连铸中间包内钢液流场的rd分析

连铸中间包内钢液流场的rd分析

连铸中间包是连接钢包和晶体装置之间的中间存储容器。它能存储钢液、稳定钢流、缓冲钢流对晶体装置的影响和搅拌、稳定柱压和铸造操作、均匀钢液温度和组成、脱氧和非标准混合材料。对于多流联轴机也起到了分配钢液的作用。钢液在中间包内的流动状态可分为全混流、活塞流、短路流、死区4种。为了得到理想的流动状态,中间包内设置了多种控流装置如:挡墙、挡坝、多孔挡墙、湍流抑制器等。设置控流装置时主要考虑将湍流较好地限制在冲击区内,并保证浇注区渣层的平稳覆盖,提高活塞流的体积,减少甚至避免短路流,缩小死区的体积;同时也尽可能地使各流之间的钢液成分和温度保持一致。本文针对六流T形连铸中间包,通过用水模的方法对其内部的湍流抑制器和多孔挡墙进行优化。根据测得的各流的停留时间分布(RTD)曲线来描述中间包内钢液的流动特性,并且通过RTD曲线的分析来评价中间包内各种内部控流结构的优劣。1在六流中间的包裹流场的物理模拟中1.1试验的决定因素:德准数和决定因素对于中间包水模型实验中,水的流动主要是重力和惯性力起主导作用的湍流流动,故选用弗鲁德准数(FroudeNumber)作为试验的决定性准数。本研究的方坯中间包的物理模型装置见图1,均由有机玻璃大包、中间包模型、大包长水口、中间包浸入式水口、中间包内控流装置、示踪剂加入装置、出口示踪剂浓度电导探头、电导率仪、数据采集计算机等组成。1.2出口示踪剂浓度与时间的关系在水模试验时采用向大包快速注流注入示踪剂,同时测量中间包出口示踪剂浓度的刺激-响应法。这样就可以得到出口示踪剂浓度与时间的关系曲线。这就是通常所称的停留时间分布曲线,简称RTD(ResidentTimeDistribution)曲线。由RTD曲线的有关参数即可计算出全混流、活塞流和死区的比例。本实验所用中间包内部结构以中心截面对称,故只需采集右侧1、2、3流的RTD曲线。1.3流动特性的定量分析本文采用多流中间包流动特性分析模型来计算多流中间包内活塞区、混合区、死区的体积分数,具体到本试验所测的3个流则有:活塞流区体积分数:Vp=13(θ1min+θ2min+θ3min)(1)Vp=13(θ1min+θ2min+θ3min)(1)死区体积分数Vd=1-13(Q1aQ1⋅ˉθ1c+Q2aQ2⋅ˉθ2c+Q3aQ3⋅ˉθ3c)(2)Vd=1−13(Q1aQ1⋅θ¯1c+Q2aQ2⋅θ¯2c+Q3aQ3⋅θ¯3c)(2)全混区体积分数Vm=1-Vp-Vd(3)式中:θimin=timinˉt(i=1~3)‚ˉθic=ˉticˉt;理论停留时间ˉt=VQ;平均停留时间ˉtic=∑tci(t)∑ci(t);QiaQi为各流的活跃区体积流量Qia与该流的体积流量Qi之比(数值上分别等于各流的无因次RTD曲线上θ从0到2的面积与该流RTD曲线总面积之比);timin为各流示踪剂的响应时间;ci(t)是在采样时间点为t时各流的浓度值;V为实验时中间包内水的体积。本研究采用本课题组提出的分析方法来定量分析多流中间包各流流动特性的一致性。具体到本试验所测的3个流则有:首先,将各流的RTD曲线在每一个采样时间点下的无因次浓度值(Ci(θj),i=1~3,j=1~Z)求标准差,然后,将整个采样时间范围内的所有标准差取平均值。即ˉS3=1ΖΖ∑j=1√3∑i=1(Ci(θj)-ˉC(θj))22(i=1~3,j=1~Ζ)(4)式中:ˉS3为中间包各流无因次浓度的总体平均标准差;Ci(θj)为在采样时间点为θj时各流的无因次浓度值(i=1~3,j=1~Z);θj为RTD曲线的第j个无因次采样时间点;Z为采样时间点的总数;ˉC(θj)为在采样时间点为θj时各流无因次浓度的平均值。ˉS3越小,多流中间包各流流动特性的一致性越好。2湍流抑制器参数通过改变图2所示多孔挡墙的开口角度来改变钢液主流股的冲击方向,选出较优的多孔挡墙;考查不同形状的湍流抑制器(图3)对中间包内钢液流动状态的影响。表1中给出了各试验方案对应的控流装置;各试验方案示意图如图4所示。3中间包内各流流动特性的比较典型的RTD曲线如图5所示。各方案的分析计算结果见表2。从表2中可以看出:1)中间包内安装圆形抑湍器和“U”形多孔挡墙时(方案Ⅰ~Ⅲ),钢液主流股冲击方向为2流正上方时中间包内的死区体积分数最小为0.2547,钢液主流股冲击方向为3流正上方时,中间包内此三流的无因次浓度的总体平均标准差最小为0.0243。2)中间包内安装圆形抑湍器和“V”形多孔挡墙时(方案Ⅳ~Ⅵ),所得到的结论与安装“U”形多孔挡墙相似,主流股冲击2流正上方时中间包内的死区体积分数最小为0.2418,主流股冲击方向为3流正上方时中间包内此三流的无因次浓度的总体平均标准差最小为0.0147。3)“V”形多孔挡墙较“U”形多孔挡墙降低了中间包内的死区体积,减小中间包内各流的无因次浓度的总体平均标准差即各流流动特性的一致性较好。4)中间包内设置方形湍流抑制器较圆形湍流抑制器(方案Ⅰ和Ⅶ,Ⅳ和Ⅷ)能明显提高中间包内各流流动特性的一致性,但是中间包内的死区体积也明显变大。5)各方案进行比较比较,对应方案IV的中间包内部结构的死区体积分数最小为0.2418,且其活塞区体积分数与死区体积分数的比值最大为0.5724,故选此方案为该六流T形中间包的最佳控流方案。4增加了中间包死区体积1)六流T形连铸中间包内设置多孔挡墙时,开孔方向使钢液主流股冲击方向为2流正上方或3流正上方时较佳。2)连铸中间包内设置“