电磁净化中间包水模拟试验研究

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1、482007年7月电磁净化中间包水模拟试验研究王保军钟云波王赞任忠鸣雷作胜任维丽上海大学材料学院上海市现代冶金与材料制备重点实验室，上海200072摘要本文采川水模试验，对电磁净化中间包中不同控流装置配迓和旋转速度下的停留时间分布曲线进行了测试，对电磁净化屮间包屮流体的流动特性，以及旋转运动在屮间包净化钢液中所起的作用进行了分析和探讨。结果表明，电磁净化中间包闘形腔中的旋转运动能够减小中间包中死区分数，增加活塞区比例，同时增长平均停甜时间，但旋转速度不是越髙越好，存在一个绘佳值。关键词电磁净化中间包；RTD

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4、线；水模拟1概述钢铁材料是金属家族中应用授广泛的一种结构材料，在国民经济建设中起看举足轻重的作用。近年来，随着能源问题的LI益突出以及循环经济理念的深入，生产高强度、高品质的钢铁材料成为钢铁企业发展的必然趋势。在各种提高钢铁材料性能的工艺中，提高材料的纯净度是最重要的环节因此，在钢铁生产过程中，最大限度提高钢液的纯净度，获得洁净的钢铁材料，一直是冶金科研工作者追求的1=1标。中间包作为连接钢包和结晶器的屮问容器，它起着均匀温度、稳定流动、促进夹杂上浮等功能，对钢液的洁净度提高起着至关重要的作用〔2】，因此，如何优化

5、屮问包结构，获得最佳的流场和更反的平均停留时间，提高夹杂物的去除效率，成为屮间包冶金的主要内容之一。目前中间包中提高夹杂物去除效率的主要方法有扩容、结构优化设计、底部吹弑、掘气保护、等离子体加热等卩句，这些方法对钢中夹杂物去除具有一定的积极意义，然而，在连铸生产效率日益提高的今天，上述方法的除杂效率仍有待提高，特别是随着高效连铸概念的提出，迫切需要更加高效的净化技术，以保证在高的钢液流量的情况卜•，仍然能够得到纯净的钢液。近年来，由口本川崎公司开发的中间包电磁净化钢液技术取得了很好的效果，并已在该公司的生产中得到实

6、际应用［I］。该技术的基本原理是将中间包分成岡形腔和矩形腔，在闘形腔（大包水口注入区）的外围装置有一个半圆形的旋转磁场发生器，利用旋转磁场在钢液中感生洛仑兹力，驱动钢液旋转，钢液屮的夹杂物由于密度比钢液小，在离心力作用下向钢液中心迁移，贝II钢液旋转屮心区域夹杂物浓度不断增加，进而碰撞长大，上浮而进入渣层，从而使钢液得到净化。根据Stokes定律可知，钢液屮夹杂物上浮速度与夹杂物粒径平方成正比，因此这种促进夹杂物碰撞长大的方法对提高夹杂物的去除效率非常有效（10］o此外，这种方法还具冇无需与钢液接触、细微夹杂物去除

7、效果明显、夹杂物可开路排放等特点而成为钢液净化去除夹杂的一种颇具潜力的方法。由于口本方技术保密以及其他原因，这一技术在国内并没有得到寧握和应用。木文在前期研究基础上，针对中间包电磁净化技术中，对不同旋转速度和不同屮间包控流装凶参数下的流场特性进行了水模拟研究，以期掌握电磁净化中间包的一•些流动特性，为以后的实际应用提供参考。2实验原理和方案2.1实验原理水模拟研究的依据是相似原理〔⑴，即模型与实型中液体流动几何相似和动力相似。对于动力相似要求模型与实型中的流体的雷诺准数Re和弗鲁徳准数Fr分别相筹，但相似原理认为，

8、当模拟系统进入第二自模化区域，处于自模化状态，即该系统的流动状态与流速与雷诺数无关。经计算，本试验的实物与模型流体的雷诺数均已进入第二自模化区域，因此只考虑保证模型与原型的弗劳徳数相等，即可达到动力相似。为了模拟的更为真实和准确，线性比尽可能的大，根据实验条件，模型与原型的尺寸比：Lm!Lp=X=0.5速度比：匕”/匕=入°”=0.707流量比：=0.177根据这些比例关系，就町以山实验值推岀实际所需的生产条件。2.2实验装置针对国内某厂18吨中间包，用有机玻璃按照1:2比例制作中间包模型，旋转室的漩流由插入岡形腔

9、中成对称分布的三根岡棒旋转产生，用来模拟旋转磁场驱动钢液旋转，旋转电机采用变频装置无极调速，转速可在0〜60转/分钟之间任意设定。在大包长水口靠近大包底部处设置示踪剂加入口，在中间包出水口处设置电导电极，通过信号转换，将信号输入计算机可以实时记录水中盐水浓度变化情况，最小的采样时间间隔为100mso试验装置如图1所示。/厂O41■钢包;2•加示踪剂漏斗;3.电动机;4.旋转室;5.搅拌桨;&挡墙:7.分配室8-出口；9-坝;10-电导仪;11-数据采集板；12-塞棒；13・计算机处理终端图1水模拟试验装置示意图滞流

10、区体(2)(3)(4)2.3试验方法采用“刺激■响应"技术，使用饱和KC1溶液为示踪剂。在中间包液而达到规定值，且流动稳定后，在钢包反水口处迅速加入示踪剂，通过测定中间包水口处流体的电导率变化，可得出流体随时间变化的分布曲线(RTD曲线)，从而可得出从t水口注流加入示踪剂开始到流出屮间包水口时的最小停留时间(响应时间)tmin和示踪剂浓度达到最大时的峰值间『