大流間距四流中間包控流裝置優化研究

卜延進 于學斌 張 洋

(蘇州大學)

0 前言

大流間距中間的研究在國內外比較罕見，由于流間距較大，中間包流場的很難合理控制，導致各流的流動特性一致性［1］較差。外側出水口由于離注流口較遠，該流的鋼液的熱損失較大，內側水口會出現短路流，鋼水的溫度較高，導致中間包內部的溫度差異。此外，內側水口鋼水停留時間短，夾雜物來不及上浮。此外，大流間距中間包的有效容積大，可以促進夾雜物的有效上浮去除，研究大流間距中間包的流場顯得很必要。

采用物理模擬和數值模擬相結合的方法，數值模擬得到的結果不僅可以和物理模擬相互比較、印證，而且還可以彌補物理模擬中無法模擬溫度場的不足。筆者針對大流間距4流中間包，通過研究不同控流裝置下中間包流場，采用導流墻+壩+湍流抑制器的控流方案，能夠顯著提高中間包的冶金功效。

1 實驗工藝條件

某鋼廠4流中間包，中間包采用電磁加熱，包型為近似T形，鋼液從兩電磁加熱通道中流出注流區，通道為兩圓柱型管道，電磁加熱裝置也安裝于此。中間包流間距為 2100 mm，工作液面為850 mm，溢流液面為950 mm，水口采用塞棒控流。中間包內部結構如圖1所示。

圖1 中間包內部尺寸結構

2 物理模擬

2.1 實驗原理和方法

在物理模擬實驗中，主要滿足相似原理［2］。要保證實驗室模型與實際幾何相似，中間包各個部分尺寸對應比例應為同一常數，本實驗取相似比為1∶3。

中間包中液體流動常常取弗勞德數Fr和雷諾數Re為決定性準數，而模型和原型中決定流體流動狀態的雷諾數Re均屬于同一自?；瘏^，所以只要保證弗勞德數Fr相等，則：

式中：QM——模型的流量; QP——原型的流量。

實驗采用“刺激—響應”的方法，加入一定量的19%KCl溶液作為示蹤劑，通過電導率儀測定中間包各流出水口液體的即時濃度，并通過作圖軟件繪制出各流的停留時間分布曲線(即RTD曲線)?？紤]到中間包的幾何對稱性，只需測量中間包一側的兩個出水口即1流和2流，如圖1所示。

2.2 RTD曲線的分析

對多流中間包各流RTD曲線運用總體分析法［3-4］。中間包的流數為4，有效容積為V，模型的總流量為QM。中間包內液體的理論平均停留時間為：

將積分式化為求和公式，得到各流的平均停留時間：

式中：i——出水口數(i=1，2…，n);

j——采集數據次數(j=1，2…，m);

c——中間包出口處的電導率，mS/cm。

死區體積分數：

2.3 實驗結果分析

中間包水模型實驗的五個方案見表1。

通過幾種實驗方案的比較，典型結果以圖2所示的兩個方案來說明。其中2號方案為空包+湍流抑制器;5號方案為湍流抑制器+導流墻+擋壩。

圖2 中間包控流方案

中間包兩個控流方案對應出水口的RTD曲線如圖3所示。

圖3 中間包內各控流方案對應RTD曲線

用RTD曲線分析方法對圖3中各曲線進行定量分析，分析結果見表2。

表2 中間包模型實驗結果

1)采用2號控流方案時，包內僅有湍流抑制器。從圖3(a)和表2中可以看出，靠近長水口注流處的2流響應時間很短，對應的RTD曲線出現尖峰并且峰值比較大，說明該流出現短路流。還有曲線波動比較大，表示流體流動比較紊亂，液面會出現波動，造成卷渣。兩條RTD曲線不能很好地重合，兩流的流動一致性差。再者，兩流的停留時間和整體平均停留時間都很小并且相差較大，中間包的死區體積也達到了25.7%，流體流動性很差。所以無合適控流裝置時不利于實際生產和質量的控制，必須進行內部流場的優化。

