趙 巖,張秀香,楊 濱,3

(1.東北大學 冶金學院,遼寧 沈陽 110819; 2.本鋼板材股份有限公司,遼寧 本溪 117000;3.遼寧省沈陽市東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110819)

作為連接鋼包和結(jié)晶器的過渡冶金反應器，中間包承擔著存儲鋼液、給結(jié)晶器分配鋼液、保證多鋼包連續(xù)澆鑄的任務(wù)。中間包內(nèi)的鋼液流動行為直接影響著鋼水中夾雜物的去除、鋼液的溫度控制等諸多冶金傳輸行為[1-5]，一直是冶金工作者的研究重點。

為了深入地探究中間包內(nèi)鋼液流動行為，分析中間包流場或中間包停留時間分布曲線(簡稱RTD曲線)是常用的兩種方法。數(shù)值模擬可以獲得中間包流場和中間包RTD曲線，但是此方法需要研究者具備較強的計算流體力學背景和較好的計算機硬件條件。相對于數(shù)值模擬而言，水模型實驗則相對容易，已經(jīng)成為中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的必要手段。

湍流控制器和多孔擋墻已經(jīng)成為多流中間包中常見的控流裝置，但是其對中間包流體流動特性的影響尚不清晰。因此，本文以三流中間包為例，利用水力學模型實驗獲得湍流控制器和多孔擋墻下中間包RTD曲線，并利用經(jīng)典組合方法分析了其流動特性，試圖明確湍流控制器和多孔擋墻的冶金效果。

1 水力學模型的建立

以三流中間包為研究對象，從相似原理出發(fā)，采用透明的有機玻璃建立了幾何相似比為1∶2的水力學模型，如圖1所示?？紤]到中間包內(nèi)流體流動以慣性力為主，因此選擇弗魯?shù)聹蕯?shù)作為相似準數(shù)。

圖1 三流中間包水模型

(1)

這樣，水力學模型和現(xiàn)場原模型的物理參數(shù)需要滿足以下等式：

(2)

式中：下角標m和p分別代表示水力學模型和現(xiàn)場原模型。

將λ=Lm/Lp定義為幾何相似比。在本實驗中，相似比λ取1/2，水力學模型尺寸如圖1所示。那么本實驗中間包水力學模型和現(xiàn)場原模型中流體速度u和流量Q需要滿足下式：

(3)

(4)

那么水力學模型中流體流量為0.3 kg/s，中間包的理論停留時間為752 s。

2 中間包停留時間分布曲線

中間包停留時間分布曲線是進行中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的依據(jù)。在中間包水力學模型中，采用脈沖方式在鋼包長水口處加入200 mL飽和NaCl溶液，同時在中間包三個出口處采用DJS-1C型電導電極測量出口處流體的NaCl濃度。這樣所獲得的中間包出口處NaCl濃度C隨時間t的變化曲線就是中間包停留時間分布曲線(簡稱RTD曲線)。

根據(jù)冶金反應工程理論可知，對于盛裝鋼液體積為V流量為F的中間包，理論停留時間的計算式為

τ=V/F

(5)

中間包平均停留時間為

(6)

這樣，無量綱時間可定義為

θ=t/τ

(7)

示蹤劑的無量綱濃度為

(8)

中間包的死區(qū)體積分率Vd、活塞區(qū)體積分率Vp和全混區(qū)體積分率Vm的計算式可以分別為

(9)

(10)

Vm=1-Vd-Vp

(11)

式中：tmin為RTD曲線的最小響應時間，tmax為RTD曲線的濃度峰值時間。

3 結(jié)果與討論

圖2～圖4分別是不同工況下的三流中間包RTD曲線。圖2表明，當中間包內(nèi)不安裝控流裝置時，中間包的三個出口處示蹤劑濃度在3～18 s內(nèi)陸續(xù)開始上升，在5～25 s內(nèi)陸續(xù)達到濃度最大值，無量綱濃度的最大值在4.8～5.2。圖3表明，當中間包內(nèi)安裝湍流控制器后，最小響應時間和濃度峰值時間明顯滯后，無量綱峰值濃度也上升。中間包的三個出口處示蹤劑濃度在18～33 s內(nèi)陸續(xù)開始上升，在27～47 s內(nèi)陸續(xù)達到濃度最大值，無量綱濃度的最大值在6.1～7.4。圖3表明，當中間包內(nèi)安裝湍流控制器和多孔擋墻后，最小響應時間和濃度峰值時間進一步滯后，無量綱峰值濃度下降明顯。中間包的三個出口處示蹤劑濃度在33～39 s內(nèi)陸續(xù)開始上升，在87～217 s內(nèi)陸續(xù)達到濃度最大值，無量綱濃度的最大值在1.1～1.7。

圖2 無控流裝置的中間包RTD曲線

圖3 安裝湍流控制器的中間包RTD曲線

圖4 安裝湍流控制器和多孔直擋墻的中間包RTD曲線

表1給出圖2～圖4中RTD曲線的分析結(jié)果。當中間包內(nèi)不安裝控流裝置時，三個出口的平均停留時間的平均值為473 s；活塞區(qū)體積分率為1.5%，死區(qū)體積分率為37.1%。當中間包內(nèi)安裝湍流控制器后，三個出口的平均停留時間的平均值下降為289 s；活塞區(qū)體積分率上升為4.2%，死區(qū)體積分率上升為61.6%。當中間包內(nèi)安裝湍流控制器和多孔擋墻后，三個出口的平均停留時間的平均值上升為518 s；活塞區(qū)體積分率上升為14%，死區(qū)體積分率下降為31%。因此，在中間包內(nèi)應同時安裝湍流控制器和多孔擋墻。

表1 三流中間包RTD曲線分析結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)在中間包內(nèi)安裝湍流控制器有助于提高活塞區(qū)體積，但是死區(qū)體積也增大。

(2)在中間包內(nèi)安裝湍流控制器和多孔擋墻有助于提高活塞區(qū)體積，也有利于減小死區(qū)體積。

(3)中間包內(nèi)不安裝控流裝置或僅安裝湍流控制器，中間包RTD曲線形狀為細長型；而在中間包內(nèi)安裝湍流控制器和多孔擋墻后，中間包RTD曲線形狀為矮胖型。