多流中間包結(jié)構(gòu)對(duì)流體流動(dòng)特性的影響

多流中間包結(jié)構(gòu)對(duì)流體流動(dòng)特性的影響

連鑄中間包不僅具有穩(wěn)定水流和分隔的功能，而且重要的是鋼溶液的潔凈度、溫度分布和穩(wěn)定操作。這與中間包的鋼液流動(dòng)密切相關(guān)。合理的鋼液流動(dòng)是穩(wěn)定操作的必要條件。對(duì)于三個(gè)以上的主流中間包，中間包的幾何形狀復(fù)雜，鋼包的注流距離和每個(gè)水平口之間的距離不同，因此中間包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，導(dǎo)致每個(gè)流量之間的時(shí)間分布曲線、溫度分布和濃度分布之間存在很大差異。這些差異對(duì)鋼溶液的質(zhì)量和可滲透性以及不同的氣體分布之間存在很大差異。為了確保每個(gè)流量的流量相同，每個(gè)流量在中間的流量分布必須是一致的。如果第一個(gè)流量很小，由于儲(chǔ)存鋼渣，很容易使該流量泄漏。另一方面，如果第一個(gè)流量過(guò)大，由于過(guò)度出汗，水被迫堵塞。因此，在多流量中心的實(shí)際操作中，除了希望每個(gè)流量具有最佳流量特征外，還希望每個(gè)流量之間的流量特征一致。中間包冶金已有了許多的研究,本研究針對(duì)7流方坯連鑄中間包,通過(guò)物理模擬的實(shí)驗(yàn)研究方法,采用不同的控流裝置,對(duì)中間包的流體流動(dòng)進(jìn)行控制,實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同結(jié)構(gòu)中間包的流體流動(dòng)特性,確定適合于7流中間包鋼液流動(dòng)的控流裝置,優(yōu)化該7流中間包的結(jié)構(gòu)·1流體流動(dòng)特性的測(cè)定在中間包物理模擬實(shí)驗(yàn)中,主要考慮幾何相似和動(dòng)力相似·中間包物理模型的建立,必須保證模型與原型的幾何相似,本實(shí)驗(yàn)的幾何相似比為1∶3.0·一般而言,中間包的鋼液流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)·有研究表明,在湍流流動(dòng)條件下,不論中間包的幾何形狀和尺寸大小,流動(dòng)過(guò)程的湍流Ret數(shù)是非常相近的·在此基礎(chǔ)上,要保證在湍流流動(dòng)范圍的原型中間包的流動(dòng)與模型中間包的流動(dòng)相似,只需保證中間包原型和模型的弗勞德數(shù)Fr相等即可·由此得模型中間包的流量Qm和原型中間包的流量Qp關(guān)系為Qm=λ2.5Qp[JX*4]?[JX-*4](1)Qm=λ2.5Qp[JX*4]?[JX?*4](1)本研究的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1·實(shí)驗(yàn)時(shí),讓水在中間包穩(wěn)定流動(dòng)5min后,向長(zhǎng)水口的注流加入0.2g/mL的NaCl溶液200mL作為示蹤劑,測(cè)定其從中間包1~4流水口流出的停留時(shí)間分布曲線·對(duì)于多流中間包,引入子中間包的概念來(lái)計(jì)算其各流的流體流動(dòng)特性·即n流中間包由n個(gè)子中間包組成·第i流的子中間包的液體體積Vi為Vi=qin∑i=1qiV[JX*4]?[JX-*4](2)Vi=qi∑i=1nqiV[JX*4]?[JX?*4](2)式中:V是多流中間包的液體體積,m3;qi是從第i流水口流出的流體流量,m3/s·當(dāng)各流的流量相等時(shí),方程(2)變?yōu)閂=nVi·第i流子中間包的理論停留時(shí)間tc,i和多流中間包的理論停留時(shí)間tc為tc,i=Viqi=Vn∑i=1qi=tc[JX*4]?[JX-*4](3)tc,i=Viqi=V∑i=1nqi=tc[JX*4]?[JX?*4](3)由式(3)可知,對(duì)于多流中間包,引入子中間包的概念后,各流子中間包的理論停留時(shí)間與多流中間包的理論停留時(shí)間是相同的·從第i流測(cè)定的停留時(shí)間分布曲線,可計(jì)算從該流水口流出的示蹤劑在該子中間包的實(shí)際平均停留時(shí)間ta,i:ta,i=∫+∞0ci(t)qitdt∫+∞0ci(t)qidt(4)或ta,i=∞∑j=1ci(tj)tjΔtj∞∑j=1ci(tj)Δtj[JX*4]?[JX-*4](5)該流子中間包的死區(qū)體積分?jǐn)?shù)vd,i,活塞流體積分?jǐn)?shù)vp,i和混合流體積分?jǐn)?shù)vm,i分別用下式計(jì)算:vd,i=Vd,iVi=1-qa,iqiˉθc,i,(6)vp,i=Vp,iVi=12(tmin,i+tmax,itc,i),(7)vm,i=Vm,iVi=1-Vd,iVi-Vp,iVi[JX*4]?