31計(jì)算中間包內(nèi)各區(qū)域體積分?jǐn)?shù)的新方法9-1

1、中間包冶金潔凈化技術(shù)（中間包冶金潔凈化技術(shù)（part2）——計(jì)算中間包內(nèi)各區(qū)域體積分?jǐn)?shù)的新模型計(jì)算中間包內(nèi)各區(qū)域體積分?jǐn)?shù)的新模型潘宏偉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：至今，單流中間包中各區(qū)域體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法應(yīng)用成熟，但存在不足之處。多流中間包內(nèi)各區(qū)域體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法少有研究，這都制約著中間包設(shè)計(jì)和中間包冶金的發(fā)展。本文

2、對(duì)停留時(shí)間分布（RTD）概念在冶金中的應(yīng)用作了進(jìn)一步研究，同時(shí)針對(duì)單流和多流中間包的情況。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，嘗試提出新的計(jì)算中間包內(nèi)各區(qū)域體積分?jǐn)?shù)的方法，提出了處理停留時(shí)間分布曲線的標(biāo)準(zhǔn)，這將有利于停留時(shí)間分布概念在冶金領(lǐng)域中的應(yīng)用。新的方法中進(jìn)一步明確了中間包內(nèi)不同區(qū)域的概念，并明確了“死區(qū)”概念，認(rèn)為死區(qū)的定義可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行修正。新的模型可以敏感地區(qū)分中間包內(nèi)不同的流動(dòng)方式。特別地，模型可以同時(shí)適用于單流中間包和多流中間包，

3、而當(dāng)前現(xiàn)有的模型則不能做到。新方法還考慮到了對(duì)中間包冶金十分關(guān)鍵的短路流，并可以計(jì)算其體積分?jǐn)?shù)，但前人提出的方法不能計(jì)算。因此，新的模型將更完整、更合理地計(jì)算中間包內(nèi)各區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)而評(píng)估和改進(jìn)中間包設(shè)計(jì)和中間包冶金技術(shù)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：中間包，停留時(shí)間分布，計(jì)算模型，數(shù)值模擬，中間包設(shè)計(jì)，中間包冶金PurifyingTechnologyintheTundishMetallurgy(partB)－ANewApproachtoCalcu

4、latetheDifferentRegions’VolumeFractioninTundishPANHongwei1，CHENGShusen1CHENGZijian12(1.SchoolofMetallurgicalEcologicalEngineeringUniversityofScienceTechnologyBeijingBeijing100083China2.HongxingStockCompanyofJiugangJiayug

5、uan735100GansuChina)Abstract:Sofartherearetwowidelyusedapproachestocalculatedifferentregions’volumefractionfsinglestrtundishbuttheyareprovedtohavesomelimitation.Fewpeopledoresearchaboutapproachofcalculatingdifferentregio

6、ns’volumefractionfmultistrtundish.Thesewillgreatlyinhibitthedevelopmentoftundishdesigningtundishmetallurgy.Inthispaperfurtherstudyabouttheapplicationofresidualtimedistribution(RTD)conceptintundishmetallurgicalfieldiscarr

7、iedonincludingthecaseofsinglestrtundishthecaseofmultistrtundish.Thenbasingonmathematicalsimulationacompletelynewcalculationapproachisattemptedtoproposefthefirsttimeitiseasytocalculatethedifferentregions’volumefractionint

8、undish.InthenewapproachthestardofhowtodealwithRTDcurveisproposeddefinitelyitismuchcompletehelpfultotheapplicationofRTDconceptinmetallurgyfield.Definitionofallregionsintundishflowfieldarefurtherspecifiedinthenewapproaches

9、peciallydeadregion’sdefinitionismademeclearwhichconceptisalwaysambiguousfpeoplebefeitcanbeadaptabletoredefineaccdingtheactualdem.Newlyproposedapproachcandistinguishdifferentflowpatternssensitively.Especiallynewapproachis

10、suitablefbothofsinglestrtundishmultistrstundishbutnootherapproachcandoitsofar.What’smenewapproachhasconsiderthebypassflowwhichiscriticalftundishmetallurgynewapproachisabletocalculatethebypassflow’svolumefractionnootherap

11、proachcandoitsofar.Sonewapproachwillbemecompletereasonabletoevaluateimprovethetundishdesigningtundishmetallurgy.Keywds:tundishresidualtimedistribution(RTD)mathematicalsimulationtundishdesigningtundishmetallurgy程樹森（1966），

