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        六流小方坯中間包流場優(yōu)化水模研究*

        2012-12-07 05:29:12錢凡楊文剛馬天飛于建賓劉國齊馬明鍇
        河南冶金 2012年5期
        關(guān)鍵詞:一致性實(shí)驗(yàn)

        錢凡 楊文剛 馬天飛 于建賓 劉國齊 馬明鍇

        (1.中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司;2.山東鋼鐵股份有限公司濟(jì)南分公司)

        六流小方坯中間包流場優(yōu)化水模研究*

        錢凡1楊文剛1馬天飛1于建賓1劉國齊1馬明鍇2

        (1.中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司;2.山東鋼鐵股份有限公司濟(jì)南分公司)

        為改善某鋼廠六流小方坯中間包鋼液流場,凈化中間包鋼水以及改善鋼水的溫度分布,通過合理設(shè)計(jì)正交水模試驗(yàn),考察各方案中間包死區(qū)體積、多流一致性等參數(shù),以及兩者的綜合指標(biāo),表明影響該中間包流場綜合特性的主次因素順序?yàn)?孔徑大小→導(dǎo)流孔傾角→擋墻位置→擋墻高度,其中導(dǎo)流孔徑55mm,向上傾角30°,擋壩距中端400 mm,高度250 mm,此方案流場較為合理。

        中間包 流場 水模 正交試驗(yàn)

        0 引言

        中間包是連接鋼包與結(jié)晶器之間的過渡容器,不僅是穩(wěn)壓、分配鋼液、保證鋼液連續(xù)澆鑄的緩沖容器,還是防止鋼渣進(jìn)入結(jié)晶器、去除鋼液中非金屬夾雜物、均勻鋼液溫度等保證鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備[1],利用物理模擬得到的停留時(shí)間分布(RTD)曲線分析中間包內(nèi)的流動(dòng)特性已成為優(yōu)化中間包流場及控流裝置的重要手段[2],其中,合理使用擋墻和

        擋壩是當(dāng)前改善中包內(nèi)鋼液流動(dòng)方式的常用途徑。本研究基于某鋼廠連鑄中間包澆鋼過程中遠(yuǎn)端水口出現(xiàn)結(jié)冷剛現(xiàn)象,在原U擋墻基礎(chǔ)上通過改進(jìn)導(dǎo)流孔及擋壩等措施后,發(fā)現(xiàn)其流場改善并不明顯,最后開展了V型擋墻結(jié)構(gòu)下相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對該中間包流場性能的影響研究,以期獲得一個(gè)最佳的流場方案。

        1 實(shí)驗(yàn)

        水模擬實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是相似原理,即模型與原型中液體流動(dòng)相似的基本條件是幾何相似和動(dòng)力相似。對于幾何相似,模型Lm和實(shí)際Lp的幾何相似比取Lm∶Lp=1∶4。對于動(dòng)力相似,要求模型和實(shí)型中的流體的雷諾準(zhǔn)數(shù)Re和付魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr分別相等[3]。但同時(shí)滿足模型和實(shí)型中的雷諾準(zhǔn)數(shù)和付魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)相等相當(dāng)困難,考慮到在此實(shí)驗(yàn)條件下,模型和實(shí)型中流體流動(dòng)狀態(tài)已處于第二自模化區(qū)。因此,該系統(tǒng)的流動(dòng)狀態(tài)及流速分布與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re無關(guān),只要保證與重力有關(guān)的付魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr相等即可達(dá)到動(dòng)力相似。由Fr準(zhǔn)數(shù)相等可以確定模型和原型中流體的速度、流量、平均停留時(shí)間的關(guān)系。可得:

        長度 Lm=λ·Lp,

        速度 Vm= λ1/2·Vp,

        流量 Qm=λ5/2·Qp

        式中:λ——幾何比例系數(shù),等于模型與原型的幾何尺寸之比;

        L——幾何尺寸;

