1、梅山連鑄中間包水模擬試驗(yàn)研究劉歡韓孝永*摘要進(jìn)行了中間包擋墻和壩的水模擬優(yōu)化試驗(yàn),確定出擋墻和壩的最佳設(shè)計(jì)方案,同時(shí)與重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的中間包擋墻和壩的方案進(jìn)行水模擬對(duì)比試驗(yàn),分析了各自的流場(chǎng)特點(diǎn)，最后指出本試驗(yàn)最佳設(shè)計(jì)方案為梅山中間包擋墻和壩的理想設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞連鑄中間包水模擬試驗(yàn)理想設(shè)計(jì)方案Research on Tundish Water Simulation Experiment in Meishan Co.LtdLiu HuanHan Xiaoyong(Meishan Co.Ltd of Shanghai Corp.)AbstractBy water simulation exp

2、eriments on tundish dam and weir, the optimal design of dam and weir has been determined, Which is compared with the design made by Chongqing Iron & Steel Design Institute throguh water simulation experiments. The characteristics of flow fields of both desing plans have Been Individually analyzed. F

3、inally it is put forward that the design of tundish dam and weir made by Meishan Corporation is the best ideal design.Keywordscontinuous casting tundishwater simulation experimentideal design plan1前言重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院為梅山煉鋼連鑄提供了中間包擋墻和壩控制流參數(shù)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),但未進(jìn)行水模擬試驗(yàn)研究。因此,開(kāi)展中間包水模擬試驗(yàn)研究,優(yōu)化中間包擋墻和壩的控制流參數(shù),為梅山連鑄生產(chǎn)提供中間包最佳擋墻和壩的尺寸與

4、位置,以便在中間包內(nèi)創(chuàng)造一個(gè)良好的使夾雜物上浮而不卷入鋼水的條件,這對(duì)凈化鋼水、提高連鑄板坯質(zhì)量有直接的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2試驗(yàn)原理和方案水模擬試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是相似原理,即模型與實(shí)型中液體流動(dòng)相似的基本條件是幾何相似和動(dòng)力相似。對(duì)于幾何相似,可以采用任何比例,根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)和試驗(yàn)實(shí)際條件,模型(Lm)與實(shí)型(LR)的幾何相似比例選擇Lm:LR=1:4。對(duì)于動(dòng)力相似要求模型與實(shí)型中的流體的雷諾準(zhǔn)數(shù)Re和弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr分別相等,才能保證動(dòng)力相似,但滿(mǎn)足模型與實(shí)型中的兩個(gè)相似準(zhǔn)數(shù)同時(shí)相等相當(dāng)困難,考慮到在此試驗(yàn)條件下,模型與實(shí)型中的流體流動(dòng)狀態(tài)均已處于第二自?；瘏^(qū),因此,該系統(tǒng)的流動(dòng)狀態(tài)及流速

5、分布與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re無(wú)關(guān),只要求保證與重力有關(guān)的弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr相等即可達(dá)到動(dòng)力相似。由Fr準(zhǔn)數(shù)相等可以確定模型與實(shí)型中流體的速度、流量、平均停留時(shí)間的關(guān)系。由Frm=FrR即:得速度比:流量比:平均停留時(shí)間比:式中下標(biāo)m代表模型,下標(biāo)R代表實(shí)型g重力加速度L特征長(zhǎng)度V流體速度Q流體流量流體平均停留時(shí)間對(duì)于中間包控制流參數(shù)的設(shè)計(jì),參考了國(guó)內(nèi)外有關(guān)中間包擋墻和壩的研究和應(yīng)用數(shù)據(jù),采用L9(34)正交試驗(yàn)方案表,確定了9組中間包控制流試驗(yàn)數(shù)據(jù),根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定流體實(shí)際平均停留時(shí)間的長(zhǎng)短和死區(qū)大小,效果最佳的那一組,即為中間包擋墻和壩的最佳聯(lián)合設(shè)計(jì)方案。中間包流場(chǎng)正交試驗(yàn)方案如表1所示。表1中間包流場(chǎng)試驗(yàn)方

6、案試驗(yàn)號(hào)a/mmb/mmc/mmd/mm1700(175)270(67.5)150(37.5)300(75)2700(175)410(102.5)200(50)400(100)3700(175)550(137.5)250(62.5)500(125)4900(225)270(67.5)200(50)500(125)5900(225)410(102.5)250(62.5)300(75)6900(225)550(137.5)150(37.5)400(100)71100(275)270(67.5)250(62.5)400(100)81100(275)410(102.5)150(37.5)500(125