12、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@)(1)()()1()(1)(010????????jijijinijjicnVtQctcnEE??????????＝）（對(duì)于兩種情況，假設(shè)，示蹤劑注入濃度等0c于1molm3，示蹤劑注入時(shí)間等于1s，多流中t?間包各流流量均相等，統(tǒng)一的形式為：])([])([100010?????????????nijji

13、nijjicnQQcQccnQ??????)(QVtt????此處，系數(shù)應(yīng)該引起關(guān)注，它是由測(cè)量誤?差或計(jì)算誤差引起的。通常在實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬過程中，可以檢測(cè)某一點(diǎn)的濃度，但是基于質(zhì)量守恒方程計(jì)算流出的液體總量時(shí)，需要出口平面上的平均濃度。因此，根據(jù)檢測(cè)到的點(diǎn)濃度，通過系數(shù)可以等效成所需的面平均濃度。?到此，我們得到了的表達(dá)式，它完全遵)(?E守質(zhì)量守恒方程。也是無量綱濃度函數(shù)中最重要的，但是冶金界常常誤解其涵義。4.中間包內(nèi)不同區(qū)域中間

14、包流場(chǎng)中主要有四種不同的區(qū)域：活塞區(qū)，返混區(qū)，死區(qū)，短路流區(qū)域。死區(qū)：該區(qū)域是流動(dòng)較慢的區(qū)域，這不是一個(gè)明確的定義。為了簡(jiǎn)化問題，通常有兩種思路：1.假設(shè)該區(qū)域完全靜止；2.將該區(qū)域視為流動(dòng)緩慢的區(qū)域，并與其它區(qū)域幾發(fā)生物質(zhì)交換。明顯地，第一種思路比較簡(jiǎn)單，但是完全靜止?fàn)顟B(tài)與穩(wěn)態(tài)條件不符，因?yàn)殪o止表明流體流入死區(qū)后變?yōu)橥耆o止，不再流出，這樣，進(jìn)入死區(qū)的流體總量不等于流出死區(qū)的流體總量；再者，只要死區(qū)內(nèi)還有示蹤劑甚至只有一個(gè)示蹤劑分子，

15、平均停留時(shí)間則變得無窮大無法進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而死區(qū)體積分?jǐn)?shù)亦不能計(jì)算出來。因此，只有采用第二種方案。在化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)中，該區(qū)域定義為：流體經(jīng)歷2倍平均停留時(shí)間以上的區(qū)域。這樣，死區(qū)的定義更具體。因此這也是可得到的死區(qū)的唯一的具體特性。顯而易見，死區(qū)由于流動(dòng)緩慢將降低生產(chǎn)率，所以該區(qū)域越小越有利于提高反應(yīng)器的生產(chǎn)效率。另外，在中間包冶金中，通常是設(shè)法增加平均停留時(shí)間，以促進(jìn)夾雜物上浮。如果減少入口流量，也即降低入口流體速度，流體流經(jīng)反應(yīng)器時(shí)則

16、經(jīng)歷更長(zhǎng)的時(shí)間，這樣當(dāng)然能增加平均停留時(shí)間。但是流體流動(dòng)緩慢，不僅不能滿足冶金過程的高效要求，而且流動(dòng)過于緩慢的區(qū)域?qū)⒈灰暈樗绤^(qū)，毫無用途，只會(huì)降低反應(yīng)器的有效體積。因此，減小流體初始速度不是合理的延長(zhǎng)停留時(shí)間的方法，但是增加流體流經(jīng)中間包反應(yīng)器的路程則是延長(zhǎng)平均停留時(shí)間的正確途徑。旁通流區(qū)域：該區(qū)域的流體迅速地從入口直接流向出口，也稱之為短路流。這樣，該區(qū)域的流體來不及與其它流體發(fā)生混合或是發(fā)生反應(yīng)。所以這種流動(dòng)模式將使反應(yīng)器失效，中

17、間包中應(yīng)該避免該區(qū)域的產(chǎn)生。活塞流區(qū)域：對(duì)于理想活塞流，該區(qū)域的流體由于活塞運(yùn)動(dòng)，其溫度、成分和停留時(shí)間均相同。這也是中間包冶金過程中所期望的流動(dòng)模式。正因?yàn)槠浠钊\(yùn)動(dòng)，才有可能控制活塞流流出前經(jīng)歷較長(zhǎng)的路程，進(jìn)而可以在溫度、成分均勻、相同停留時(shí)間的基礎(chǔ)上，增加平均停留時(shí)間。如果是完全的活塞流區(qū)域，停留時(shí)間（RTD）曲線如圖1所示。如圖所示，在某一時(shí)刻，無量綱濃度突然達(dá)到峰值，然后迅速下降到0。圖1理想活塞流RTD曲線示意圖Fig.1s