冶金过程水模型实验讲义2015(1)

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1、95冶金过程水模拟【实验性质】综合性实验；学时：45.1实验目的中间包是炼钢连铸生产流程的中间环节，是连接钢包和结晶器之间的过渡容器，是由间歇操作转向连续操作的衔接点，随着连铸技术水平的不断提高，中间包对于精炼和提高铸坯质量方面的作用越来越明显，已经由普通的过渡容器发展为多功能连铸反应器。中间包现在的冶金作用不仅是储存和分配钢包钢水，而且还通过控流装置，调整钢液流动状态，从而达到均匀温度和促进非金属夹杂物上浮的效果。中间包冶金效果和中间包内部结构有关，比如挡墙挡坝、导流孔、湍流抑制器、过滤装置、使用塞棒、中间包吹氩等都影响着钢液的流动状态，所以通过水模型实验优

2、化中间包内控流装置是中间包科研工作的一个方面。本实验要求学生设计两个实验方案，针对这两个方案做中间包RTD曲线的测定和流场显示，将实验结果加以对比分析，看哪个设计方案有利于夹杂物上浮，有利于钢液成分和温度的均匀。通过本实验不仅使学生学会中间包水模型实验方法，而且学会通过实验数据进行对中间包性能进行分析，为将来参与相关的科研活动奠定基础。5.2实验基本原理本实验中用水模拟钢液，用有机玻璃模型模拟实际中间包。这是因为水易于操作且20℃水的运动粘度与1600℃钢液的运动粘度相当，其各自的物理性质如表1.1表120℃水和1600℃钢液的物性参数本实验以相似原理为理论基

3、础，要保证模型与实型的相似，必须满足几何相似，动力相似，才能保证运动相似。中间包内钢液的流动，是液体在重力作用下从大包水口流入中间包内，然后从中间包水口流出。在这种情况下，可视为粘性不可压缩稳态等温流动。中间包中的钢液流动主要受粘滞力、重力和惯性力的作用，为保证原型与模型的运动相似，需要采用雷诺数、弗鲁德数同时相等。雷诺数（1）弗鲁德数（2）9其中：ρ：密度；L：长度；u：流速；μ：粘性系数；g：重力加速度。模型几何尺寸与原型几何尺寸的比称作比例因子。当原型与模型的雷诺数与弗鲁德数同时相等时，要求比例因子为1:1。如果实验条件允许时，尽可能采用1:1模型；如果

4、不能实现1:1时，可以缩小比例。原因有以下两个方面，一是流体处于自模化区时流动速度分布彼此相似，与Re数不再有关，这种现象便称为自模性。常将Re<2000的范围称为第一自模化区。当2000104时，流动再次进入自模化状态，称为第二自模化区，只要原型设备的Re数处于自模化区以内。则模型和原型Re数就不必相等，本实验的和都处于104~105之间同处于第二自模化区。另外在流体在由钢包流向中间包，中间包流向结晶器的过程中，流动主要由重力引起，因此只考虑与重力相关的准数弗鲁德

5、数。5.3实验参数确定(1)模型流量的确定根据Fr准数相等，可以确定模型流量，反之，通过模型流量的确定保证了原型与模型的弗鲁德数相等。下式中r代表原型，m代表模型。（3）即：（4）即（5）（6）（7）式中，λ为比例因子，本实验中取1:2.5。由式（7）可确定水模型中间包出水口流量。中间包所需参数见表2。表2实际拉速与实验流量的换算表格规格/mm实际拉速m/min原型出水口流量模型流量1400*2301.019.321.955实际流量模型流量（2）实验液位的确定根据工厂实际生产液位和比例因子来确定实验液位。本实验中原型中间包内出水口处至9钢液位高度为1100mm

6、，比例因子为1/2.5，则实验中水的液位高度为440mm。（3）采集时间的确定数据采集时间要大于两倍的理论停留时间。如中间包模型中水体积为：，取模型流量Q=1.955，则理论停留时间为：t＝V/Qm=3600*0.496/（2*1.955）＝456s，实验采集时间应大于2倍理论停留时间（912s），本实验采集时间设为16分钟（960s）。5.4实验装置本模拟系统由上水系统，示踪剂加入系统，数据采集系统和排水系统四部分组成，具体包括大包，有机玻璃中间包模型，长水口，中间包内控流装置(湍流抑制器，挡墙，挡坝，塞棒等)，示踪剂加入装置，电导探头，电导率仪和数据记录仪

7、(DJ800)等，装置示意图如下：4进水泵回水泵控制柜计算机流量计流量计电磁阀电磁阀示踪剂漏斗电磁阀钢包滑轮液位计电极电导率仪5.5实验方法1）测量停留时间分布通常应用“刺激-响应”实验来测量停留时间分布。其方法是：在中间包注流处输入一个刺激信号（信号一般使用饱和氯化钾溶液来实现），然后在中间包出口处测量该输入信号的输出，即所谓响应，从响应曲线得到流体在中间包内的停留时间分布。本实验采用脉冲法加入示踪剂，即瞬间把所有的示踪剂都注入到进口处的物流中，在保持流量不变的条件下，测定出口物流中示踪剂浓度C随时间的变化即RTD曲线。9本实验采用饱和的KCl溶液作示踪剂，

8、在大包水口支管处加入200ml，时间大