中间包结构优化水模型实验研究

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1、张店钢铁总厂科技进步项目验收报告项目名称：中间包结构优化水模型实验研究项目承担单位：炼钢厂、北科大项目负责人：左茂芳、刘春华年月日第12页共12页1项目概况：随着连铸技术的发展，人们对钢水洁净度的要求不断提高。为了保证连铸顺行，钢水必须有足够的纯净度，钢水成分范围要尽可能精确控制，钢水温度和过热度要在足够长的时间内保持稳定。因此中间包冶金的作用和地位受到了更大的关注。（1）通过减少各流之间滞止时间、平均停留时间上的差异带来各流温度差异上的危害，为二冷动态配水建立基础保障；（2）增加钢水在中间包内的停留时间，通过挡渣墙导流孔抛射角的作用结合挡渣坝的

2、二次提升对钢水成分、温度进一步均匀，缩短钢水上浮距离，减少钢水上浮时间达到进一步减少钢水夹杂物的效果；（3）减少死区比例、增加活塞区、全混区比例,进一步对成分和温度进行均匀化；尽可能消除由于温度不均匀、成分不均匀等带来的偏析；（4）减少非稳态浇钢再次污染的来源，即防止二次氧化、减轻耐火材料侵蚀、减少钢包渣的卷入以及渣中不稳定氧化物的危害。（5）改善钢水流动条件，最大可能去除钢中非金属夹杂物；亦即防止短路流，减小死区，改变流线方向，增加钢水的停留时间。（6）选择合适的包衬耐火材料和熔池覆盖剂，既减轻热损失又有利于吸收分离和上浮夹杂物。（7）控制好钢

3、水温度，必要时增加加热措施，使钢水过热度保持稳定。第12页共12页炼钢厂根据自身中间包实际生产情况以及提升产品质量的迫切需求，从发挥中间包冶金作用、提高钢水洁净度入手，采用水模型模拟的方法优化中间包结构，因此与北京科技大学开展技术开发合作。本项目研究的总体思路为依据张钢目前中间包结构以及现有生产工艺参数，进行中间包结构的水模型优化试验，提出适合张钢生产工艺的中间包结构优化方案，从而提高钢水洁净度。2主要技术研究内容（技术研究思路或方案、方法）2.1中间包结构水模型优化研究建立相似比为1：2的七流小方坯中间包水模型，设计、加工制作不同类型、不同参数

4、的挡墙、挡坝、导流墙等控流装置；2.1.1、中间包挡墙结构优化进行中间包空包试验，对平均停留时间、死区、活塞区、全混区等流场指标进行评价，并进行流场显示试验；对现场中间包原型进行试验，对各流场指标及流场显示进行评价；针对空包及原型中间包各流的流场指标，加工不同类型挡墙、挡坝、导流墙等控流装置，研究各流之间不同位置、不同高度、不同类型的控流装置对中间包流场的影响规律，寻找最优的控流装置组合。中间包内“稳流器”效果优化对现用稳流器的稳流效果进行评价；研究不同形状、不同面积、不同高度稳流器对中间包流场的影响规律；研究不同稳流器对冲击区渣眼的影响规律。2

5、.1.2、中间包临界卷渣高度研究针对当前的中间包结构和优化后选定的中间包结构，研究中间包液位下降时中间包流场的变化，考查各水口出流区周围漩涡形成时液面高度和导致卷渣形成的液面高度，给出不同工艺条件下开浇、换包、停浇时的中间包流场变化及中间包临界卷渣高度，为现场操作提供理论指导，减少中间包留渣量。2.2、工艺及技术参数第12页共12页2.2.1、几何相似本试验建立的水模型按照张钢目前的中间包原型尺寸，根据试验室条件，选取几何相似比λ=1/2。2.2.2、动力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

6、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。2.2.3开发（研究）技术方案及方法2.1.3.1模拟研究方法的理论依据是相似原理，即满足相似第二定律。中间包内钢液的流动可视为粘性不可压缩液体的流动，同时钢液内部的主要作用力为重力、粘性力和惯性力。动力相似则要求模型与原型中流体的Re数和Fr数相等。试验研究表明，不论中间包的几何形状和尺寸大小，流动过程的湍流Re数是非常相近的，因此只要保证模型与原型的Fr数相等即可，即：Frm=Frp（3-

7、1）式中，下标m表示模型，下标p表示原型。如果取反应器尺寸作为特征长度L，液面流速作为特征速度u，满足式3-1时，um2/gLm=up2/gLp（3-2）所以um/up=(Lm/Lp)1/2（3-3）又因为式（3-1），所以um/up=λ1/2（3-4）又因为Qm=πdm2um/4（3-5）第12页共12页Qp=πdp2up/4（3-6）Qm/Qp=λ5/2（3-7）又因为tm/tp=(Lm/um)/(Lp/up)（3-8）所以tm/tp=(Lm/Lp)(up/um)=λ1/2（3-9）在工程问题中，我们通过大量微元的停留时间分布，来反映流体的流

8、动状况。这就是通常应用的“刺激—响应”试验技术。它的基本原理是在反应器的入口处脉冲加入示踪剂，常用的示踪剂有电解质（如KCl、NaCl、