連鑄中間包內鋼液流場的rd分析

連鑄中間包是連接鋼包和晶體裝置之間的中間存儲容器。它能存儲鋼液、穩定鋼流、緩沖鋼流對晶體裝置的影響和攪拌、穩定柱壓和鑄造操作、均勻鋼液溫度和組成、脫氧和非標準混合材料。對于多流聯軸機也起到了分配鋼液的作用。鋼液在中間包內的流動狀態可分為全混流、活塞流、短路流、死區4種。為了得到理想的流動狀態,中間包內設置了多種控流裝置如:擋墻、擋壩、多孔擋墻、湍流抑制器等。設置控流裝置時主要考慮將湍流較好地限制在沖擊區內,并保證澆注區渣層的平穩覆蓋,提高活塞流的體積,減少甚至避免短路流,縮小死區的體積;同時也盡可能地使各流之間的鋼液成分和溫度保持一致。本文針對六流T形連鑄中間包,通過用水模的方法對其內部的湍流抑制器和多孔擋墻進行優化。根據測得的各流的停留時間分布(RTD)曲線來描述中間包內鋼液的流動特性,并且通過RTD曲線的分析來評價中間包內各種內部控流結構的優劣。1在六流中間的包裹流場的物理模擬中1.1試驗的決定因素:德準數和決定因素對于中間包水模型實驗中,水的流動主要是重力和慣性力起主導作用的湍流流動,故選用弗魯德準數(FroudeNumber)作為試驗的決定性準數。本研究的方坯中間包的物理模型裝置見圖1,均由有機玻璃大包、中間包模型、大包長水口、中間包浸入式水口、中間包內控流裝置、示蹤劑加入裝置、出口示蹤劑濃度電導探頭、電導率儀、數據采集計算機等組成。1.2出口示蹤劑濃度與時間的關系在水模試驗時采用向大包快速注流注入示蹤劑,同時測量中間包出口示蹤劑濃度的刺激-響應法。這樣就可以得到出口示蹤劑濃度與時間的關系曲線。這就是通常所稱的停留時間分布曲線,簡稱RTD(ResidentTimeDistribution)曲線。由RTD曲線的有關參數即可計算出全混流、活塞流和死區的比例。本實驗所用中間包內部結構以中心截面對稱,故只需采集右側1、2、3流的RTD曲線。1.3流動特性的定量分析本文采用多流中間包流動特性分析模型來計算多流中間包內活塞區、混合區、死區的體積分數,具體到本試驗所測的3個流則有:活塞流區體積分數:Vp=13(θ1min+θ2min+θ3min)(1)Vp=13(θ1min+θ2min+θ3min)(1)死區體積分數Vd=1-13(Q1aQ1?ˉθ1c+Q2aQ2?ˉθ2c+Q3aQ3?ˉθ3c)(2)Vd=1?13(Q1aQ1?θˉ1c+Q2aQ2?θˉ2c+Q3aQ3?θˉ3c)(2)全混區體積分數Vm=1-Vp-Vd(3)式中:θimin=timinˉt(i=1~3)?ˉθic=ˉticˉt;理論停留時間ˉt=VQ;平均停留時間ˉtic=∑tci(t)∑ci(t);QiaQi為各流的活躍區體積流量Qia與該流的體積流量Qi之比(數值上分別等于各流的無因次RTD曲線上θ從0到2的面積與該流RTD曲線總面積之比);timin為各流示蹤劑的響應時間;ci(t)是在采樣時間點為t時各流的濃度值;V為實驗時中間包內水的體積。本研究采用本課題組提出的分析方法來定量分析多流中間包各流流動特性的一致性。具體到本試驗所測的3個流則有:首先,將各流的RTD曲線在每一個采樣時間點下的無因次濃度值(Ci(θj),i=1~3,j=1~Z)求標準差,然后,將整個采樣時間范圍內的所有標準差取平均值。即ˉS3=1ΖΖ∑j=1√3∑i=1(Ci(θj)-ˉC(θj))22(i=1~3,j=1~Ζ)(4)式中:ˉS3為中間包各流無因次濃度的總體平均標準差;Ci(θj)為在采樣時間點為θj時各流的無因次濃度值(i=1~3,j=1~Z);θj為RTD曲線的第j個無因次采樣時間點;Z為采樣時間點的總數;ˉC(θj)為在采樣時間點為θj時各流無因次濃度的平均值。ˉS3越小,多流中間包各流流動特性的一致性越好。2湍流抑制器參數通過改變圖2所示多孔擋墻的開口角度來改變鋼液主流股的沖擊方向,選出較優的多孔擋墻;考查不同形狀的湍流抑制器(圖3)對中間包內鋼液流動狀態的影響。表1中給出了各試驗方案對應的控流裝置;各試驗方案示意圖如圖4所示。3中間包內各流流動特性的比較典型的RTD曲線如圖5所示。各方案的分析計算結果見表2。從表2中可以看出:1)中間包內安裝圓形抑湍器和“U”形多孔擋墻時(方案Ⅰ~Ⅲ),鋼液主流股沖擊方向為2流正上方時中間包內的死區體積分數最小為0.2547,鋼液主流股沖擊方向為3流正上方時,中間包內此三流的無因次濃度的總體平均標準差最小為0.0243。2)中間包內安裝圓形抑湍器和“V”形多孔擋墻時(方案Ⅳ~Ⅵ),所得到的結論與安裝“U”形多孔擋墻相似,主流股沖擊2流正上方時中間包內的死區體積分數最小為0.2418,主流股沖擊方向為3流正上方時中間包內此三流的無因次濃度的總體平均標準差最小為0.0147。3)“V”形多孔擋墻較“U”形多孔擋墻降低了中間包內的死區體積,減小中間包內各流的無因次濃度的總體平均標準差即各流流動特性的一致性較好。4)中間包內設置方形湍流抑制器較圓形湍流抑制器(方案Ⅰ和Ⅶ,Ⅳ和Ⅷ)能明顯提高中間包內各流流動特性的一致性,但是中間包內的死區體積也明顯變大。5)各方案進行比較比較,對應方案IV的中間包內部結構的死區體積分數最小為0.2418,且其活塞區體積分數與死區體積分數的比值最大為0.5724,故選此方案為該六流T形中間包的最佳控流方案。4增加了中間包死區體積1)六流T形連鑄中間包內設置多孔擋墻時,開孔方向使鋼液主流股沖擊方向為2流正上方或3流正上方時較佳。2)連鑄中間包內設置“