連鑄中間包內夾雜物去除行為的水模型研究

1、1442007年爐外精煉年會論文集2007年7月LadleRefining2007AnnualMeetingProceedingsJuly.2007連鑄中間包內夾雜物去除行為的水模型研究張勝軍鄭淑國朱苗勇東北大學材料與冶金學院，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驗，考察了控流裝置、澆鑄速度、夾雜物粒徑對中間包內夾雜物去除行為的影響規(guī)律。結果表明：擋墻擋壩組合控流夾雜物去除效果最佳，中間包內強湍流區(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，雖然其流體流動特征發(fā)生改變，但對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。關鍵詞關鍵詞連鑄中間包；流體流動特征；夾雜物；水模型中間包作為連鑄過程控制鋼液清潔度的關鍵環(huán)節(jié)，在現(xiàn)代煉鋼生產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，國內外研究者主要采用水模型通過加示蹤劑測定RTD（ResidentTime

3、Distribution）曲線來優(yōu)化中間包內的流場[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)學模擬方法來研究中間包內夾雜物行為[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質性進展，所給出的結果也大多是定性的。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、雜物粒徑對夾雜物去除的影響規(guī)律。1實驗1.1幾何相似本實驗以某鋼廠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動力相似在中間包系統(tǒng)中水的流動主要是重力和慣性力起主導作用的湍流流動，只要保證模

5、型和原型的整體Froude準數(shù)相等，就能保證它們的動力相似。由此計算出模型所對應于原型的體積流量，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模擬介質的確定采用水模擬鋼液，乳狀液滴模擬夾雜物。對于中間包內夾雜物的模擬，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系，即：5.0wmincstpinc25.0pincminc11?????????????

6、????????????????????ρρρρλRR（2）式中，R為半徑，m；為密度，kgm3；下標?m和p分別代表模型和原型；下標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，也可以近似模擬實際鋼液中夾雜物的運動行為。本實驗采用一種無色、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濕，且多個液

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

8、包內，待流動達到穩(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。隨著流體的流動，每隔一定時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乳狀液，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為時間間隔，V0為初始加入的乳狀液的體積，ml，V△T為△T時間間隔內去除的乳狀液的體積，ml。實驗整體設備由供水系統(tǒng)、片光源系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)和夾雜物收集系統(tǒng)組成。對實驗中重要的物理現(xiàn)

9、象，利用高速數(shù)碼攝像系統(tǒng)進行了詳細的拍攝和記錄，旨在更好地揭示中間包內夾雜物的去除機理.圖3實驗裝置示意圖Fig.3Schematicdiagramoftheexperimentalsetup2結果與討論2.1控流裝置和澆鑄速度對夾雜物去除行為的影響圖4為控流裝置和澆鑄速度對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。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，雖然緩和了長水口主流股對中間包底部的沖刷，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；