7、)91100(275)550(137.5)200(50)300(75)注:表中括號(hào)外為原型數(shù)據(jù),括號(hào)內(nèi)為模型數(shù)據(jù)。a、b、c、d4個(gè)數(shù)值是反映中間包擋墻和壩的尺寸與位置參數(shù),4個(gè)數(shù)值在中間包的表示如圖1所示。圖1中間包控制流結(jié)構(gòu)1-擋墻2-擋壩3-沖擊上述水模擬試驗(yàn)選出最佳設(shè)計(jì)方案后,再對(duì)重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的中間包擋墻和壩的控制流參數(shù)進(jìn)行水模擬試驗(yàn),與上述最佳設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比,確定用于生產(chǎn)上的中間包控制流設(shè)計(jì)方案。3中間包水模擬試驗(yàn)3.1中間包擋墻和壩的水模擬優(yōu)化試驗(yàn)在中間包模型的鋼包注流區(qū)注入一定劑量的KCl溶液作為示蹤劑,用刺激響應(yīng)試驗(yàn)法描繪濃度C和時(shí)間t的RTD曲線,從而得出從示蹤劑的加

8、入到中間包出口處示蹤劑剛剛響應(yīng)的時(shí)間tmin、濃度達(dá)到量大的時(shí)間tmax,以及經(jīng)過(guò)計(jì)算得出流體平均停留時(shí)間tf,由此計(jì)算出活塞流區(qū)體積比(Vp)、混合流區(qū)體積比(Vm)和死區(qū)體積比(Vd),數(shù)學(xué)關(guān)系如下:Vp=(Qmin+Qmax)/2Vd=1-f/rVm=1-Vp-VdQmin=tmin/rQmax=tmax/r式中Vp活塞流區(qū)體積比/%Vd死區(qū)體積比/%Vm混合流區(qū)體積比/%流體實(shí)際平均停留時(shí)間/sr流體理論平均停留時(shí)間/sQmin開(kāi)始出現(xiàn)示蹤劑的無(wú)因次時(shí)間Qmax達(dá)到最大示蹤劑濃度時(shí)的無(wú)因次時(shí)間tmin示蹤劑在中間包出口處剛響應(yīng)的時(shí)間/stmax示蹤劑在中間包出口處濃度達(dá)到最大的時(shí)間/s

9、比較各組試驗(yàn)中的死區(qū)體積百分比,當(dāng)死區(qū)最小時(shí)所確定的a、b、c、d值為最優(yōu)值。每組試驗(yàn)做3次,取平均值,得到9組設(shè)計(jì)方案的中間包流場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),與計(jì)算結(jié)果的平均值列于表2。3.2重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的中間包控制流方案水模擬試驗(yàn)重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的中間包控制流a、b、c、d的值分別為940mm、210mm、308mm、418mm。模型按14比例制作,模型中a、b、c、d的數(shù)據(jù)分別為235mm、52.5mm、77.0mm、104.5mm。對(duì)上述設(shè)計(jì)方案進(jìn)行水模擬試驗(yàn),其中間包流場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果平均值見(jiàn)表3。表2中間包流場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果(平均值)數(shù)據(jù)tminstmaxsfsVp%Vd%Vm%Vp

10、+Vm%試驗(yàn)號(hào)板坯規(guī)格mm1132021010002102834.3197.58.546.345.253.76502102650.7203.78.554.636.945.421320210100021044.363.7253.114.731.254.168.865021047.384264.514.641.144.358.931320210100021052.385.3340.018.77.673.792.465021064.7112.7358.219.820.260.079.841320210100021038.370.3234.714.836.249.063.865021021.754.3

11、227.18.549.342.250.751320210100021042.770.0306.815.316.668.183.465021036.757.7290.810.535.254.364.861320210100021050.384.0255.718.230.551.369.565021046.071.3257.313.142.744.257.371320210100021042.364.7276.714.624.860.675.265021020.050.7309.67.931.061.169.081320210100021050.078.7278.117.524.458.175.6

12、65021062.395.0325.817.527.455.172.691320210100021042.069.7281.115.223.661.276.465021051.377.3326.014.327.458.372.6表3重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院方案的中間包流場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果板坯規(guī)格mmtminstmaxsfsVp%Vd%Vm%Vp+Vm%1320210100021030.347.0272.910.525.863.774.265021033.770.3292.611.634.853.665.24試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1中間包擋墻和壩的水模擬試驗(yàn)結(jié)果與分析中間包擋墻和壩的水模擬試驗(yàn)結(jié)果表明:表2

