中间包的物理模拟

中间包的物理模拟11研2马艳杰中间包是一个上承钢包下接结晶器的中间存储和分流容器，其内的许多冶金过程受控于钢水在中间包内的流动状态，而钢水在中间包内的停留和流动状态要受钢包和结晶器工作状态的影响。其中重要的因素之一是体系内温度状态和反应器之间的温差。在连铸浇注系统中，减少钢水的二次氧化和脱氧产物，一提高产品质量的工艺开发中，物理模型起到了重要作用。一、中间包的作用综述中间包的作用，主要有：1．合理储存钢水，按工艺要求进行有效分流，保证顺利开浇、停浇和换包，实现对连铸机均衡、连续和稳定的供给钢水；2．防止钢水再次污染，即抑制二次氧化、减轻耐火材料侵蚀、减少渣的卷入以及渣中不稳定氧化物的危害；3．改善钢水流动条件，防止短路流动，减小死区，改进流动方向，增加钢水的停留时间，改善夹杂物上浮和去除的条件；4．选择合适的包衬耐火材料和熔池覆盖剂，减轻热损失，利于上浮夹杂物的排出；5．控制好钢水温度，必要时再加热，使钢水过热度保持稳定。二、中间包内钢水流动特征钢水的流动会影响中间包内钢水的分流、影响钢水散热和温度变化、影响夹杂物上浮和排除，以及影响钢水成分的均匀程度等。流体在容器内的流动模式分为几种：1．如同一时刻进入容器的流团均在同一时刻离开容器，它们不会与进入容器的其他流团混合，这种流动模式称为活塞流；2．当流团一进入容器，立即与其他流团完全混合，分不出进入容器的先后，这种流动模式称为全混流；3．短路流指进入容器的部分流体立即通过容器，停留时间很短或几乎为零；4．死区指容器内停留时间大大超过理论平均时间停留时间的那一部分流团。中间包工作时，钢水在重力作用下，流入和流出是流速很大。而在体积和流通面积大得多的中间包熔池主要部分，流速很小。中间包熔池内各部分的钢水温度在时间和空间上并不均匀，而且一直变化。较高温度的钢水注入中间包后，在注入区形成温度较高的区域，这样，在注入区与中间包主体熔池之间，可能产生明显的温度梯度。三、物理模型模型设计由于流动现象的复杂性和水作为模拟介质的限制，不可能在单一模型去满足对流动施加影响的所有准数相等的要求。根据对流动现象的具体分析，确定占统治地位的准数，以选择模型的比例。1．同时考虑两个准数相等当钢包和中间包内液体降到一定高度时，液面会形成漏斗状的旋涡，把表面渣子卷入钢液内部，此时重力和粘性力都起明显作用，模拟时必须考虑Re和Fr同时相等。设llL'为模型与原模型长度比例因子（注：'为模型）。要保证模型与实物的Re和Fr同时相等，则模型尺寸是实物尺寸的1.07倍。也就是说模型尺寸应与实物一样大，这是有效的模拟工具，缺点是设备费用较大。在重力引起的流动中，如不能忽视液体表面张力的作用，则要使模型与实物系统的Fr和We分别同时相等。也就是说要保证Fr利We同时得到满足，稷型尺寸应是实物尺寸的0.6倍。2．考虑一个准数相等中间包内液体流动主要是惯性力和重力占统治地位，此时仅考虑Fr相等就可以了。要保持模型和实物相似，液面高度必须和模型尺寸按同样比例减少。令Lt为时间比例因子，则：LLLt令tLQ为流量比例因子，则：通过水口面积为A的流量：也就是说水口尺寸也要与模型尺寸按比例减少。在重力占统治地位的流动中，任何缩小比例的模型，只要模型线型尺寸、水口直径、液面高度按比例缩小，均可满足Fr准数相等。但是必须指出：仅考虑Fr相等，按单一比例因子所确定的缩小模型，对于所研究的流动形态，停留时间分布和涡流的形成等方面只能是近似的。但是，对存在气液或固液的两相流时，如考虑修正的Fr’相等，模型比实物大7倍；考虑Morton准数相等，模型比实物大44倍(如下表)。显然按这种比例建立模型是不可能的。对连铸系统来说，认为采用0.6：l模型来模拟两相流是合适的。因为：1)虽然钢液和水卷入空气有很大差别，但气泡从液体中上升所产生的流动行为是相似的；2)模型和实物具有相同的表面积，可认为卷入空气的速率是相似的，3)由注流在熔池表面所产生的表面波的形状是相似的，4)在中间包和结晶器内，由注流引起液体搅动消逝时间大致是相似的。表1钢液和水系统比较四、实际应用模型1．FTSC中间包控流装置本实验采用的模型也原型相似比为1：2.5。考虑中间包内流体流动处于第二自模化区，因此只要满足模型和原型的Fr准数相等即可保证动力相似。实验中以水代替钢液，以压缩空气代替氩气。具体为：保持中间包液面稳定后，在长水口注流内脉冲注入定量的饱和食盐水，同时用电导电极测定出口处示踪剂浓度随时间的变化，将输出的电信号通过A/D板转换成数字信号后由微机实现数据的采集。图1实验装置示意图中间包物理模拟实验的优化标准：1）延长相应时间和最小停留时间；2）延长峰值时间和平均停留时间；3）减少死区面积；4）增加活塞流体积，保持适当的混合流体积；5）保证指向液面的流动。通过实验，得到结论如下：1）湍流控制器的引入可以限制高速注流的速度，消除短路流，延长中间包的响应时间和平局停留时间，有利于控制夹杂物含量，改善铸坯质量；2）导流坝上假设气幕挡墙有利于改善中间包流体的流动状态，各项特征参数达到最优化。为现场使用提供了理论依据。2．旋流中间包中间包内钢液的流动是复杂的三维湍流流动，强烈的湍流特性不利于中间包钢液内夹杂物的上浮去除。在长水口主流区安装一个旋流室，让钢液从旋流室的底部沿切线方向流入旋流室，以达到将钢液本身的势能转化成其旋转动能的目的，是钢液在旋流室内旋转。通过这样的方法，既能可以实现湍流控制器的作用，还可以达到与离心中间包相似的冶金效果。由于中间包内的流动是强烈的湍流流动，根据水力学原理，当流体流动的Re数大于第二临界值时，流体的湍流程度及流速的分布不再瘦Re数的影响。此时流体的流动状态不再变化，且彼此相似。所以采用水模型对中间包内的流动进行物理模拟可以只考虑Fr数相等。gluFr2选取单流中间包的几何相似比为5.2:1，挡墙、挡坝以及旋流室的安放位置如图2所示，圆柱型旋流室模型示意图如图3所示。图2旋流中间包示意图结论：1）旋流室内中心截面有回流，切向速度分布呈兰金涡，径向速度梯度大，利于夹杂物的向心聚集，上浮去除。湍动能的耗散主要集中在旋流入口和边缘。2）旋流室的加入使双流中间包内呈现明显的非对称流动。3）从中间包的迹线看旋流室的加入使得流体的运动路径得到了改善，旋流区夹杂物的碰撞聚合利于夹杂物的上浮去除。图3圆柱型旋流室模型示意图五、综述物理模拟能进行钢铁生产中很难不能进行的实验过程，能进行新技术的研究与开发等，是冶金研究过程不可缺少的重要手段。但是，物理模拟也与原型不能完全一致，只有与数学模拟，理论分析以及实践经验相结合，才能获得更好的研究结果。