的生產(chǎn)中得到實(shí)際應(yīng)用6-9。該技術(shù)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(gè)半圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器，利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在鋼液中感生洛侖茲力，驅(qū)動(dòng)鋼液旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)中心區(qū)域夾雜物濃度不斷增加，進(jìn)而碰撞長(zhǎng)大，上浮而進(jìn)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(jìn)夾雜物碰撞長(zhǎng)大的方法對(duì)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(xì)微夾雜物去除效果明顯、夾雜物可開路排放等特點(diǎn)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(shù)保密以及其他原因，這一技術(shù)在國內(nèi)并沒有得到掌握和應(yīng)用。本文在前期研究基礎(chǔ)上，針對(duì)中間包電磁凈化技術(shù)中，對(duì)不同旋轉(zhuǎn)速度和不同中間包控流裝置參數(shù)下的流場(chǎng)特性進(jìn)行了水模擬研究，以期掌握電磁凈化中間包的一些流動(dòng)特性，為以后的實(shí)際應(yīng)用提供參考。2

5、 實(shí)驗(yàn)原理和方案2.1 實(shí)驗(yàn)原理水模擬研究的依據(jù)是相似原理11，即模型與實(shí)型中液體流動(dòng)幾何相似和動(dòng)力相似。對(duì)于動(dòng)力相似要求模型與實(shí)型中的流體的雷諾準(zhǔn)數(shù)Re和弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr分別相等， 但相似原理認(rèn)為，當(dāng)模擬系統(tǒng)進(jìn)入第二自模化區(qū)域，處于自?；癄顟B(tài)，即該系統(tǒng)的流動(dòng)狀態(tài)與流速與雷諾數(shù)無關(guān)。經(jīng)計(jì)算，本試驗(yàn)的實(shí)物與模型流體的雷諾數(shù)均已進(jìn)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(dá)到動(dòng)力相似。為了模擬的更為真實(shí)和準(zhǔn)確，線性比盡可能的大，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(guān)系，就可以由實(shí)驗(yàn)值推出實(shí)際所需的生產(chǎn)條件。2.2 實(shí)驗(yàn)裝置針對(duì)國內(nèi)某廠18噸中間包，用有機(jī)

6、玻璃按照1:2比例制作中間包模型，旋轉(zhuǎn)室的漩流由插入圓形腔中成對(duì)稱分布的三根圓棒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，用來模擬旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)鋼液旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用變頻裝置無極調(diào)速，轉(zhuǎn)速可在060轉(zhuǎn)/分鐘之間任意設(shè)定。在大包長(zhǎng)水口靠近大包底部處設(shè)置示蹤劑加入口，在中間包出水口處設(shè)置電導(dǎo)電極， 通過信號(hào)轉(zhuǎn)換，將信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)記錄水中鹽水濃度變化情況，最小的采樣時(shí)間間隔為100ms。試驗(yàn)裝置如圖1所示。1-鋼包; 2-加示蹤劑漏斗;3-電動(dòng)機(jī);4-旋轉(zhuǎn)室; 5-攪拌槳; 6-擋墻；7-分配室 8-出口; 9-壩;10-電導(dǎo)儀;11-數(shù)據(jù)采集板; 12-塞棒；13-計(jì)算機(jī)處理終端圖1 水模擬試驗(yàn)裝置示意圖2.3 試驗(yàn)方法采

7、用“刺激- 響應(yīng)”技術(shù)，使用飽和KCl溶液為示蹤劑。在中間包液面達(dá)到規(guī)定值，且流動(dòng)穩(wěn)定后，在鋼包長(zhǎng)水口處迅速加入示蹤劑， 通過測(cè)定中間包水口處流體的電導(dǎo)率變化，可得出流體隨時(shí)間變化的分布曲線(RTD曲線) ，從而可得出從長(zhǎng)水口注流加入示蹤劑開始到流出中間包水口時(shí)的最小停留時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間) tmin和示蹤劑濃度達(dá)到最大時(shí)的峰值間tpeak，并以此計(jì)算出各微團(tuán)在中間包內(nèi)的實(shí)際平均停留時(shí)間12，計(jì)算式如下： （1）中間包內(nèi)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(jì)算: （2）活塞區(qū)體積分率由下式計(jì)算: （3） 混合流體積分率由下式計(jì)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(shí)間peak-峰值濃度無因次時(shí)間無因次最小停留時(shí)間、峰值濃度無因次時(shí)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(shí)間用下面公式計(jì)算: (5) (6) (7) 式中 ts-理論平均停留時(shí)間，ts=V/QmAhula和Sahai13在長(zhǎng)期的水模擬試驗(yàn)中認(rèn)為：為了保證在中間包中鋼液與雜質(zhì)最好的分離效果，應(yīng)盡量使流體的平均停留時(shí)間較長(zhǎng)，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(dòng)，同時(shí)要保證平靜的鋼液液面。本文即采用上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電磁凈化中間包的流動(dòng)特性的優(yōu)劣進(jìn)行判斷

