張景利,顏正國,于景坤

（1.中國第一重型機(jī)械集團(tuán)公司 技術(shù)中心,黑龍江 齊齊哈爾 161042;2.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,沈陽 110004）

中間包控流裝置的物理模擬研究

張景利1,顏正國2,于景坤2

（1.中國第一重型機(jī)械集團(tuán)公司 技術(shù)中心,黑龍江 齊齊哈爾 161042;2.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,沈陽 110004）

根據(jù)相似原理,建立 1∶3的物理模擬模型,通過正交試驗(yàn)考察了擋渣堰、導(dǎo)流壩組合控流裝置對中間包流場的影響。研究結(jié)果表明,堰壩間距是影響流場的主要因素,優(yōu)化控流組合方案為:擋渣堰距注入流中心線距離 1 200mm,擋渣堰下沿距包底距離 500mm,導(dǎo)流壩高度 360mm,堰壩間距 300mm.優(yōu)化后中間包流場趨于合理,鋼液在中間包內(nèi)的停留時(shí)間延長,活塞流體積增大,死區(qū)體積減小.

連鑄;中間包;控流裝置;物理模擬

隨著對鋼材質(zhì)量要求的不斷提高,中間包冶金越來越受到冶金工作者的關(guān)注.中間包冶金效果與中間包內(nèi)流體流動(dòng)特性密切相關(guān),合理的中間包流場,對防止鋼液二次氧化、延長鋼液在中間包內(nèi)停留時(shí)間、促進(jìn)夾雜物上浮去除等具有重要的作用.為保證中間包冶金效果,通常采用在中間包內(nèi)設(shè)置擋渣堰、導(dǎo)流壩等控流裝置,以改善鋼液流動(dòng)狀態(tài),延長停留時(shí)間,促使夾雜物上浮[1～5].

本文以國內(nèi)某鋼廠雙流板坯連鑄中間包為研究對象,通過水力學(xué)物理模擬研究,采用正交試驗(yàn)方法,考察中間包內(nèi)擋渣堰、導(dǎo)流壩組合控流裝置對中間包流體流動(dòng)特性的影響,以期確定最佳控流組合方案,優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮中間包冶金效果.

1 試驗(yàn)原理及方法

1.1 試驗(yàn)原理

水模擬試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是相似原理,要求模型與原型幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、時(shí)間相似和動(dòng)力學(xué)相似 .鋼液在中間包內(nèi)的流動(dòng),可視為黏性不可壓縮流動(dòng),因此系統(tǒng)只要滿足模型與原型幾何相似和動(dòng)力學(xué)相似即可 .

根據(jù)中間包原型尺寸及試驗(yàn)室現(xiàn)有條件,選取中間包模型與原型的幾何相似比為 =1∶3.根據(jù) Sahai和 Bural[6]的計(jì)算研究和 Koria和Singh[7]的試驗(yàn)研究結(jié)果,中間包不論幾何形狀和尺寸大小,流動(dòng)過程的湍流 R e數(shù)都是十分相近的 .因此本研究只保證模型與原型的 Fr數(shù)相等即可 ,即 ,

式中,g為重力加速度,m/s2;Lm,Lr分別代表模型、原型的特征長度,m;Vm,Vr分別代表模型、原型的特征速度,m/s.

1.2 試驗(yàn)裝置

中間包模型與原型幾何相似比為 1:3,模型用有機(jī)玻璃制成 .其試驗(yàn)裝置如圖 1所示 .

圖 1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schem a tic d iag ram o f sim u la tiontesting facilities

1.3 試驗(yàn)方法

采用刺激 -響應(yīng)試驗(yàn)法測定流體在中間包內(nèi)停留時(shí)間分布 RTD曲線 .通過 RTD曲線,可直接得到從開始加入示蹤劑到示蹤劑流至中間包水口時(shí)的最小停留時(shí)間 tmin（又稱響應(yīng)時(shí)間）,以及示蹤劑濃度達(dá)到最大時(shí)的峰值時(shí)間 tmax.經(jīng)計(jì)算可得到各流體微元在中間包內(nèi)的實(shí)際平均停留時(shí)間 tav.采用 Sahai等[8]提出的修正混合流動(dòng)模型來計(jì)算活塞流、全混流及死區(qū)的體積分率 .