[JX-*4](8)式中:qa,i為流過(guò)子中間包活躍區(qū)的流體流量;ˉθc,i為無(wú)因次時(shí)間θ=0到θ=2這段時(shí)間內(nèi)示蹤劑在子中間包內(nèi)的無(wú)因次平均停留時(shí)間;tmin,i為示蹤劑在子中間包的最小停留時(shí)間;tmax,i為子中間包的峰值示蹤劑濃度時(shí)間·2中間包流體流動(dòng)特性的優(yōu)化該7流中間包原設(shè)計(jì)的導(dǎo)流隔墻1的結(jié)構(gòu)及其在中間包的位置如圖2所示,由圖可知,導(dǎo)流隔墻1采用了兩個(gè)大導(dǎo)流孔,底部?jī)蓚?cè)分別有1個(gè)底孔·采用導(dǎo)流隔墻1作為此中間包的控流裝置,得到的中間包各流的停留時(shí)間分布曲線和流體流動(dòng)特性分別如圖3和表1所示,圖中的縱坐標(biāo)為無(wú)因次濃度C,定義為從中間包水口流出的示蹤劑濃度與示蹤劑在中間包液體中的平均濃度之比,橫坐標(biāo)表示無(wú)因次時(shí)間θ,定義為實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)間與中間包理論平均時(shí)間之比·由圖3和表1可知,第3,4流的最小停留時(shí)間和峰值濃度時(shí)間短,分別只有10.25,10.50s和19.75,22.50s,第1,2流的最小停留時(shí)間分別為31.75s和55.25s,而且它們的峰值濃度時(shí)間也不長(zhǎng),只有39.75s和71.00s·說(shuō)明示蹤劑加入中間包后,很快從第3,4流流出,由于第1,2流距離中間包沖擊區(qū)遠(yuǎn)些,示蹤劑開(kāi)始從這兩流流出的時(shí)間略長(zhǎng)些,特別是開(kāi)始從第1流流出的時(shí)間更長(zhǎng),達(dá)到了55.25s·從圖3可以看出,中間包4個(gè)流的峰值濃度都很高且峰值時(shí)間短,說(shuō)明在較短的時(shí)間有較多的示蹤劑從中間包流出·從表1可以看出,中間包各流的平均停留時(shí)間短,分別為257.04,247.78,217.01和187.68s,結(jié)果使得各流的死區(qū)體積分?jǐn)?shù)大,在49%~63%之間·由于各流的最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間很短,所以各流的活塞流體積分?jǐn)?shù)很小,只有約3%~12%·以上的數(shù)據(jù)表明,采用導(dǎo)流隔墻1,中間包的流體流動(dòng)特性差·采用導(dǎo)流隔墻1的中間包,得到的第3,4流的最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間短,原因是這種中間包結(jié)構(gòu)的沖擊區(qū)小,進(jìn)入中間包的示蹤劑很快從沖擊區(qū)流出,然后流到這兩流水口而流出·另外,這種導(dǎo)流隔墻對(duì)中間包流體的控流作用弱,特別是對(duì)遠(yuǎn)離導(dǎo)流隔墻的第1,2,6,7流的控流作用更小·因此,設(shè)計(jì)新的控流裝置導(dǎo)流隔墻2,擴(kuò)大中間包的沖擊區(qū)·導(dǎo)流隔墻2在中間包的位置如圖4所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示·從表2可以看出,中間包采用導(dǎo)流隔墻2作為控流裝置,中間包各流的最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間增加,其中第1,2,4流的最小停留時(shí)間增加幅度較大,分別為68.75,38.25和29.00s,活塞流體積分?jǐn)?shù)提高,平均停留時(shí)間增加到300s以上,死區(qū)體積分?jǐn)?shù)下降明顯,在28.30%~39.42%之間,與導(dǎo)流隔墻1相比中間包各流的死區(qū)體積分?jǐn)?shù)降低了約30%~46%·為了進(jìn)一步優(yōu)化中間包的流體流動(dòng)特性,在導(dǎo)流隔墻2的基礎(chǔ)上,再進(jìn)一步擴(kuò)大沖擊區(qū)體積,調(diào)整隔墻的導(dǎo)流孔的尺寸,并且在沖擊區(qū)撤掉沖擊板,安裝湍控器,在第2,3流和第5,6流之間增加導(dǎo)流壩,構(gòu)成中間包結(jié)構(gòu)3,如圖5所示·實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6和表3所示·由圖6可以看出,將沖擊區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大,調(diào)整隔墻的導(dǎo)流孔尺寸,并且安裝導(dǎo)流壩和湍控器后,各流的停留時(shí)間分布曲線發(fā)生了較大的變化,曲線由尖窄形變成了寬矮形,表明示蹤劑在中間包的停留時(shí)間增加了·從表3可知,采用中間包結(jié)構(gòu)3后,第2,3,4流的最小停留時(shí)間得到提高,它們的峰值時(shí)間顯著增加,中間包各流的平均停留時(shí)間延長(zhǎng),均在400s以上,各流的死區(qū)體積分?jǐn)?shù)顯著降低,在14.45%~21.10%之間·3中間包的流體流動(dòng)性1)采用原設(shè)計(jì)的導(dǎo)流隔墻1,中間包的流體流動(dòng)特性差·第3,4流的最小停留時(shí)間和峰值濃度時(shí)間分別只有10.25,10.50s和19.75,22.50s,第1,2流的峰值濃度時(shí)間只有39.75s和71.00s·各流的平均停留時(shí)間短,死區(qū)體積分?jǐn)?shù)大,在49%~63%之間,各流的活塞流體積分?jǐn)?shù)小,只有3%~12%·并且,第1,2流和第3,4流的流體流動(dòng)特性之間的差別較大·2)采用新設(shè)計(jì)的導(dǎo)流隔墻、湍控器和導(dǎo)流壩組成的中間包結(jié)構(gòu),中間包的流體流動(dòng)特性得到很大改善·各流的停留時(shí)間分布曲線由尖窄形變成了寬矮形,各流的最小停留時(shí)間在44.75~73.