        V——流速; Q——流量;

        m——模型; p——原型。

        1.1 測量方法及計(jì)算

        反應(yīng)器的停留時(shí)間分布,簡稱RTD曲線,反映了反應(yīng)器內(nèi)實(shí)際的流動(dòng)過程。RTD的測定通常采用在入口處加入一定濃度的刺激信號,并在出口處測定出口濃度隨時(shí)間變化,稱為刺激-響應(yīng)法。在中間包的模型中,隨著鋼包注流注入一定劑量的示蹤劑KCl溶液,用刺激-響應(yīng)實(shí)驗(yàn)法描繪濃度C和時(shí)間t的RTD曲線,從而得出滯止時(shí)間tmin(進(jìn)入反應(yīng)器的流體微元的最短時(shí)間,即從加入脈沖信號開始時(shí)間到反應(yīng)器出口得到響應(yīng)時(shí)的最短時(shí)間,濃度達(dá)到最大的時(shí)間)、峰值時(shí)間tmax及計(jì)算得出流體平均停留時(shí)間tf,死區(qū)體積Vd,活塞區(qū)體積Vp和混合區(qū)體積Vm,實(shí)驗(yàn)采用鄭淑國等人所提出分析模型來計(jì)算各區(qū)的體積分?jǐn)?shù)[4],具體到本實(shí)驗(yàn)所測的三個(gè)流則有:

        timin——各流示蹤劑的響應(yīng)時(shí)間;

        ci(t)——在采樣時(shí)間點(diǎn)為t時(shí)各流的濃度值;

        V—實(shí)驗(yàn)時(shí)中間包內(nèi)水的體積。

        原則上,從熱量的角度考慮,好的各流流動(dòng)特性的一致性能保證中間包各流有均勻的鋼液清潔度和鋼水溫度,這樣才能獲得高潔凈度的鋼水和保證中間包連鑄生產(chǎn)的順行。本研究采來定量分析多流中間包各流流物特性的一致性[5-6]。即:

        ci(θj)——在采樣時(shí)間點(diǎn)為 θj時(shí)各流的無因次濃度值(i=1~3,j=1~Z);

        θj——RTD曲線的第j個(gè)無因次采樣時(shí)間點(diǎn);Z是采樣時(shí)間點(diǎn)的總數(shù);

        ˉc(θj)——在采樣時(shí)間點(diǎn)為 θj時(shí)各流無因次濃度的平均值。

        ˉS3越小,多流中間包各流流動(dòng)特性的一致性越好。

        1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

        實(shí)驗(yàn)裝置包括中間包模型、示蹤劑加入裝置、大包注流水口、中間包內(nèi)控流裝置、電導(dǎo)儀、dj800水量工程測量儀,計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)等(如圖1所示)。

        中間包死區(qū)體積和多流一致特性是衡量中間包流場合理性的兩項(xiàng)重要的指標(biāo),結(jié)合這兩個(gè)指標(biāo),綜合考察流場的合理性,提出綜合評價(jià)指數(shù)R,計(jì)算公式為:

        圖1 實(shí)驗(yàn)裝置試驗(yàn)圖

        2 實(shí)驗(yàn)方案

        本研究基于某鋼廠連鑄中間包澆鋼過程中容易遠(yuǎn)端水口出現(xiàn)結(jié)冷剛現(xiàn)象,在原U型擋墻基礎(chǔ)上通過改進(jìn)導(dǎo)流孔及擋壩等措施后,發(fā)現(xiàn)其流場改善并不明顯,最后在原中間包內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一尺寸合理的V型結(jié)構(gòu)擋墻,該中間包及擋墻結(jié)構(gòu)及主要尺寸如圖2所示(圖中L為擋墻距中端水口距離,d為導(dǎo)流孔直徑)。

