注流孔结构对中间包流场影响的物理模拟_王阳.pdf
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1、第 23 卷第 2 期2023年 2月过 程 工 程 学 报The Chinese Journal of Process EngineeringVol.23 No.2Feb.2023Physical simulation of orifices of turbulence inhibitor on fluid flow characterization in tundishYang WANG,Xiaoming LI*,Jiayu ZHU,Jianli WANG,Jun WU,Ming L*,Yongkun YANG*School of Metallurgical Engineering,Xia
2、n University of Architecture and Technology,Xian,Shaanxi 710055,ChinaAbstract:To solve the problems of poor flow field distribution and uneven quality of each stream caused by the unreasonable structure of the orifice of the ten-stream tundish turbulence inhibitor in a steel plant,an experimental 1:
3、3 hydraulic model was established to conduct water model tests by using the similarity principle.On the basis of different orifice structures,the uniformity of each stream was considered fully and then the optimal structure of the orifice and the effect of the orifice structures on the tundish flow
4、field were obtained by means of the comprehensive analysis of the residence time distribution curves of liquid in the tundish and the display characteristics of the flow field.Experimental results showed that for the long-distance and multi-stream tundish of no weir structure,the size,quantity,and d
5、irection of the inner diameter of the orifice of the turbulence inhibitor all affected the flow field of the tundish,and the effect of the inner diameter of the orifice was the most significant.The inner diameter of the optimal orifice designed in this work reduced from 53 mm to 30 mm in the prototy
6、pe,the dead zone ratio reduced from 54.05%to 34.69%,the maximum standard deviation of the F curve reduced from 0.0154 to 0.0035,the flow field of the tundish was improved,and the flow field of each flow was improved.The uniformity among the streams was significantly improved.The number of orifices i
7、ncreased from 1 to 3,the proportion of dead zone increased from 34.69%to 46.05%,and the maximum standard deviation of the F curve increased from 0.0035 to 0.0062.The more the number of orifices was,the higher the proportion of dead zone in the flow field was.The larger the value was,the worse the co
8、nsistency of the flow field of each nozzle was.For the long-distance and multi-stream tundish,it was recommended to improve the flow field of the tundish by appropriately changing the inner diameter of the orifice,reducing the number of orifices.Key words:tundish;turbulence inhibitor;orifice;physica