9、。試驗(yàn)過程中，通過改變中間包內(nèi)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(cè)定中間包水口的RTD曲線，然后通過上述公式計(jì)算，得出活塞區(qū)、滯留區(qū)、混合區(qū)體積分?jǐn)?shù)以及實(shí)際平均停留時(shí)間、最小停留時(shí)間、峰值時(shí)間等流體流動(dòng)特性參數(shù)，同時(shí)通過加入甲基蘭示蹤劑，直觀觀察流動(dòng)情況，最終確定離心中間包的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)以及操作參數(shù)的最佳值。2.4 實(shí)驗(yàn)方案由于該實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是電磁凈化中間包的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)情況，其湍動(dòng)程度要比傳統(tǒng)中間包更為劇烈，流動(dòng)形式更為復(fù)雜，這也決定了與傳統(tǒng)的中間包有很大的不同，同時(shí)也沒有相應(yīng)的原方案供參考，因此中間包的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)都需要重新確定。由于鋼液的旋轉(zhuǎn)，它從旋轉(zhuǎn)室到分配室的初速度會(huì)比

10、較大，如果沒有壩的阻擋，極易形成短路流，同時(shí)停留時(shí)間也會(huì)大大縮短，因此本試驗(yàn)直接從有壩中間包入手，設(shè)計(jì)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(cè)定了60組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)方案如下表：表1 試驗(yàn)方案編號(hào)壩距水口側(cè)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(cè)17003806590128*208偏一側(cè)17003807590128*128正中15003808590128*128正中19

11、003809590128*128正中170030010590128*128正中17004303 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.1 不同壩距的流動(dòng)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(dòng)特性也不同。通過比較可以得知，壩的3個(gè)位置中距中距水口側(cè)包壁距離為590mm的位置在整體上活塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)最高，而死區(qū)體積分?jǐn)?shù)最低，同時(shí)混流區(qū)體積分?jǐn)?shù)也很高，而且在10-30rad/min的較低轉(zhuǎn)速下死區(qū)幾乎為零。雖然690mm的位置在較高轉(zhuǎn)速下混流區(qū)比較大，但它的活塞流區(qū)最小，同時(shí)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(shí)間相差不大，在低轉(zhuǎn)速下590mm的壩距的平均停留時(shí)間最大。因此距水口側(cè)包壁距

12、離為590mm的壩距比較合適。圖2 不同壩距對(duì)中間包流動(dòng)特性的影響3.2 不同出口位置以及出口大小的流動(dòng)特性分析由于出口連接著旋轉(zhuǎn)室和分配室，出口的大小和位置直接關(guān)系到進(jìn)入分配室的注流的初始特性，因此要特別考慮。由于在有轉(zhuǎn)速情況下注流在出口位置是流動(dòng)方向偏向一側(cè)，因此出口位置液設(shè)計(jì)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(biāo)注位置偏上64cm，屬于偏心出流。對(duì)于偏心出流，根據(jù)流態(tài)觀察的結(jié)果可知，不管出口大小，在有轉(zhuǎn)速的情況下都極易引起中間包液面的整體波動(dòng)，導(dǎo)致液面很不平穩(wěn)，沒有實(shí)際意義，因此出口位置偏向一側(cè)的方案不予考慮。由圖3可知，出口寬度較小時(shí)，可以獲得更高的活塞流區(qū)體積

13、，同時(shí)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?jǐn)?shù)相差不大，出口較小時(shí)的混流區(qū)體積分?jǐn)?shù)在整體上還大于較大的出口。從圖中還可以看出，較低轉(zhuǎn)速下，出口較小時(shí)的平均停留時(shí)間也較長(zhǎng)，高轉(zhuǎn)速下兩種情況基本相同。因此相對(duì)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(dòng)特性分析有圖4可知，隨著流量的增加，平均停留時(shí)間逐漸減小，但較低的流量會(huì)使鋼包的澆鑄時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致工作效率的降低14。同時(shí)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(dòng)狀況最為理想。圖3 開口寬度