1.4 試驗(yàn)方案

采用“正交試驗(yàn)法”,將影響其流場的結(jié)構(gòu)參數(shù):擋渣堰距注入流中心線距離 a、堰壩間距 b、擋渣堰下沿距包底距離 c、導(dǎo)流壩高度 d每個(gè)因素各取 3個(gè)水平,選取標(biāo)準(zhǔn)正交表 L9（34）設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案[9].試驗(yàn)方案如表 1所示 .

表 1 正交試驗(yàn)因素水平表 （mm）Tab le 1 Fac to rs and leve ls o f o rthogona lexpe rim en t mm

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 中間包不設(shè)控流裝置的模擬試驗(yàn)結(jié)果與討論

中間包無控流裝置的水模擬試驗(yàn)結(jié)果如表 2所示.

從表 2可知,中間包未采用控流裝置時(shí),流體在中間包內(nèi)停留時(shí)間、死區(qū)體積分率Vd/V及混合區(qū)體積分率Vm/V等指標(biāo)都不理想 .中間包流場顯示試驗(yàn)表明,大包注流經(jīng)長水口注入中間包后,與包底發(fā)生碰撞,形成水平流動(dòng),向四周鋪展.一部分流體沿中間包包底徑直流向水口,形成短路流 .另一部分流體與中間包包壁接觸后折向上方流動(dòng),形成回流.中間包液面擾動(dòng)較大,注流區(qū)流體對中間包包壁沖刷嚴(yán)重.以上結(jié)果表明,無控流裝置的中間包不利于夾雜物的上浮去除,而且由于液面波動(dòng)過大,將導(dǎo)致鋼液二次氧化嚴(yán)重,以及包壁耐火材料的沖刷侵蝕,將嚴(yán)重污染鋼液及降低中間包使用壽命.因此有必要采取適當(dāng)?shù)目亓餮b置改善中間包流體流動(dòng)形態(tài),提高鋼液潔凈度水平.

表 2 中間包無控流裝置的試驗(yàn)結(jié)果Tab le 2 Expe rim en ta l resu lts o f tund ish w ithou t flow con tro ldevices

2.2 堰壩組合正交試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn),利用正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析確定影響因子的主次順序,得出較優(yōu)的因子位級組合方案.采用擋渣堰、導(dǎo)流壩的中間包正交試驗(yàn)結(jié)果及其極差分析如表 3所示.

由試驗(yàn)結(jié)果極差分析,可以得出各因素對平均停留時(shí)間以及死區(qū)體積分率的影響主次順序,確定優(yōu)化組合方案:各因素對平均停留時(shí)間的影響主次順序?yàn)?b,d,c,a,確定優(yōu)化組合為a1b3c2d2;各因素對死區(qū)體積分率的影響主次順序同樣為 b,d,c,a,優(yōu)化組合方案為 a3b1d3c3.綜合考慮各因素對流體在中間包內(nèi)平均停留時(shí)間以及死區(qū)體積分率的影響,可知因素 b,d對各指標(biāo)影響最大,因素 a,c影響較小.同時(shí)考慮到中間包死區(qū)體積對夾雜物的去除以及中間包熱損失有較大的影響,因此將其作為主要衡量指標(biāo).初步確定優(yōu)化組合為 a3b1d3c3.

2.3 優(yōu)化方案驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由正交試驗(yàn)所得優(yōu)化組合方案的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表 4所示.