9、l simulation;flow fieldDifferent orifices schemesA0A3A4A7DJ800 systemWaterTracer研究论文DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.222093收稿:2022-03-21,修回:2022-05-09,网络发表:2022-06-07;Received:2022-03-21,Revised:2022-05-09,Published online:2022-06-07基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:52074207)作者简介:王阳,硕士研究生,冶金工程专业,E-mail:;通讯联系人,李小明,教
10、授,冶金工程专业,E-mail:;吕明,副教授,冶金工程专业,E-mail:;杨永坤,副教授,冶金工程专业,E-mail:引用格式引用格式:王阳,李小明,朱佳雨,等.注流孔结构对中间包流场影响的物理模拟.过程工程学报,2023,23(2):235243.Wang Y,Li X M,Zhu J Y,et al.Physical simulation of orifices of turbulence inhibitor on fluid flow characterization in tundish(in Chinese).Chin.J.Process Eng.,2023,23(2):2352
11、43,DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.222093.过 程 工 程 学 报第 23 卷 注流孔结构对中间包流场影响的物理模拟王 阳,李小明*,朱佳雨,王建立,吴 军,吕 明*,杨永坤*西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西 西安 710055摘要:针对某钢厂十流中间包紊流抑制器注流孔结构不合理引起流场分布差、各流铸坯质量不均的问题,运用相似原理,使用相似比为1:3的物理模型进行水模型实验,设计不同的注流孔结构研究流体在中间包的平均停留时间曲线及流场显示特征,明晰注流孔结构对中间包流场的影响规律,优化紊流抑制器注流孔结构,达到中间包流场优化及浸入式水口各流一致性提高的目标
12、。结果表明,长距离多流中间包在无堰坝结构条件下,紊流抑制器的注流孔内径尺寸、数量及开孔方向对中间包流场都有影响,注流孔内径的影响最为显著,数量次之。设计的最佳注流孔内径由原型的53 mm缩小至30 mm,死区比例由54.05%降至34.69%,F曲线最大标准差由0.0154降低至0.0035,中间包流场得到改善,各流一致性显著提高。当注流孔数量由1个增加至3个,死区比例由34.69%增大至46.05%,F曲线最大标准差由0.0035增大到0.0062,注流孔数目越多,流场死区比例反而越大,各水口流场的一致性越差。对长距离多流中间包,建议主要通过适当改变注流孔内径及减少孔数来改善中间包流场,提高
13、各流一致性。关键词:中间包;紊流抑制器;注流孔;物理模拟;流场中图分类号:TF777 文献标识码:A 文章编号:1009-606X(2023)020235091 前 言 中间包是连铸重要设备,通过优化包内控流装置改变钢液流动状态,可达到均匀钢液温度与成分、提高铸坯质量的效果。挡墙结构及紊流抑制器是中间包常用的控流装置,无论是采用单一控流装置,还是将不同控流装置进行组合使用,都能在一定程度上改善中间包的流场1-3。目前,中间包控流装置结构优化主要聚焦于钢包长水口注入区域的冲击垫和冲击垫后方挡墙结构改造4-9。其中,Zheng等10指出紊流抑制器及挡墙的设计可以显著改善流体流动;Yao等11阐述了
14、不同紊流抑制器下的钢液冲击区域的不同流型,并针对不同紊流抑制器下中间包流场情况进行了分析;张彩军等12研究了不同紊流抑制器结构下中间包的流场及温度场,并提出最佳紊流抑制器结构以优化中间包流场。对于冲击垫后方挡墙结构,主要关注的是挡墙上的导流孔结构,通过改变导流孔的内径大小、数量及开孔方向达到优化中间包流场的目的。陈敏等13通过优化挡墙上导流孔开孔方式延长钢液平均停留时间,进而降低中间包内死区比例,达到促进连铸生产顺行,提高铸坯质量的目的。Ai等14通过优化挡板上导流孔的高度、直径及角度,提高了各流之间的均匀性。Yang等15对非对称T型中间包挡坝底进行挖孔以改善中间包的流场,并指出孔过多、孔径
15、过大会缩短平均停留时间,增大死区面积。Zhang等16研究了冲击垫后方挡墙上不同导流孔结构下的中间包流场,指出随着导流孔直径增大,平均滞留时间减小;随着注入角增大,平均停留时间先减小后增大,降低了夹杂物碰撞和结合的可能性。对无堰坝结构长距离多流中间包,结构优化主要集中在紊流抑制器冲击垫,但实际生产中,改造后的中间包仍存在同炉次各流铸坯质量不同及稳定性差等问题。本工作中某钢铁企业的中间包无堰坝结构,其中紊流抑制器注流孔一侧结构与挡墙作用相当,但其注流孔与挡墙结构上的导流孔又有所区别。综合学者对堰坝结构导流孔及紊流抑制器冲击垫改造的研究,发现鲜有学者关注紊流抑制器注流孔结构。为提高同炉次各流铸坯质