14、對(duì)中間包流動(dòng)特性的影響圖4 不同流量對(duì)中間包流動(dòng)特性的影響3.4 不同液位的流動(dòng)特性分析由圖5可知，雖然平均停留時(shí)間隨著液位的增加而增大，430mm液位下的平均停留時(shí)間最長(zhǎng)。但從圖5可以看出，相對(duì)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(shí)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(duì)較大，但最小停留時(shí)間、平均停留時(shí)間以及活塞區(qū)比例都是最小的，流動(dòng)特性不是很理想。因此相對(duì)而言，380mm的液位是最理想的液位深度。圖5 不同液位對(duì)中間包流動(dòng)特性的影響圖6 電磁凈化中間包水模擬流場(chǎng)形態(tài)無轉(zhuǎn)速 有轉(zhuǎn)速圖7 中間包注流在有無轉(zhuǎn)速下的流動(dòng)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(cè)包壁距離為590mm、開口在中間位置且為128mm*128mm時(shí)，平均停留時(shí)間較大，死區(qū)比例相對(duì)較小，同時(shí)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(dòng)的過程可知（如圖6），不管在低轉(zhuǎn)速還是高轉(zhuǎn)速下，注流從出口出來后經(jīng)過壩的阻擋，均有明顯的指向表面的流動(dòng)。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(yàn)與以往同類試驗(yàn)最大的不同在于加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)，注流從出口出來時(shí)有一個(gè)較大的初速度，同時(shí)方向也是偏向一側(cè)，旋轉(zhuǎn)速度越高，偏轉(zhuǎn)也越厲害。因此，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速對(duì)流場(chǎng)特性影響也很大。從上述各方

16、案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，響應(yīng)時(shí)間逐漸減小。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速的增加，使出口處的注流初速度增加，可以更快的到達(dá)出水口，響應(yīng)時(shí)間也就相應(yīng)減小。相對(duì)于零轉(zhuǎn)速下的情況，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的施加，增加了活塞區(qū)的體積，降低了滯留區(qū)的體積分?jǐn)?shù)，因此對(duì)提高鋼液中夾雜物去除效率更為有利；但旋轉(zhuǎn)速度并不是越高越好，存在一個(gè)最佳值，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在10-30rad/min的范圍內(nèi)，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(shí)在高轉(zhuǎn)速下由于注流向上的沖擊力比較大，導(dǎo)致液面不是很平穩(wěn)，因此轉(zhuǎn)速也不宜過高。從RTD曲線上可以看出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的施加，降低了擊穿流比例，增加了活動(dòng)區(qū)比例，對(duì)鋼液在中包中的溫度均勻分布也

17、更加有利。平均停留時(shí)間是影響夾雜物去除的一個(gè)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(zhuǎn)速的情況下，中間包的平均停留時(shí)間遠(yuǎn)大于零轉(zhuǎn)速下的平均停留時(shí)間。雖然旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的施加，使注流在中間包中的運(yùn)動(dòng)速度增加，但同時(shí)也使注流的運(yùn)動(dòng)路線不再像無轉(zhuǎn)速下的那樣筆直，而是在中間包中有一個(gè)大的回流(見圖7)，進(jìn)而使注流的運(yùn)動(dòng)路程增加，從而使注流的平均停留時(shí)間增加。4 結(jié)論經(jīng)過水模擬的RTD曲線分析和流場(chǎng)觀察，探討了電磁凈化中間包的流場(chǎng)特性，得出以下初步結(jié)論：（1）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在中間包上的應(yīng)用，增加了活塞區(qū)的體積，降低了滯留區(qū)的體積分?jǐn)?shù)，因此對(duì)提高鋼液中夾雜物去除效率更為有利；（2）在本文條件下，當(dāng)流量為170

18、0L/h、液位為380mm、壩距水口側(cè)包壁距離為590mm、開口在中間位置且為128mm*128mm時(shí)中間包的滯留區(qū)最小，活塞區(qū)最大，平均停留時(shí)間較長(zhǎng)，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(zhuǎn)速度不宜過高，否則會(huì)導(dǎo)致液面的波動(dòng)以及混流區(qū)的減小，因此旋轉(zhuǎn)速度存在一個(gè)最佳值；此外，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的施加，降低了擊穿流比例，增加了混流區(qū)比例，對(duì)鋼液在中包中的溫度均勻分布也更加有利。參 考 文 獻(xiàn)1 劉中柱, 蔡開科. 純凈鋼生產(chǎn)技術(shù). 鋼鐵. 2000 , 35 (2) : 64692 曲英,劉今，冶金反應(yīng)工程學(xué)導(dǎo)論.北京: 冶金工業(yè)出版社,19883 高運(yùn)明,倪紅衛(wèi).改善鋼水潔凈度

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