多流中间包结构对流体流动特性的影响

多流中间包结构对流体流动特性的影响

连铸中间包不仅具有稳定水流和分隔的功能，而且重要的是钢溶液的洁净度、温度分布和稳定操作。这与中间包的钢液流动密切相关。合理的钢液流动是稳定操作的必要条件。对于三个以上的主流中间包，中间包的几何形状复杂，钢包的注流距离和每个水平口之间的距离不同，因此中间包的结构设计错误，导致每个流量之间的时间分布曲线、温度分布和浓度分布之间存在很大差异。这些差异对钢溶液的质量和可渗透性以及不同的气体分布之间存在很大差异。为了确保每个流量的流量相同，每个流量在中间的流量分布必须是一致的。如果第一个流量很小，由于储存钢渣，很容易使该流量泄漏。另一方面，如果第一个流量过大，由于过度出汗，水被迫堵塞。因此，在多流量中心的实际操作中，除了希望每个流量具有最佳流量特征外，还希望每个流量之间的流量特征一致。中间包冶金已有了许多的研究,本研究针对7流方坯连铸中间包,通过物理模拟的实验研究方法,采用不同的控流装置,对中间包的流体流动进行控制,实验测定不同结构中间包的流体流动特性,确定适合于7流中间包钢液流动的控流装置,优化该7流中间包的结构·1流体流动特性的测定在中间包物理模拟实验中,主要考虑几何相似和动力相似·中间包物理模型的建立,必须保证模型与原型的几何相似,本实验的几何相似比为1∶3.0·一般而言,中间包的钢液流动属于湍流流动·有研究表明,在湍流流动条件下,不论中间包的几何形状和尺寸大小,流动过程的湍流Ret数是非常相近的·在此基础上,要保证在湍流流动范围的原型中间包的流动与模型中间包的流动相似,只需保证中间包原型和模型的弗劳德数Fr相等即可·由此得模型中间包的流量Qm和原型中间包的流量Qp关系为Qm=λ2.5Qp[JX*4]⋅[JX-*4](1)Qm=λ2.5Qp[JX*4]⋅[JX−*4](1)本研究的实验装置示意图见图1·实验时,让水在中间包稳定流动5min后,向长水口的注流加入0.2g/mL的NaCl溶液200mL作为示踪剂,测定其从中间包1~4流水口流出的停留时间分布曲线·对于多流中间包,引入子中间包的概念来计算其各流的流体流动特性·即n流中间包由n个子中间包组成·第i流的子中间包的液体体积Vi为Vi=qin∑i=1qiV[JX*4]⋅[JX-*4](2)Vi=qi∑i=1nqiV[JX*4]⋅[JX−*4](2)式中:V是多流中间包的液体体积,m3;qi是从第i流水口流出的流体流量,m3/s·当各流的流量相等时,方程(2)变为V=nVi·第i流子中间包的理论停留时间tc,i和多流中间包的理论停留时间tc为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,对于多流中间包,引入子中间包的概念后,各流子中间包的理论停留时间与多流中间包的理论停留时间是相同的·从第i流测定的停留时间分布曲线,可计算从该流水口流出的示踪剂在该子中间包的实际平均停留时间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)该流子中间包的死区体积分数vd,i,活塞流体积分数vp,i和混合流体积分数vm,i分别用下式计算: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为流过子中间包活跃区的流体流量;ˉθc,i为无因次时间θ=0到θ=2这段时间内示踪剂在子中间包内的无因次平均停留时间;tmin,i为示踪剂在子中间包的最小停留时间;tmax,i为子中间包的峰值示踪剂浓度时间·2中间包流体流动特性的优化该7流中间包原设计的导流隔墙1的结构及其在中间包的位置如图2所示,由图可知,导流隔墙1采用了两个大导流孔,底部两侧分别有1个底孔·采用导流隔墙1作为此中间包的控流装置,得到的中间包各流的停留时间分布曲线和流体流动特性分别如图3和表1所示,图中的纵坐标为无因次浓度C,定义为从中间包水口流出的示踪剂浓度与示踪剂在中间包液体中的平均浓度之比,横坐标表示无因次时间θ,定义为实验测定时间与中间包理论平均时间之比·由图3和表1可知,第3,4流的最小停留时间和峰值浓度时间短,分别只有10.25,10.50s和19.75,22.50s,第1,2流的最小停留时间分别为31.75s和55.25s,而且它们的峰值浓度时间也不长,只有39.75s和71.00s·说明示踪剂加入中间包后,很快从第3,4流流出,由于第1,2流距离中间包冲击区远些,示踪剂开始从这两流流出的时间略长些,特别是开始从第1流流出的时间更长,达到了55.25s·从图3可以看出,中间包4个流的峰值浓度都很高且峰值时间短,说明在较短的时间有较多的示踪剂从中间包流出·从表1可以看出,中间包各流的平均停留时间短,分别为257.04,247.78,217.01和187.68s,结果使得各流的死区体积分数大,在49%~63%之间·由于各流的最小停留时间和峰值时间很短,所以各流的活塞流体积分数很小,只有约3%~12%·以上的数据表明,采用导流隔墙1,中间包的流体流动特性差·采用导流隔墙1的中间包,得到的第3,4流的最小停留时间和峰值时间短,原因是这种中间包结构的冲击区小,进入中间包的示踪剂很快从冲击区流出,然后流到这两流水口而流出·另外,这种导流隔墙对中间包流体的控流作用弱,特别是对远离导流隔墙的第1,2,6,7流的控流作用更小·因此,设计新的控流装置导流隔墙2,扩大中间包的冲击区·导流隔墙2在中间包的位置如图4所示,实验结果如表2所示·从表2可以看出,中间包采用导流隔墙2作为控流装置,中间包各流的最小停留时间和峰值时间增加,其中第1,2,4流的最小停留时间增加幅度较大,分别为68.75,38.25和29.00s,活塞流体积分数提高,平均停留时间增加到300s以上,死区体积分数下降明显,在28.30%~39.42%之间,与导流隔墙1相比中间包各流的死区体积分数降低了约30%~46%·为了进一步优化中间包的流体流动特性,在导流隔墙2的基础上,再进一步扩大冲击区体积,调整隔墙的导流孔的尺寸,并且在冲击区撤掉冲击板,安装湍控器,在第2,3流和第5,6流之间增加导流坝,构成中间包结构3,如图5所示·实验结果如图6和表3所示·由图6可以看出,将冲击区进一步扩大,调整隔墙的导流孔尺寸,并且安装导流坝和湍控器后,各流的停留时间分布曲线发生了较大的变化,曲线由尖窄形变成了宽矮形,表明示踪剂在中间包的停留时间增加了·从表3可知,采用中间包结构3后,第2,3,4流的最小停留时间得到提高,它们的峰值时间显著增加,中间包各流的平均停留时间延长,均在400s以上,各流的死区体积分数显著降低,在14.45%~21.10%之间·3中间包的流体流动性1)采用原设计的导流隔墙1,中间包的流体流动特性差·第3,4流的最小停留时间和峰值浓度时间分别只有10.25,10.50s和19.75,22.50s,第1,2流的峰值浓度时间只有39.75s和71.00s·各流的平均停留时间短,死区体积分数大,在49%~63%之间,各流的活塞流体积分数小,只有3%~12%·并且,第1,2流和第3,4流的流体流动特性之间的差别较大·2)采用新设计的导流隔墙、湍控器和导流坝组成的中间包结构,中间包的流体流动特性得到很大改善·各流的停留时间分布曲线由尖窄形变成了宽矮形,各流的最小停留时间在44.75~73.