        圖2 中間包結(jié)構(gòu)及其主要尺寸

        本實(shí)驗(yàn)開展了該結(jié)構(gòu)擋墻下相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對該中間包流場性能的影響研究。通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)方案(見表1和表2),研究擋墻導(dǎo)流孔直徑、傾角、擋壩位置及高度對中間包流場的影響,實(shí)驗(yàn)選擇了導(dǎo)流孔直徑,導(dǎo)流孔傾角、擋壩位置、擋壩高度四個(gè)因素,每個(gè)因素對應(yīng)3個(gè)水平,共9組實(shí)驗(yàn)。

        表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

        表2 實(shí)驗(yàn)因素和水平

        3 結(jié)果分析

        根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)結(jié)果,對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析,分析不同因素(導(dǎo)流孔直徑、導(dǎo)流孔傾角、擋壩位置、擋壩高度)對流場相關(guān)參數(shù)的影響,以期得到最好的實(shí)驗(yàn)組合方案條件。并對正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,考察各因素對死區(qū)體積分?jǐn)?shù)和多流一致性方差、流場特性綜合指數(shù)影響的顯著性,以及影響程度的大小順序。

        表3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

        3.1 考察死區(qū)體積分?jǐn)?shù)直觀分析

        考察死區(qū)體積分?jǐn)?shù)的直觀分析見表4,可以看出,最佳組合d1θ3l2h3。由于極差的大小可知,對死區(qū)體積影響最顯著的因素為孔直徑的大小,其次為導(dǎo)流孔的傾角,再次為擋墻位置,最后為擋墻高度。

        表4 考察死區(qū)體積分?jǐn)?shù)的直觀分析表

        考察死區(qū)體積分?jǐn)?shù)的方差分析見表5,可以看出,四種因素F比都沒有大于F的臨界值,都沒有達(dá)到顯著性的程度,但是依然可以從F的大小看出影響死區(qū)體積分?jǐn)?shù)的因素影響程度和先后水平。影響程度根據(jù)先后順序可以表示為:孔徑大小→導(dǎo)流孔傾角→擋墻位置→擋墻高度。與直觀分析得到的結(jié)果是一樣的。

        表5 考察死區(qū)體積分?jǐn)?shù)的方差分析表

        3.2 考察各流一致性直觀分析

        考察各流一致性的直觀分析見表6,可以看出,最佳組合θ2l1d1h2。根據(jù)極差大小分析得,影響各流一致特性最顯著的因素為導(dǎo)流孔的傾角和擋墻位置,其次為孔直徑的大小,再次為擋墻高度。

        考察各流一致性的方差分析見表7,可以看出,四種因素F比都沒有大于F的臨界值,都沒有達(dá)到顯著性的程度,但是依然可以從F的大小看出影響各流一致性的因素影響程度和先后水平。影響程度根據(jù)先后順序可以表示為:導(dǎo)流孔傾角→擋墻位置→孔徑大小→擋墻高度,與直觀分析得到的結(jié)果是一樣的。

        表6 考察各流一致性的直觀分析表

        表7 考察各流一致性的方差分析表

        3.3 綜合指數(shù)考察

        考察綜合指數(shù)的直觀分析見表8,可以看出,最佳組合水平為:d1θ3l2h2。根據(jù)極差大小分析得,影響流場綜合指數(shù)最顯著的因素為導(dǎo)流孔直徑,其次為導(dǎo)流孔的傾角,再次擋墻位置,最后為擋墻高度。

        表8 考察綜合指數(shù)的直觀分析表

        考察綜合指數(shù)的方差分析見表9,可以看出,四種因素F比都沒有大于F的臨界值,都沒有達(dá)到顯著性的程度,但是依然可以從F的大小看出影響流場綜合特性的因素影響程度和先后水平,影響程度根據(jù)先后順序可以表示為:導(dǎo)流管直徑→導(dǎo)流孔傾角→檔壩距離→檔壩高度。

        表9 考察綜合指數(shù)的方差分析表

        4 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

        從上述正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以獲得幾組最佳的水平組合,以綜合指數(shù)為主要考察依據(jù),對最佳的一組優(yōu)化實(shí)驗(yàn)d1θ3l2h2進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表10,該方案RTD曲線如圖3所示。

