多流中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)特性的水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)

多流中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)特性的水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)

1鋼液流動(dòng)特性的評(píng)價(jià)在金屬絲連續(xù)鑄造過程中，中間包不僅是一個(gè)穩(wěn)定的緩沖容器，而且能保證鋼水的連續(xù)注水，而且避免鋼渣進(jìn)入制造裝置，去除鋼液中的金屬混合，提高鑄造質(zhì)量。優(yōu)化中間包中鋼水的流動(dòng)，促進(jìn)鋼水成分和溫度的均勻性，促進(jìn)混合物的漂浮和去除。評(píng)價(jià)單流中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)狀況的優(yōu)劣常采用平均停留時(shí)間、峰值時(shí)間和滯止時(shí)間.但對(duì)于多流中間包,提高各流流出的鋼液在包內(nèi)流動(dòng)特性的一致性,對(duì)均勻各流出口的鋼液溫度及純凈度的差異亦十分重要.一些學(xué)者采用標(biāo)準(zhǔn)差描述各流流出鋼液在中包內(nèi)流動(dòng)特性的一致性.根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)知識(shí)可知,在各均值不相等的情況下,不宜采用標(biāo)準(zhǔn)差描述一致性.離散系數(shù)能夠反映單位均值上的離散程度,能夠?qū)蓚€(gè)均值不等的單位進(jìn)行離散程度的對(duì)比,目前尚未應(yīng)用于相關(guān)研究.本研究采用水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)石家莊鋼鐵責(zé)任有限公司(以下簡稱“石鋼”)5流0號(hào)中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)特性進(jìn)行優(yōu)化研究,以改善中包內(nèi)鋼水的流動(dòng)特性,提高冶金效果.研究中采用離散系數(shù)評(píng)價(jià)多流中間包各出鋼口流出的鋼液在包內(nèi)流動(dòng)特性的一致性.2中間包擋墻簡介石鋼5流0號(hào)中間包噸位為25t,連鑄過程中其液面高度為800mm.中間包配用的大包長水口內(nèi)徑為50mm,浸入深度為300mm.侵入式水口的內(nèi)徑為33mm該中間包內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本尺寸如圖1所示.中間包現(xiàn)用擋墻尺寸結(jié)構(gòu)圖如圖2(a)所示.圖2(b)為擬評(píng)價(jià)的擋墻類型.圖3為石鋼現(xiàn)用的兩種湍流抑制器尺寸結(jié)構(gòu)圖.與該中間包配套用的連鑄機(jī)所澆注的鑄坯斷面為150mm×150mm,正常拉坯速度為1.5~2.0m/min.3實(shí)驗(yàn)原理和評(píng)估指標(biāo)3.1中間包模型的建立根據(jù)相似原理,對(duì)于中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)的水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn),需要滿足模型與原型的幾何相似和動(dòng)力相似關(guān)系.(1)幾何相似模型和原型保持幾何相似,也就是保持模型和原型的各個(gè)對(duì)應(yīng)尺寸具有同一的相似倍數(shù).本研究模型與原型的幾何相似比例λ為1:2.5,采用有機(jī)玻璃制作實(shí)驗(yàn)用中間包模型.(2)動(dòng)力相似中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)主要受粘滯力、重力和慣性力的作用.為保證模型與原型的動(dòng)力相似,需要采用雷諾數(shù)Re和弗魯?shù)聰?shù)Fr同時(shí)相等.而當(dāng)流體流動(dòng)處于同一自?；瘏^(qū)域,只需保證模型與原型的弗魯?shù)聰?shù)Fr相等,就能保證模型與原型相似.本研究中原型和模型內(nèi)流體的流動(dòng)均處于第二自?；瘏^(qū)域,要保證動(dòng)力相似,可只考慮模型和原型的弗魯?shù)聰?shù)Fr相等,即式中,Frp代表原型弗魯?shù)聰?shù),Frm代表模型弗魯?shù)聰?shù).代入有關(guān)參數(shù)可得:式中,Qm為模型流量(m3/s),Qp為原型流量(m3/s).3.2流場計(jì)算指標(biāo)評(píng)價(jià)中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)狀態(tài)的優(yōu)劣有諸多的判據(jù),通常采用平均停留時(shí)間、峰值時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間.提高各流的平均停留時(shí)間、峰值時(shí)間和滯止時(shí)間,可改善鋼液在中間包內(nèi)的流動(dòng)特性.本研究選用各流平均停留時(shí)間均值為主評(píng)價(jià)指標(biāo),各流峰值時(shí)間均值和滯止時(shí)間均值為參考評(píng)價(jià)指標(biāo).此外,對(duì)于多流連鑄中間包,為保證生產(chǎn)的順序和各流連鑄鋼坯質(zhì)量,還需考慮各流之間流動(dòng)特性一致性,即離散程度.在總體均值相等且計(jì)量單位相同的條件下,可用標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)描述統(tǒng)計(jì)量的離散程度;而當(dāng)均值不相等或計(jì)量單位不同時(shí),可采用離散系數(shù)進(jìn)行描述.