表 3 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析Tab le 3 Expe rim en ta l resu lts and range ana lysis o fo rthogona lexpe rim en t

表 4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab le 4 Expe rim en ta l resu lts o f ve rifica tion expe rim en t

從表 4所示結(jié)果可以看出,試驗(yàn)所得出的堰、壩優(yōu)化組合控流方案其流體特征綜合指標(biāo)在所有方案中是最好的,特別是死區(qū)體積分率這個(gè)重要的考察指標(biāo)有大幅度的降低.而且從試驗(yàn)結(jié)果極差分析可知,因素 b對流體在中間包平均停留時(shí)間以及死區(qū)體積分率影響最大.而且隨著 b值的減小,即堰、壩間距的縮小,死區(qū)體積分率基本呈直線下降趨勢.因此對試驗(yàn)所得出的優(yōu)化組合方案作進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn),其基本思路是在所確定的優(yōu)化組合方案的基礎(chǔ)上,縮小堰壩間距 （對應(yīng)于原型其距離由 300 mm縮小到 200mm）,而保持其他因素現(xiàn)有水平不變.試驗(yàn)結(jié)果如表 5所示.

表 5 進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果Tab le 5 Resu lts o f fa rthe rop tim ized expe rim en t

由表 5所示結(jié)果可知,繼續(xù)縮小堰、壩間距不能起到進(jìn)一步改善中間包流場的效果.分析認(rèn)為,堰、壩間距過小,注流區(qū)沿包底鋪展流動(dòng)的流體與導(dǎo)流壩碰撞接觸后,改變方向急速向上流動(dòng),流至出水口處被抽引直接流出中間包,從而導(dǎo)致流體在中間包內(nèi)停留時(shí)間縮短,導(dǎo)流壩與出水口之間的死區(qū)體積增大.

3 結(jié) 論

通過正交設(shè)計(jì)對中間包水模擬試驗(yàn),得出以下幾條結(jié)論:

（1）中間包不設(shè)控流裝置,流體流動(dòng)狀態(tài)不理想,響應(yīng)時(shí)間及平均停留時(shí)間短,死區(qū)體積大,不利于發(fā)揮中間包冶金功能;

（2）采用正交試驗(yàn)通過極差分析得到影響中間包內(nèi)流場主次因素:堰壩間距 b>導(dǎo)流壩高度 d>擋渣堰下沿距包底距離 c>擋渣堰距注入流中心線距離 a.得到的中間包優(yōu)化控流組合方案為:擋渣堰距注入流中心線距離為 1 200mm,擋渣堰下沿距包底距離為 500mm,導(dǎo)流壩高度 360mm,堰壩間距 300mm.

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明,中間包采用優(yōu)化控流組合方案,中間包內(nèi)流體的流動(dòng)特性有較大幅度改善,活塞流體積分率增大,死區(qū)體積減小.

（4）采用正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法,進(jìn)行中間包水模擬試驗(yàn),可確定影響中間包流場的主要因素.

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Physica l sim u la tion of flow con tro l dev ices in tund ish

ZHANG Jing-li1,YAN Zheng-guo2,YU Jing-kun2
（1.Techno logy Cen ter,China FirstH eavy Industries,Q iqihaer 161042,Ch ina;2.Schoo lofM aterialand M etallu rgy,N o rtheastern U n iversity,Shenyang 11004,China）

The physicalm odel of 1∶3 w as estab lished based on the sim ilarity theo ry,and the effects of dam and w eir on the flow field in the tund ishw ere investigated by o rthogonalexperim en ts.The research resu ltsshow ed that the space betw een dam and w eirw as the key facto r influencing the flow field,and the op tim um structu re in the tund ish w as ob tained as fo llow s.The d istance from w eir to in letw as 1200mm,the underside ofw eir to bo ttom of tund ish w as 500mm,the heigh t of dam w as 360mm,and the space betw een w eir and dam w as 300mm.A fter op tim ization,the residence tim e ofm o lten steel in the tund ish w asp ro longed,the vo lum e fraction of p iston zonew as increased,w hile the vo lum e fraction o f dead zonew as decreased.

con tinuous casting; tund ish;flow con tro l devices;physical sim u lation

TF 777.1

A

1671-6620（2010）01-0018-04

2010-02-05.

張景利 （1961—）,男,黑龍江齊齊哈爾人,中國第一重型機(jī)械集團(tuán)工程師,E-m ail:zhang.jingli@126.com;于景坤（1960—）,男,遼寧康平人,東北大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.