多流中間包結構對流體流動特性的影響

多流中間包結構對流體流動特性的影響

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密切相關。合理的鋼液流動是穩(wěn)定操作的必要條件。對于三個以上的主流中間包，中間包的幾何形狀復雜，鋼包的注流距離和每個水平口之間的距離不同，因此中間包的結構設計錯誤，導致每個流量之間的時間分布曲線、溫度分布和濃度分布之間存在很大差異。這些差異對鋼溶液的質量和可滲透性以及不同的氣體分布之間存在很大差異。為了確保每個流量的流量相同，每個流量在中間的流量分布必須是一致的。如果第一個流量很小，由于儲存鋼渣，很容易使該流量泄漏。另一方面，如果第一個流量過大，由于過度出汗，水被迫堵塞。因此，在多流量中心的實際操作中，除了希望每個流量具有最佳流量特征外，還希望每個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7流方坯連鑄中間包,通過物理模擬的實驗研究方法,采用不同的控流裝置,對中間包的流體流動進行控制,實驗測定不同結構中間包的流體流動特性,確定適合于7流中間包鋼液流動的控流裝置,優(yōu)化該7流中間包的結構·1流體流動特性的測定在中間包物理模擬實驗中,主要考慮幾何相似和動力相似·中間包物理模型的建立,必須保證模型與原型的幾何相似,本實驗的幾何相似比為1∶3.0·一般而言,中間包的鋼液流動屬于湍流流動·有研究表明,在湍流流動條件下,不論中間包的幾何形狀和尺寸大小,流動過程的湍流Ret數是非常相近的·在此基礎上,要保證在湍流流動范圍的原型中間包的流動與模型中間包的流動相似,只需保證中間包原型和模型的弗勞德數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關系為Qm=λ2.5Qp[JX*4]?[JX-*4](1)Qm=λ2.5Qp[JX*4]?[JX?*4](1)本研究的實驗裝置示意圖見圖1·實驗時,讓水在中間包穩(wěn)定流動5min后,向長水口的注流加入0.2g/mL的NaCl溶液200mL作為示蹤劑,測定其從中間包1~4流水口流出的停留時間分布曲線·對于多流中間包,引入子中間包的概念來計算其各流的流體流動特性·即n流中間包由n個子中間包組成·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·當各流的流量相等時,方程(2)變?yōu)閂=nVi·第i流子中間包的理論停留時間tc,i和多流中間包的理論停留時間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間與多流中間包的理論停留時間是相同的·從第i流測定的停留時間分布曲線,可計算從該流水口流出的示蹤劑在該子中間包的實際平均停留時間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)體積分數vd,i,活塞流體積分數vp,i和混合流體積分數vm,i分別用下式計算: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為流過子中間包活躍區(qū)的流體流量;ˉθc,i為無因次時間θ=0到θ=2這段時間內示蹤劑在子中間包內的無因次平均停留時間;tmin,i為示蹤劑在子中間包的最小停留時間;tmax,i為子中間包的峰值示蹤劑濃度時間·2中間包流體流動特性的優(yōu)化該7流中間包原設計的導流隔墻1的結構及其在中間包的位置如圖2所示,由圖可知,導流隔墻1采用了兩個大導流孔,底部兩側分別有1個底孔·采用導流隔墻1作為此中間包的控流裝置,得到的中間包各流的停留時間分布曲線和流體流動特性分別如圖3和表1所示,圖中的縱坐標為無因次濃度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,橫坐標表示無因次時間θ,定義為實驗測定時間與中間包理論平均時間之比·由圖3和表1可知,第3,4流的最小停留時間和峰值濃度時間短,分別只有10.25,10.50s和19.75,22.50s,第1,2流的最小停留時間分別為31.75s和55.25s,而且它們的峰值濃度時間也不長,只有39.75s和71.00s·說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)遠些,示蹤劑開始從這兩流流出的時間略長些,特別是開始從第1流流出的時間更長,達到了55.25s·從圖3可以看出,中間包4個流的峰值濃度都很高且峰值時間短,說明在較短的時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間短,分別為257.04,247.78,217.01和187.68s,結果使得各流的死區(qū)體積分數大,在49%~63%之間·由于各流的最小停留時間和峰值時間很短,所以各流的活塞流體積分數很小,只有約3%~12%·以上的數據表明,采用導流隔墻1,中間包的流體流動特性差·采用導流隔墻1的中間包,得到的第3,4流的最小停留時間和峰值時間短,原因是這種中間包結構的沖擊區(qū)小,進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,這種導流隔墻對中間包流體的控流作用弱,特別是對遠離導流隔墻的第1,2,6,7流的控流作用更小·因此,設計新的控流裝置導流隔墻2,擴大中間包的沖擊區(qū)·導流隔墻2在中間包的位置如圖4所示,實驗結果如表2所示·從表2可以看出,中間包采用導流隔墻2作為控流裝置,中間包各流的最小停留時間和峰值時間增加,其中第1,2,4流的最小停留時間增加幅度較大,分別為68.75,38.25和29.00s,活塞流體積分數提高,平均停留時間增加到300s以上,死區(qū)體積分數下降明顯,在28.30%~39.42%之間,與導流隔墻1相比中間包各流的死區(qū)體積分數降低了約30%~46%·為了進一步優(yōu)化中間包的流體流動特性,在導流隔墻2的基礎上,再進一步擴大沖擊區(qū)體積,調整隔墻的導流孔的尺寸,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流之間增加導流壩,構成中間包結構3,如圖5所示·實驗結果如圖6和表3所示·由圖6可以看出,將沖擊區(qū)進一步擴大,調整隔墻的導流孔尺寸,并且安裝導流壩和湍控器后,各流的停留時間分布曲線發(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間增加了·從表3可知,采用中間包結構3后,第2,3,4流的最小停留時間得到提高,它們的峰值時間顯著增加,中間包各流的平均停留時間延長,均在400s以上,各流的死區(qū)體積分數顯著降低,在14.45%~21.10%之間·3中間包的流體流動性1)采用原設計的導流隔墻1,中間包的流體流動特性差·第3,4流的最小停留時間和峰值濃度時間分別只有10.25,10.50s和19.75,22.50s,第1,2流的峰值濃度時間只有39.75s和71.00s·各流的平均停留時間短,死區(qū)體積分數大,在49%~63%之間,各流的活塞流體積分數小,只有3%~12%·并且,第1,2流和第3,4流的流體流動特性之間的差別較大·2)采用新設計的導流隔墻、湍控器和導流壩組成的中間包結構,中間包的流體流動特性得到很大改善·各流的停留時間分布曲線由尖窄形變成了寬矮形,各流的最小停留時間在44.75~73.