離散系數(shù)(CV)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為其中,S為標(biāo)準(zhǔn)差,為均值,xi為中間包某一出口的,N為統(tǒng)計(jì)量個(gè)數(shù),本研究N=3.CV值越小,表示各流間的流動(dòng)特性差異越小.4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4.1中間包td測(cè)量結(jié)果采用“刺激-響應(yīng)”實(shí)驗(yàn)方法,階躍式加入示蹤劑(飽和KCl溶液),在中間包出口處測(cè)定示蹤劑濃度的變化,從而得到流體在中間包內(nèi)的響應(yīng)曲線(即RTD曲線).實(shí)驗(yàn)過程測(cè)量水溶液的電導(dǎo)率代替示蹤劑的濃度.圖4為典型的單流中間包RTD曲線,其中,c為中間包出口處電導(dǎo)率(μS/mm),tmin為自加入示蹤劑到中間包出口處觀測(cè)到示蹤劑的時(shí)間滯止時(shí)間(s),tmax為中間包出口處出現(xiàn)最大電導(dǎo)率的時(shí)間峰值時(shí)間.平均停留時(shí)間ta以下式定義:式中,t為時(shí)間自變量(s).將積分式(5)化為求和:式中,ti為從開始加入示蹤劑到時(shí)間步數(shù)為i步時(shí)的時(shí)間間隔(s),ci為ti時(shí)刻的出口處對(duì)電導(dǎo)率(μS/mm),?ti為時(shí)間間隔(s).本研究中間包為左右對(duì)稱的T型中間包,實(shí)驗(yàn)過程中只對(duì)中間及右側(cè)出水口的電導(dǎo)率進(jìn)行監(jiān)測(cè).受監(jiān)測(cè)的出水口編號(hào)分別為I、II和III,詳見圖1.4.2研究設(shè)計(jì)和模型建立為解決澆鑄結(jié)束后中間包內(nèi)殘鋼的切割問題,石鋼預(yù)在中間包各出鋼口之間添加擋壩.由此,本研究選用的影響因子包括:A湍流抑制器,B擋墻,C擋壩,D拉速.各影響因子均取兩水平,表1為本研究的因子水平表.其中,中間包右側(cè)各流間的擋壩尺寸圖如圖5所示,擋壩1距出鋼口II的距離為300mm,擋壩2距出鋼口III的距離為400mm.4.3石鋼交互作用誤差項(xiàng)設(shè)計(jì)按L8(27)正交表安排正交實(shí)驗(yàn),4個(gè)主效應(yīng)分別安排在第1,2,4和7列.各交互作用項(xiàng)均做誤差項(xiàng)處理,表頭設(shè)計(jì)見表2(其中e為誤差項(xiàng)),詳表從略.其中方案2和方案6為石鋼現(xiàn)有工況.每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次,共進(jìn)行24次實(shí)驗(yàn).5結(jié)果與分析5.1中間包內(nèi)流動(dòng)特性的比較表3為各方案下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.由表3可知,各方案條件下的幾乎不同.因此,不宜采用標(biāo)準(zhǔn)差描述各方案條件下各流鋼液流動(dòng)特性的一致性,而應(yīng)采用離散系數(shù).以CV1,CV2和CV3分別代表ta,tmax和tmin的離散系數(shù),各離散系數(shù)值也列于表3中.若根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn),采用標(biāo)準(zhǔn)差S描述各流流出鋼液在中間包內(nèi)流動(dòng)特性的一致性,則有可能會(huì)給最優(yōu)方案的選取造成一定的影響.如對(duì)于方案1和方案3的峰值時(shí)間tmax,可算得其標(biāo)準(zhǔn)差分別為95和52;若按峰值時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差判斷,方案3優(yōu)于方案1.而按離散系數(shù)進(jìn)行比較,由表3可知,方案1的峰值時(shí)間的一致性優(yōu)于方案3.根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)果可知,平均水平(平均值)不相等的情況下,采用離散系數(shù)評(píng)判一致性更為合理.5.2“#”的著作性檢測(cè)采用指標(biāo)單個(gè)分析綜合處理方法,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析.將第3,5,6列作為誤差項(xiàng).表4為極差分析結(jié)果,其中k1和k2分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)在某影響因子取水平1和水平2時(shí)的平均值,R為極差.表5為極方差分析結(jié)果.其中,“***”表示非常顯著,顯著性水平為0.01;“**”表示比較顯著,顯著性水平為0.05;“*”表示一般顯著,顯著性水平為0.10;“×”表示不顯著.根據(jù)表4和5可知:(1)湍流抑制器對(duì)平均停留時(shí)間的影響比較顯著,采用方形湍流抑制器可提高鋼液在中間包內(nèi)的平均停留時(shí)間,比采用圓形湍流抑制器提高了12s.平均停留時(shí)間的提高,為鋼液中夾雜物的上浮提供了有利條件,提高鋼液的純凈度.由此,湍流抑制器取水平1為佳.(2)擋墻對(duì)各離散系數(shù)CV均顯著.由此表明,采用V型擋墻可均衡各流間流動(dòng)特性,減小各流間的離散程度.各流間離散程度減小,可降低各流鑄坯質(zhì)量的差異.因此,擋墻取水平2為佳.(3)石鋼0號(hào)中間包內(nèi)添置擋壩,不僅未改善中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)特性,反而加大了各流間滯止時(shí)間的離散程度.因此,擋壩取水平2為佳.(4)降低拉速雖然降低了各出水口滯止時(shí)間的離散程度,但可延長峰值時(shí)間和滯止時(shí)間.因此,拉速取水平1更優(yōu).由上述分析可確定出本研究中間包的最優(yōu)方案為A1B2C2D1(本研究中的方案4),即石鋼0號(hào)5流中間包的最優(yōu)方工況為:采用方型湍流抑制器和V型擋墻,不添加擋壩,拉速為1.5m/min.6石鋼5流0號(hào)中間包的特點(diǎn)(1)根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,本研究提出了適用于多流中間包各流流出的鋼液在包內(nèi)流動(dòng)特性一致性的評(píng)價(jià)指標(biāo)(即離散系數(shù)),而不應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)差.(2