        表10 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

        圖3 RTD曲線

        由圖3可以看出,曲線變得平滑緩和,活塞區(qū)體積比例的增加,有利于夾雜物的上浮。同時(shí)各流曲線流動(dòng)特征比較相似,各流流動(dòng)特性一致性較好。

        設(shè)置V型擋墻,沖擊區(qū)容積變大,所以示蹤劑溶液從鋼包長水口流出后在沖擊區(qū)的混勻時(shí)間變長,由于兩個(gè)孔洞都是向上的傾角,由圖4流場照片可以看出示蹤劑溶液通過擋墻后向鋼液面移動(dòng),有利于夾雜物的上浮吸收。隨后墨水在鋼液面附近鋪展開并在2號水口上方向下移動(dòng)并混勻。2號、3號水口基本同時(shí)有墨水流入,95 s后中間包內(nèi)基本混勻,看不到有清水存在,說明此時(shí)已經(jīng)無死區(qū)存在。

        圖4 流場照片

        5 結(jié)論

        1)影響六流中間包流場 綜合特性的主次因素順序?yàn)?導(dǎo)流管直徑→導(dǎo)流孔傾角→檔壩位置→檔壩高度。

        2)對正交實(shí)驗(yàn)得出的優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證,得出導(dǎo)流孔直徑55 mm、向上傾角30°、距中端400 mm位置設(shè)置高度250 mm擋壩時(shí)流場最為合理。在此方案下,中間包內(nèi)的鋼液平均停留時(shí)間延長,死區(qū)較小,能形成有利于夾雜物上浮,各流趨于均勻的流動(dòng)形態(tài)。

        [1]王建軍,包燕平,曲英.中間包冶金學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001:4 -5.

        [2]樊俊飛,張清朗,朱苗勇,雷洪,王文忠.六流T型連鑄中間包內(nèi)控流裝置優(yōu)化的水模型研究[J].鋼鐵,1998,33(5):24-28.

        [3]王建軍,戴朝珊,周俐.板坯中間包鋼水流動(dòng)的熱態(tài)水模[J].金屬學(xué)報(bào),1997,33(5):509 -514.

        [4]鄭淑國,朱苗勇.多流連鑄中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)特性的分析模型[J].金屬學(xué)報(bào),2005,41(10):1073 -1076.

        [5]ZhengShuguo,Zhu Miao yong.Optimization of Baffles in a Six Strand Round Bloom Continuous Casting Tundish:a Physical Modeling Study[J].Ironmaking and Steelmaking,2006,33(5):398.

        [6]鄭淑國,朱苗勇.多流連鑄中間包各流流動(dòng)特性一致性的判別[J].過程工程學(xué)報(bào),2006,6(4):522 -526.

        WATER MODEL EXPERIMENT ON 6-STRAND BILLET TUNDISH FLOW FIELD OPTIMIZATION

        Qian Fan1Yang Wengang1Ma Tianfei1Yu Jianbin1Liu Guoqi1Ma Mingkai2
        (1.Luoyang Refractory Research Co.,Ltd.Sinosteel;2.Jinan Iron and Steel Co.,Ltd.Shandong Group)

        In order to solve the problems of the uneven distribution and high temperature difference of the molten steel among nozzles of the U shaped wall tundish,we do the water model experiment with the V shaped wall tundish,The orthogonal experiment indicated that signficant factors of flow field with the V shaped wall tundish in sequence is hole diameter>deflector angle>dam position > dam height.When hole diameter is 50 mm,deflector angle is 30°,dam height is 250 mm and 400 mm far away from middle strand nozzle,flow field of which is much better.

        tundish flow field water model orthogonal experiment

        *聯(lián)系人:錢凡,碩士,助理工程師,河南.洛陽(471039),中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院研發(fā)中心;

        2012—6—11

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