2)由圖3(b)和表1中可以看出，5號方案消除了短路流存在的現象，兩流的響應時間基本一致。兩流的RTD曲線變的寬而平緩，并能夠較好的重合，兩流的流動一致性較高。U型導流墻+擋壩+湍流抑制器使得中間包內部的流場趨于合理，短路流的現象也基本消除。中間包內的兩流的停留時間基本相同，整體平均停留時間得到很大程度上延長了，達到893 s，死區體積減少到4.18%。綜合考慮此方案為5個方案中的最佳方案。

3 數學模擬

數值模擬使用FLUENT軟件進行模擬計算，根據流體動力學，并對實際情況進行一些假設，再給出初始條件，入口、包壁、中間包自由表面的邊界條件，基本方程為連續性方程、動量方程、方程、能量方程?？紤]到中間包幾何形狀的對稱性，僅模擬中間包一半區域的流場。

3.1 溫度場分析

通過軟件的數值模擬，各個方案對應的溫度場如圖4所示。

圖4 兩個方案的Y=0截面中間包溫度場

由圖4(a)可以看出，方案2中中間包的溫度分布不均勻，中間包內鋼液溫度最大溫差為35.2℃，因為近流有短路流，中間部分(靠近注流區)的鋼水溫度明顯高于兩側的鋼水溫度。低溫鋼水較多，導致不能澆注。兩個出水口的鋼水溫度分別為1557.8 ℃、1554.2 ℃，溫差為 3.6 ℃，溫度不一致。方案2不能使中間包內的鋼液溫度均勻，所以不符合設計要求。

由圖4(b)可以看出，方案5中中間包的鋼液溫度分布相較于方案2有較大的改善，低溫區較少，各個位置的鋼液溫度比較接近，兩個出水口的溫度差只有0.2℃，兩口的鋼坯質量比較接近。通過溫度因素考慮，方案5中間包為最優化結果。

3.2 流線圖分析

兩種方案中間包的流線圖如圖5所示。

圖5 兩個方案中間包流線圖

由圖5(a)可以看出，中間包的鋼水從管路中流出后沿中間包底部直接沖刷內壁，對中間的耐火材料侵蝕嚴重，會為鋼液帶來新的雜質。鋼液從底部很快從2流水口流出，形成短路流。鋼液的流動比較雜亂，對鋼液的截面有沖擊，有卷渣的傾向。

由圖5(b)可以看出，中間包加了控流裝置之后，鋼液從管路流出后，首先在導流墻形成的沖擊區混勻，促進了夾雜物的長大、上浮。沖擊區有效控制了穩流，使鋼液速度減緩，液面的波動也被限制在此區域。導流墻上的孔開口斜向上，鋼液中的雜質可以快速上升，更容易被表面的鋼渣吸收。鋼液在中間包內形成一個流動循環，并且均勻的分配給兩流，鋼液到達兩個出水口的時間接近。由流線圖可知，方案5為最優方案。

3.3 RTD曲線分析

通過數值分析得到的實驗數據，用MATLAB繪制出中間包兩個控流方案的RTD曲線，如圖6所示。

圖6 兩個方案數值模擬RTD曲線

由圖6可以看出，兩個方案的RTD曲線的整體趨勢基本上同物理模擬所得到的曲線基本相同，由此可知，物理模擬的結果可以接受。

4 結論

1)大流間距多流中間包流場控制較難，如果沒有有效的控流裝置，靠近內側的出水口將出現短路流的現象，不利于中間包夾雜物的去除，外側出水口響應時間長，熱損失較大。最終兩流的溫度和成分差異較大。

2)通過物理模擬和數值模擬可知，方案5能很好的提高中間包的整體平均停留時間，能夠達到893 s，減少死區體積到4.18%，各流的平均停留時間基本相同，包內各處鋼液成分和溫度也趨于一致。

［1］ 鄭淑國，朱苗勇.交流連鑄中間包各流流動特性一致性的判別［J］.過程工程學報，2006，6(4)：522-526.

［2］ 沈巧珍，杜建明.冶金傳輸原理［M］.北京：冶金工業出版社，2006：134-138.

［3］ 雷洪，趙巖，鮑家琳.多流連鑄中間包停留時間分布曲線總體分析方法［J］.金屬學報，2010，46(9)：1109-1114.

［4］ 謝健，鄭淑國，吳永來，等.五流T型中間包內控流裝置優化的水模型實驗［J］.材料與冶金學報，2002，1(4)：285-289.