27中間包停留時(shí)間分布模型的討論9-1

1、1中間包冶金潔凈化技術(shù)（中間包冶金潔凈化技術(shù)（part1）—中間包停留時(shí)間分布模型的討論中間包停留時(shí)間分布模型的討論潘宏偉1程樹森1程子建12（1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京1000832.酒鋼（集團(tuán)）宏興鋼鐵股份有限公司甘肅嘉峪關(guān)735100）摘要：摘要：中間包冶金是連鑄工藝的重要環(huán)節(jié)之一，與潔凈鋼技術(shù)緊密相連。目前，評(píng)價(jià)中間包設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便有效的方法是計(jì)算各區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)，包括活塞區(qū)，返混區(qū)，短路流和死區(qū)。到現(xiàn)在為止，各區(qū)域體積

2、分?jǐn)?shù)主要是通過(guò)分析停留時(shí)間分布（RTD）曲線得到的。自常用的修正混合模型和綜合模型提出后，很少有冶金工作者對(duì)其適用性和正確性予以研究，本文指出并驗(yàn)證了這兩種模型的不足。模型主要有如下兩點(diǎn)不足：（1）將死區(qū)體積分?jǐn)?shù)定義為是不適宜的，因?yàn)樗v??1沒有準(zhǔn)確描述死區(qū)的概念——流體停留時(shí)間超過(guò)平均停留時(shí)間兩倍以上的區(qū)域，因此沒有體現(xiàn)死區(qū)的本質(zhì)特性，并且在有些情況下，利用該式計(jì)算得到的死區(qū)體積分?jǐn)?shù)為負(fù)數(shù)；（2）將活塞區(qū)的體積分?jǐn)?shù)定義為或者是也

3、是)(21maxmin???min?不適宜的，因?yàn)橥瑯邮艿椒祷靺^(qū)域的影響，并且方差計(jì)算結(jié)果表明，在和數(shù)值相等的條件下，活塞區(qū)min?2?min?max?的體積分?jǐn)?shù)也不一定相等。本文在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)上述模型進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證，證實(shí)了采用當(dāng)前現(xiàn)有的模型來(lái)計(jì)算中間包各區(qū)域體積分?jǐn)?shù)是不合理的，因而，利用其結(jié)果指導(dǎo)中間包設(shè)計(jì)和中間包冶金工藝是不可靠的。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：中間包，停留時(shí)間分布（RTD），死區(qū)，返混區(qū)，數(shù)值模擬PurifyingTe

4、chnologyintheTundishMetallurgy(partA)－DiscussionabouttheModelofResidualTimeDistributionfTundishPANHongwei1，CHENGShusen1CHENGZijian12(SchoolofMetallurgicalEcologicalEngineeringUniversityofScienceTechnologyBeijingBeijing10

5、0083China2.HongxingStockCompanyofJiugangJiayuguan735100GansuChina)Abstract:tundishmetallurgyiscriticalincontinuouscastingprocessithasmuchtodowiththecleansteeltechnology.themosteffectiveconvenientwaytoevaluatethetundishde

6、signingtundishmetallurgyistocalculatedifferentregions’volumefractioninthetundishsuchasplugflowregionbackmixflowregionbypassflowregiondeadregion.Tillnowthiscanonlybesolvedthroughsomecalculationmodelsbasedontheanalysisofre

7、sidualtimedistribution(RTD)curveRTDisreferredfromchemicalreactionengineering.ButRTDisfarawayfrommetallurgyfielditcoverscomplicatedmathematicalcalculationanalysisfewmetallurgistsdofurtherresearchaboutitsapplicabilitycrect

8、nesssincemodifiedmixedmodelcombinedmodelareproposedwhicharewidelyusedintundishmetallurgy.Inthispapertheshtcomingofthesetwocalculationmodelsarepointedoutexplained.Thenitfindsthatitisnotreasonabletodefinethedeadregion’svol

9、umefractionequalstoav??1becausethisequationdoesn’tdefinitelydescribethedefinitionofdeadregionwhichisdefinedtheregionwheretracersspendmethantwicemeanresidualtimesothisequationdoesnotacterizethepropertyofdeadregion.Insomec

10、aseminusvalueofthedeadregion’svolumefractionisobtainedifthisequationisadopteditisalsonotreasonabletodefineplugflow’svolumefractionequalstobecauseisalsoinfluencedbybackmixflow.Evenwhenhasthe)(21maxmin???min?min?min?max?sa