13、中3號(hào)設(shè)計(jì)方案的中間包擋墻和壩的a、b、c、d值為最佳設(shè)計(jì)值。由表2可以看出:3號(hào)方案的tmin最長(zhǎng),說(shuō)明其活塞流區(qū)大,有利于夾雜物上浮,其實(shí)際平均停留時(shí)間tf也最長(zhǎng),故增加了夾雜物上浮的機(jī)會(huì)。另外,從中間包內(nèi)存在的三個(gè)流動(dòng)區(qū)域來(lái)分析,3號(hào)方案的死區(qū)最小,增大了中間包的有效容積,故而使流體實(shí)際平均停留時(shí)間f最長(zhǎng),而活塞流區(qū)和混合流區(qū)在9組設(shè)計(jì)方案中均為最大,這不僅有利于夾雜物的上浮,而且也有利于夾雜物碰撞聚集和鋼液溫度的均勻。因此,3號(hào)設(shè)計(jì)方案中中間包擋墻和壩的a、b、c、d值為最佳設(shè)計(jì)值。4.23號(hào)設(shè)計(jì)方案與重慶院設(shè)計(jì)方案的比較與分析對(duì)比3號(hào)設(shè)計(jì)方案和根據(jù)重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院提供的參數(shù)所得試驗(yàn)結(jié)果

14、,3號(hào)設(shè)計(jì)方案所得的tmin大于重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院方案所得的tmin,流體實(shí)際平均停留時(shí)間f比重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院方案所得的也長(zhǎng)。從中間包的三個(gè)流動(dòng)區(qū)域 的大小組成來(lái)看,重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院的方案比3號(hào)方案所得的中間包內(nèi)死區(qū)體積大,而活塞流區(qū)和混合流區(qū)均小于3號(hào)方案。因此,從有利于中間包內(nèi)夾雜物的上浮、聚集和排除等優(yōu)點(diǎn)來(lái)看,重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院的方案不如本試驗(yàn)的3號(hào)方案理想。從加入中間包內(nèi)的示蹤劑(高錳酸鉀溶液)反映出的流體流動(dòng)模式來(lái)分析,3號(hào)方案設(shè)計(jì)的中間包控制流流體從擋墻和壩之間流出,流向包壁而轉(zhuǎn)向水口時(shí),一部分從水口流出,一部分轉(zhuǎn)而往上流,如圖2(a)所示,這樣有利于夾雜物上浮,另外示蹤劑長(zhǎng)時(shí)間地彌散在水口上

15、方的中間包空間區(qū)域內(nèi),說(shuō)明死區(qū)小。重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的中間包控制流方案的中間包流體從擋墻和壩之間流出后,流股流向包壁轉(zhuǎn)而流向水口,但很少存在向上的回流,如圖2(b)所示,這樣就減少了夾雜物上浮的機(jī)會(huì),鋼水易帶渣進(jìn)入結(jié)晶器,另外示蹤劑長(zhǎng)時(shí)間地分布在液面附近的較窄空間范圍內(nèi),說(shuō)明存在較大的死區(qū)。造成這兩種中間包控制流設(shè)計(jì)方案的流體流動(dòng)模式的差異,是由于兩方案中的中間包擋墻和壩的尺寸與位置不同,即相應(yīng)的a、b、c、d參數(shù)設(shè)計(jì)不同。3號(hào)方案的擋墻和壩之間的水平距離較寬,鋼液通過(guò)時(shí),流動(dòng)平穩(wěn), 因而流線得到較好的改善。重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院方案的擋墻和壩之間的水平距離較窄,鋼液通過(guò)擋墻和壩的流速大為增加,使得夾

16、雜物隨鋼流至液面后又隨鋼流沖走,導(dǎo)致夾雜物不易上浮和表面波嚴(yán)重,易造成卷渣。另外,因鋼液流速過(guò)大,流體大多沿包壁流入中間包底部出口,向上的回流較少,致使壩附近成為較大的死區(qū)區(qū)域。圖2中間包流場(chǎng)模式(比例160)5結(jié)論(1)針對(duì)9種中間包控制流設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了水模擬優(yōu)化試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:3號(hào)方案設(shè)計(jì)的中間包擋墻和壩的尺寸與位置為最佳設(shè)計(jì)方案,即a=700mm,b=550mm,c=250mm,d=500mm。(2)3號(hào)設(shè)計(jì)方案與重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行水模擬試驗(yàn)比較,結(jié)果表明:3號(hào)設(shè)計(jì)方案更為理想,其設(shè)計(jì)的中間包擋墻和壩的尺寸與位置反映出的流場(chǎng)更為合理,更有利于夾雜物上浮、聚集和排除。(3)3號(hào)設(shè)計(jì)方案提供的中間包控制流數(shù)據(jù)已為梅山煉鋼廠和重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院采納應(yīng)用,為梅山連鑄生產(chǎn)提供了更為合理的工藝參數(shù)。*參加本課題工