連鑄中間包內(nèi)夾雜物去除行為的水模型研究

1、1442007年?duì)t外精煉年會(huì)論文集2007年7月LadleRefining2007AnnualMeetingProceedingsJuly.2007連鑄中間包內(nèi)夾雜物去除行為的水模型研究張勝軍鄭淑國(guó)朱苗勇東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，沈陽110004摘要通過選擇乳狀液滴模擬夾雜物和連鑄中間包水模型實(shí)驗(yàn)，考察了控流裝置、澆鑄速度、夾雜物粒徑對(duì)中間包內(nèi)夾雜物去除行為的影響規(guī)律。結(jié)果表明：擋墻擋壩組合控流夾雜物去除效果最佳，中間包內(nèi)強(qiáng)湍流區(qū)夾雜物的

2、碰撞聚合以及向上和表面流速的增加是主因；中間包注流區(qū)加入抑湍器，雖然其流體流動(dòng)特征發(fā)生改變，但對(duì)夾雜物去除率的影響并不顯著；較高的澆鑄速度下，單純靠控流裝置的優(yōu)化已不能很好地改善夾雜物的去除效果。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞連鑄中間包；流體流動(dòng)特征；夾雜物；水模型中間包作為連鑄過程控制鋼液清潔度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在現(xiàn)代煉鋼生產(chǎn)中扮演著日益重要的角色。為了充分利用中間包去除夾雜物的功能，國(guó)內(nèi)外研究者主要采用水模型通過加示蹤劑測(cè)定RTD（ResidentTime

3、Distribution）曲線來優(yōu)化中間包內(nèi)的流場(chǎng)[14]，也有的在水模型中用固體粒子來模擬夾雜物的去除行為[1]，但夾雜物碰撞聚合這一重要的物理行為均沒有被考慮。最近，也有不少研究者采用數(shù)學(xué)模擬方法來研究中間包內(nèi)夾雜物行為[517]，但由于在湍流碰撞模型、碰撞概率模型等理論描述方面還沒有獲得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，所給出的結(jié)果也大多是定性的。本文采用乳狀液滴來模擬夾雜物，在中間包水模型中嘗試模擬夾雜物的碰撞聚合行為，并考察控流裝置、澆鑄速度以及夾

4、雜物粒徑對(duì)夾雜物去除的影響規(guī)律。1實(shí)驗(yàn)1.1幾何相似本實(shí)驗(yàn)以某鋼廠30t中間包為原型，確定模型和原型的幾何相似比，主要參數(shù)見表51??1。表1原型和模型的主要參數(shù)Table1Mainparametersfmodelprototype（mm）原型模型中間包頂部尺寸中間包底部尺寸中間包高度45001373900275369282173816413352671.2動(dòng)力相似在中間包系統(tǒng)中水的流動(dòng)主要是重力和慣性力起主導(dǎo)作用的湍流流動(dòng)，只要保證模

5、型和原型的整體Froude準(zhǔn)數(shù)相等，就能保證它們的動(dòng)力相似。由此計(jì)算出模型所對(duì)應(yīng)于原型的體積流量，即（1）pmQQ5.2??式中，和分別為模型和原型的流體體積mQpQ流量，。hm31.3模擬介質(zhì)的確定采用水模擬鋼液，乳狀液滴模擬夾雜物。對(duì)于中間包內(nèi)夾雜物的模擬，Sahai和Emi提出[6]，模型與原型中夾雜物的尺寸與夾雜物密度及溶液密度存在著定量關(guān)系，即：5.0wmincstpinc25.0pincminc11?????????????

6、????????????????????ρρρρλRR（2）式中，R為半徑，m；為密度，kgm3；下標(biāo)?m和p分別代表模型和原型；下標(biāo)inc、st和w分別代表夾雜物、鋼液和水。由此式可知，模型與原型的夾雜物密度不必嚴(yán)格滿足相似第二定律要求，即模擬夾雜物與水的密度之比等于夾雜物與鋼液的密度之比，也可以近似模擬實(shí)際鋼液中夾雜物的運(yùn)動(dòng)行為。本實(shí)驗(yàn)采用一種無色、不溶于水、常溫下不揮發(fā)且穩(wěn)定的乳狀液滴來模擬夾雜物。該乳狀液滴不被水所潤(rùn)濕，且多個(gè)液

7、滴碰撞后會(huì)?146?2007年?duì)t外精煉年會(huì)論文集2007年7月注射器攝像系統(tǒng)片光源流量計(jì)中間包出口鋼包擋壩擋壩擋墻透氣梁空氣壓縮機(jī)穩(wěn)壓計(jì)式（3）和（4）中，D為直徑，m。實(shí)驗(yàn)中乳狀液滴的初始粒徑及粒徑分布如圖2所示，其當(dāng)量直徑為200?m，則由式（3）和（4）可知，該乳狀液滴可以模擬初始當(dāng)量直徑為47.6?m的Al2O3和45.1?m的SiO2夾雜物。1.4實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，中間包模型為有機(jī)玻璃制成。流體從鋼包經(jīng)長(zhǎng)水口流入中間

8、包內(nèi)，待流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，一定量的乳狀液通過特定的方法均勻分散在中間包內(nèi)。隨著流體的流動(dòng)，每隔一定時(shí)間收集上浮至表面的夾雜物和水的混合物，通過特定方法分離得到純?nèi)闋钜?，則該條件下的夾雜物去除率為：（5）0VVtt????式中，?△T為特定方案的去除率，△T為時(shí)間間隔，V0為初始加入的乳狀液的體積，ml，V△T為△T時(shí)間間隔內(nèi)去除的乳狀液的體積，ml。實(shí)驗(yàn)整體設(shè)備由供水系統(tǒng)、片光源系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)和夾雜物收集系統(tǒng)組成。對(duì)實(shí)驗(yàn)中重要的物理現(xiàn)

9、象，利用高速數(shù)碼攝像系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的拍攝和記錄，旨在更好地揭示中間包內(nèi)夾雜物的去除機(jī)理.圖3實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3Schematicdiagramoftheexperimentalsetup2結(jié)果與討論2.1控流裝置和澆鑄速度對(duì)夾雜物去除行為的影響圖4為控流裝置和澆鑄速度對(duì)夾雜物去除率的影響規(guī)律。從圖上可以看出，無論是無任何控流裝置、擋墻擋壩控流還是擋墻擋壩沖擊槽控流，均有相似的夾雜去除規(guī)律。均隨著澆鑄速度的增加，夾雜物的去除率呈遞減

10、趨勢(shì)。其中，擋墻擋壩控流條件下，夾雜物去除率隨澆鑄速度的增加下降較為明顯，澆鑄速度從1.2mmin增大到1.8mmin，去除率降低了15%；而無任何控流裝置條件下，夾雜物去除率則變化平緩。此外，在固定澆鑄速度的條件下，發(fā)現(xiàn)擋墻擋壩組合控流的去夾雜效果要不同程度的優(yōu)于擋墻擋壩沖擊槽組合控流以及空包條件下的去夾雜效果；加入沖擊槽，雖然緩和了長(zhǎng)水口主流股對(duì)中間包底部的沖刷，一定程度抑制了注流區(qū)劇烈的湍流，但從夾雜物的去除率來看，效果并不明顯；