11、mevaluetheplugflowvolumefractionisdifferentaccdingtovariance.Theninthispaperthesetwomodelsarefurther2?provedbasedonmathematicalsimulationitsuggeststhatitisnotsuitabletocalculatethedifferentregions’volumefractionintundish

12、throughthepresentmodelsavailableitisnotreliabletousetheresultstoguidethetundishdesigningtundishmetallurgyprocess.Atlastitsuggeststhatanothernewcalculationmodelshouldbeattemptedtocalculatethedifferentregions’volumefractio

13、ninthetundish.Keywds:tundishresidualtimedistribution（RTD）deadregionbackmixregionmathematicalsimulation程樹森（1966），博士生導(dǎo)師，Email：.，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，編號(hào)：60672145潘宏偉（1984），博士研究生Email：pan5025@3圖2RTD曲線舉例Fig.2Schematicdiagramofsimplified

14、RTDcurve2.2針對(duì)多流中間包的聯(lián)合模型鄭淑國(guó)在2006年提出了計(jì)算多流中間包內(nèi)不同區(qū)域體積分?jǐn)?shù)的模型。在這之前，沒有公認(rèn)的模型來(lái)計(jì)算多流中間包的情況。然而該模型主要基于Sahai的聯(lián)合模型，不同區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)取值于各流股之間的均值，所以，該模型可能繼承了原模型的缺陷。2.3鐘良才使用的模型2007年，鐘良才將針對(duì)單流中間包的修正混合模型和聯(lián)合模型同時(shí)應(yīng)用于多流中間包。但是，其結(jié)果顯示，各流返混區(qū)的體積之和大于100%。并且，該模

15、型可能同時(shí)繼承了原始模型的不足。值得提及，利用計(jì)算活塞區(qū)的體積是不min?合理的。因?yàn)榈娜≈低瑯邮艿椒祷靺^(qū)域的影min?響，返混區(qū)域越大，部分流體流出得更早或更晚，其流體的停留時(shí)間分布也越寬。也就是說(shuō)，當(dāng)流體流出較早時(shí)，表明流體在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間較短，対應(yīng)地，停留時(shí)間分布（RTD）曲線也就有更小的最小響應(yīng)時(shí)間。基于同樣原因，min?如果將活塞區(qū)的體積定義為：，也不合理。)(21axminmpVV????再者，上述計(jì)算模型中計(jì)算死區(qū)體積時(shí)

16、均沒有體現(xiàn)出其特性：示蹤劑停留時(shí)間超過(guò)平均停留時(shí)間2倍以上的區(qū)域。然而，模型中把實(shí)際停留時(shí)間比理論停留時(shí)間小的原因僅僅歸結(jié)于死區(qū)的存在，這也不合理。3討論針對(duì)某廠實(shí)際中的兩種不同設(shè)計(jì)理念的中間包進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別命名為1號(hào)中間包和2號(hào)中間包。如圖3(1)所示，描述了1#中間包流場(chǎng)中的流線（頂部視角），從中可以看到，流體流出擋墻上的溢流孔后，產(chǎn)生了一大一小的漩渦，形成較大的返混區(qū)域，從圖3(2)中的水平速度矢量圖可以進(jìn)一步證實(shí)（箭頭方向

17、表示速度方向，箭頭長(zhǎng)度表示其大?。谳^大的返混區(qū)域內(nèi)，由于其循環(huán)返混運(yùn)動(dòng)，示蹤劑將會(huì)形成較寬區(qū)間的停留時(shí)間分布，進(jìn)而與理想的活塞流有很大偏差。但是，對(duì)于圖4(1)，描述了2#中間包內(nèi)與1#中間包不同的流線（前方視角），從中可以看到，流體流出溢流孔后，流向上部，然后沿著表面直接流向出口，因此這是一種強(qiáng)烈的活塞流流動(dòng)趨勢(shì)。圖4(2)顯示其穿過(guò)溢流孔后的水平速度場(chǎng)，在這張圖上幾乎沒有體現(xiàn)出返混區(qū)域。可以得到一個(gè)結(jié)論：對(duì)于1#中間包和2#中間

18、包，其流動(dòng)模式有很大差異。1#中間包呈現(xiàn)出返混流動(dòng)趨勢(shì)，2#中間包呈現(xiàn)出較強(qiáng)的活塞流動(dòng)趨勢(shì)。這種差異可以從圖5中的停留時(shí)間分布（RTD）曲線上反映出來(lái)。(1)流線示意圖(2)穿過(guò)溢流孔水平速度矢量圖(1)Diagramofstreamline(2)velocityfieldatthehizontalplanethroughspouthole圖3第1號(hào)中間包流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Fig.3calculationresultofflowfieldft