趙 巖,張秀香,楊 濱,3

(1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院,遼寧 沈陽 110819; 2.本鋼板材股份有限公司,遼寧 本溪 117000;3.遼寧省沈陽市東北大學(xué)材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819)

作為連接鋼包和結(jié)晶器的過渡冶金反應(yīng)器，中間包承擔(dān)著存儲(chǔ)鋼液、給結(jié)晶器分配鋼液、保證多鋼包連續(xù)澆鑄的任務(wù)。中間包內(nèi)的鋼液流動(dòng)行為直接影響著鋼水中夾雜物的去除、鋼液的溫度控制等諸多冶金傳輸行為[1-5]，一直是冶金工作者的研究重點(diǎn)。

為了深入地探究中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)行為，分析中間包流場(chǎng)或中間包停留時(shí)間分布曲線(簡(jiǎn)稱RTD曲線)是常用的兩種方法。數(shù)值模擬可以獲得中間包流場(chǎng)和中間包RTD曲線，但是此方法需要研究者具備較強(qiáng)的計(jì)算流體力學(xué)背景和較好的計(jì)算機(jī)硬件條件。相對(duì)于數(shù)值模擬而言，水模型實(shí)驗(yàn)則相對(duì)容易，已經(jīng)成為中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的必要手段。

湍流控制器和多孔擋墻已經(jīng)成為多流中間包中常見的控流裝置，但是其對(duì)中間包流體流動(dòng)特性的影響尚不清晰。因此，本文以三流中間包為例，利用水力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)獲得湍流控制器和多孔擋墻下中間包RTD曲線，并利用經(jīng)典組合方法分析了其流動(dòng)特性，試圖明確湍流控制器和多孔擋墻的冶金效果。

1 水力學(xué)模型的建立

以三流中間包為研究對(duì)象，從相似原理出發(fā)，采用透明的有機(jī)玻璃建立了幾何相似比為1∶2的水力學(xué)模型，如圖1所示?？紤]到中間包內(nèi)流體流動(dòng)以慣性力為主，因此選擇弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)作為相似準(zhǔn)數(shù)。

圖1 三流中間包水模型

(1)

這樣，水力學(xué)模型和現(xiàn)場(chǎng)原模型的物理參數(shù)需要滿足以下等式：

(2)

式中：下角標(biāo)m和p分別代表示水力學(xué)模型和現(xiàn)場(chǎng)原模型。

將λ=Lm/Lp定義為幾何相似比。在本實(shí)驗(yàn)中，相似比λ取1/2，水力學(xué)模型尺寸如圖1所示。那么本實(shí)驗(yàn)中間包水力學(xué)模型和現(xiàn)場(chǎng)原模型中流體速度u和流量Q需要滿足下式：

(3)

(4)

那么水力學(xué)模型中流體流量為0.3 kg/s，中間包的理論停留時(shí)間為752 s。

2 中間包停留時(shí)間分布曲線

中間包停留時(shí)間分布曲線是進(jìn)行中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的依據(jù)。在中間包水力學(xué)模型中，采用脈沖方式在鋼包長水口處加入200 mL飽和NaCl溶液，同時(shí)在中間包三個(gè)出口處采用DJS-1C型電導(dǎo)電極測(cè)量出口處流體的NaCl濃度。這樣所獲得的中間包出口處NaCl濃度C隨時(shí)間t的變化曲線就是中間包停留時(shí)間分布曲線(簡(jiǎn)稱RTD曲線)。

根據(jù)冶金反應(yīng)工程理論可知，對(duì)于盛裝鋼液體積為V流量為F的中間包，理論停留時(shí)間的計(jì)算式為

τ=V/F

(5)

中間包平均停留時(shí)間為

(6)

這樣，無量綱時(shí)間可定義為

θ=t/τ

(7)

示蹤劑的無量綱濃度為

(8)

中間包的死區(qū)體積分率Vd、活塞區(qū)體積分率Vp和全混區(qū)體積分率Vm的計(jì)算式可以分別為

(9)

(10)

Vm=1-Vd-Vp

(11)

式中：tmin為RTD曲線的最小響應(yīng)時(shí)間，tmax為RTD曲線的濃度峰值時(shí)間。

3 結(jié)果與討論

圖2～圖4分別是不同工況下的三流中間包RTD曲線。圖2表明，當(dāng)中間包內(nèi)不安裝控流裝置時(shí)，中間包的三個(gè)出口處示蹤劑濃度在3～18 s內(nèi)陸續(xù)開始上升，在5～25 s內(nèi)陸續(xù)達(dá)到濃度最大值，無量綱濃度的最大值在4.8～5.2。圖3表明，當(dāng)中間包內(nèi)安裝湍流控制器后，最小響應(yīng)時(shí)間和濃度峰值時(shí)間明顯滯后，無量綱峰值濃度也上升。中間包的三個(gè)出口處示蹤劑濃度在18～33 s內(nèi)陸續(xù)開始上升，在27～47 s內(nèi)陸續(xù)達(dá)到濃度最大值，無量綱濃度的最大值在6.1～7.4。圖3表明，當(dāng)中間包內(nèi)安裝湍流控制器和多孔擋墻后，最小響應(yīng)時(shí)間和濃度峰值時(shí)間進(jìn)一步滯后，無量綱峰值濃度下降明顯。中間包的三個(gè)出口處示蹤劑濃度在33～39 s內(nèi)陸續(xù)開始上升，在87～217 s內(nèi)陸續(xù)達(dá)到濃度最大值，無量綱濃度的最大值在1.1～1.7。

圖2 無控流裝置的中間包RTD曲線

圖3 安裝湍流控制器的中間包RTD曲線

圖4 安裝湍流控制器和多孔直擋墻的中間包RTD曲線

表1給出圖2～圖4中RTD曲線的分析結(jié)果。當(dāng)中間包內(nèi)不安裝控流裝置時(shí)，三個(gè)出口的平均停留時(shí)間的平均值為473 s；活塞區(qū)體積分率為1.5%，死區(qū)體積分率為37.1%。當(dāng)中間包內(nèi)安裝湍流控制器后，三個(gè)出口的平均停留時(shí)間的平均值下降為289 s；活塞區(qū)體積分率上升為4.2%，死區(qū)體積分率上升為61.6%。當(dāng)中間包內(nèi)安裝湍流控制器和多孔擋墻后，三個(gè)出口的平均停留時(shí)間的平均值上升為518 s；活塞區(qū)體積分率上升為14%，死區(qū)體積分率下降為31%。因此，在中間包內(nèi)應(yīng)同時(shí)安裝湍流控制器和多孔擋墻。

表1 三流中間包RTD曲線分析結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)在中間包內(nèi)安裝湍流控制器有助于提高活塞區(qū)體積，但是死區(qū)體積也增大。

(2)在中間包內(nèi)安裝湍流控制器和多孔擋墻有助于提高活塞區(qū)體積，也有利于減小死區(qū)體積。

(3)中間包內(nèi)不安裝控流裝置或僅安裝湍流控制器，中間包RTD曲線形狀為細(xì)長型；而在中間包內(nèi)安裝湍流控制器和多孔擋墻后，中間包RTD曲線形狀為矮胖型。