长水口插入深度对连铸中间包流体流动影响的研究.doc

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1、长水口插入深度对连铸中间包流体流动影响的研究胡锐（山西工程职业技术学院冶金与环境工程系，山西太原030009）摘要：长水口插入深度对中间包钢液的流动状态有重要影响。以相似原理为基础，进行水模实验，测定了有无控流装置时中间包钢液的停留时间分布曲线（RTD）；采用Fluent软件和数学模拟的方法，仿真计算获得了实际中间包内钢液的流动状态，分析比较了钢液流动的速度矢量图和流线图。从而确定了合理的长水口插入深度。研究结果表明，有、无控流装置时，建议长水口插入深度为110mm左右。关键词：中间包；长水口；物理模拟；数学模拟通常在钢包和中间包之间采用长水口保护浇注，它可以隔绝钢水和空气的接触，可

2、减少钢水的二次氧化，同时减缓温度的损失，提高钢水的纯净度。与敞开浇铸相比较，用长水口浇铸主要有三个方面的优势：一是可降低钢中氧含量；二是减少钢中酸溶铝和合金元素的损失；三是可减少钢中增氮［1-5］。因此，生产过程中，钢包和中间包之间基本上都采用长水口保护浇注，大包长水口插入深度对中间包钢液流动也是有较大程度影响的。本实验采用水模拟及数值模拟的方法，分别研究中间包有、无控流装置时，长水口插入深度对中间包内流场的影响。1实验原理、方法及方案1.1实验原理在中间包系统中，水的流动主要是由质量和惯性力起主导作用而湍流流动，只要保证模型和原型的整体弗鲁德准数Fr相等，就能保证它们的动力相似。对

3、几何相似，模型（Lm）与实型（LR）的几何相似比例选择为Lm∶LR=1∶3。1.2实验装置试验设备及试验材料包括：按1∶3的比例制作有机玻璃中间包模型，长水口插入深度是可调节的，以便于进行多组不同情况下的试验、电导仪3台、中间包五流水口用转子流量计5台、中间包进水（大包水口）用转子流量计1台、示踪剂（NaCl盐溶液）等。另外，还有实验数据采集和存储的计算机1台、采集及数据处理软件1套。1.3实验方法模型中间包用有机玻璃制成，用水作为模拟钢水的介质。用刺激—响应试验方法测定流体在中间包内的停留时间分布曲线（即RTD曲线）。实验过程中调节钢包与中间包液面使之达到实验要求并保持恒定，经过一

4、段时间稳流后，从大包注流处脉冲定量加入饱和的NaCl溶液，利用安放在中间包水口处的电导电极测定电导率随时间的变化（即NaCl的浓度变化），并用记录仪对其连续记录，由此判断流体在中间包内的流动状态。1.4实验方案分别实验研究长水口插入深度对无控流模式及多孔挡墙模式中间包钢液流动的影响。在不同的钢液面（850mm、700mm、550mm）、不同的拉速（1.8m/min、2.5m/min、3.2m/min）及不同的控流装置条件下进行长水口插入深度的实验，并通过电导仪绘制RTD曲线，计算出钢液在中间包内的停留时间，从而获得正常浇注条件下合适的长水口插入深度。下页表1给出钢液面为850mm，拉

5、速为2.5m/min条件下的实验结果。表1中水口序号：1号水口为中间包最中心的水口；2号水口为中间包最中心水口和最边上水口之间的水口；3号水口为中间包最边上水口。Ta为平均停留时间；Tmin为初次响应时间；Vm为混合区体积分数；Vd为死区体积分数；Vp为活塞区体积分数。1.5实验结果与分析中间包无控流装置时，随着长水口插入深度逐渐加深，中间包内死区体积分数逐渐增加，活塞流体积分数逐渐减小，各水口的初次响应时间分别逐渐减小。其中，长水口插入深度为150mm时，中间包各水口的响应时间最短，死区体积分数最大，活塞流体积分数最小，钢液的流动模式不理想，生产过程中水口更容易受到钢液的侵蚀，钢中

6、夹杂物上浮的难度增加；长水口插入深度为70mm时，影响中间包钢液流动模式的各项参数最好，但插入深度较小时，容易引起液面波动，严重时造成卷渣；长水口插入深度为110mm时，钢液在中间包有一定的停留时间，死区、活塞流体积分数适中，钢液面也未形成较大波动。因此，110mm左右为适宜的长水口插入深度。使用多孔挡墙后，长水口插入深度的变化对中间包内流体流动的影响是一致的。使用挡墙后，注流区与受钢区分开，钢液经过一定混匀后才进入受钢区。因此，水口插入深度在注流区小范围变化时，对受钢区域的影响较小，对中间包内钢液的流动模式影响减弱。其中，长水口插入深度为70mm时，钢液在中间包的停留时间最长，死区

7、体积分数最小，活塞流体积分数最大，但水口插入深度较小时，钢液面有一定的波动，有卷渣的风险；长水口插入深度为150mm时，影响中间包钢液流动模式的各项参数最差；长水口插入深度为110mm时，中间包死区体积分数减少了29.9%，活塞流体积增大了29.6%，各水口的开始响应时间差异缩小，钢液的流动模式趋于一致且钢液面波动适中，中间包钢液流动状况良好。因此，同样选取长水口插入深度为110mm左右。与无控流装置的中间包相比，使用挡墙后，挡墙对钢液流动模式的影响比水口