16、量及稳定性,运用相似理论进行水模型实验17,对中间包原型紊流抑制器的注流孔结构进行改造,基于停留时间分布函数曲线与累计停留时间分布函数曲线18-20,结合水模型数据分析方法21,分析不同内径尺寸、数量及开孔方向的注流孔结构对中间包流场的影响,获得注流孔结构对中间包流场的影响规律,提出优化后的注流孔结构参数,为企业产品提升、技术革新和设备改造提供依据。2 实 验 2.1 物理模型建立中间包原型与物理模型需同时满足几何相似和物理相似,原型中间包是左右对称的2个结构,选用左侧中236第 2 期王阳等:注流孔结构对中间包流场影响的物理模拟间包作为研究对象,图 1 为原型左侧中间包结构示意图。建立中间包
17、物理模型主要考虑钢液内惯性力、表面张力、重力、浮力等的影响作用。由于模型和原型的Re准数处于同一自模化区,故只需保证弗劳德准数Fr相等,Fr准数的表达式如式(1)所示。据Fr准数相等可知中间包原型与模型需满足式(2)(4)。原型及水模型参数见表1。Fr=v2gL(1)vm=0.5vp(2)Qm=2.5Qp(3)tm=0.5tp(4)式中,Fr为弗劳德准数,v为流体速度(m/s),g为重力加速度(9.8 m/s2),L为特征尺寸(m),为相似比(1/3),本研究选用1:3,vm为模型水流速(m/s),vp为原型钢液的流速(m/s),Qm为模型水的流量(m3/min),Qp为原型钢液的流量(m3/
18、min),tm为模型水的停留时间(min),tp为原型钢液的停留时间(min)。2.2 实验方法中间包作为连续流动反应器,其流体停留时间不是一个定值,存在一个停留时间分布。为充分评价流体在中间包内流速分布及扩散情况,实验采用刺激-响应技术22测量中间包内钢液的停留时间分布曲线。当刺激信号输入方式不同,可得到不同的RTD曲线。采用脉冲输入时,得到的是停留时间分布函数E曲线。采用阶段输入时,得到的是累计停留时间分布函数F曲线。实验装置主要由钢包、中间包模型、水口、DJ800电导率检测与采集系统等(中国水利水电科学研究院)组成。图2为中间包水模型实验装置示意图。使用刺激-响应技术进行实验时,通过控制
19、进出水阀门调整工作液面高度的动态平衡,之后在中间包的长水口入口处脉冲式一次性加入饱和氯化钾溶液 250 mL,同时在出水口处用DJ800电导率采集系统采集该信号的输出,再用无量纲与归一化方法将实验所得的电导率随时间变化转换为E曲线。F曲线按式(5)由E曲线转化而来23。F()=0E()d(5)式中,为无量纲时间,F()为F曲线函数,E()为E曲线函数。根据F曲线计算无量纲化后各流流体浓度随时间的标准差F()以评价各流一致性。视F曲线中无量纲滞止时间为活塞区分数,大于2倍理论停留时间的部分为死区。平均F曲线函数、F曲线的标准差函数、活塞区比例、死区比例、全混区比例的计算式分别如式(6)(10)所
20、示24。根据无量纲化前所测滞止时间、峰值时间及无量纲化后F曲线所得死区、活塞区、全混区分数综合评价中间包流场状况。-F=F1+F2+Fnn(6)F()=1ni=1n(Fi-F)2(7)Unit:mm 图1原型中间包左侧结构示意图Fig.1Structural diagram of left side of prototype tundish表1中间包原型与模型参数Table 1Parameters of prototype and model tundishParameterPrototypeHydraulic modelFlow rate,Q/(m3/min)0.2500.016Stream
21、 distance,L/mm1200400One-sided tundish volume,V/m35.371.79Theoretical meanresidence time,t/min21.012.1WaterOrificeTurbulence inhibitorTundishWorking liquid levelLadleTracerConductivity meterDJ800 system 1#2#5#3#4#图2中间包水模实验装置示意图Fig.2Schematic diagram of tundish water model test device237过 程 工 程 学 报第
22、23 卷 VpV=min(8)VdV=1-021-F()d(9)VmV=1-VpV-VdV(10)式中,-F 为平均F曲线函数,Fi为第i流的F曲线函数,F()为F曲线的标准差函数,min为无量纲滞止时间,VpV为活塞区比例(%),VdV为死区比例(%),VmV为全混区比例(%)。研究流场显示时,从钢包的长水口以脉冲的方式一次性加入250 mL高锰酸钾溶液,用高速摄像机对高锰酸钾溶液在中间包内的运动情况进行录像(每隔0.5 s用高速摄像机进行拍照),通过观察高锰酸钾溶液的运动轨迹可以定性地分析中间包内流体的运动情况。2.3 实验方案由于钢液通过紊流抑制器的注流孔流入中间包,因此中间包注流孔内径
23、尺寸、数量以及方向都直接影响中间包的流场。在现场使用的原型中间包注流孔结构的基础上,改变注流孔的内径尺寸、数量及开口方向,以研究中间包的流场变化。注流孔结构设计如图3所示(图示尺寸为原型尺寸,模型尺寸为原型的1/3)。其中,孔0即原型孔,位于紊流抑制器弧面垂直中心轴,孔心轴距紊流抑制器底部400 mm,开孔方向为水平向上15,内径为160 mm(对应模型53 mm)。孔1与孔0为同心轴,内径为90 mm(对应模型30 mm)。孔2靠近水口一侧、孔3远离水口一侧,孔心轴与原型水平夹角都为45、尺寸与孔1相同,距紊流抑制器底端480 mm。孔4开孔方向为水平0,内径160 mm,距紊流抑制器底端8
24、00 mm。孔5为孔1垂直向上平移400 mm。表2为不同紊流抑制器注流孔结构实验方案。方案A0与A3主要是内径不同,即仅开原孔或孔1。方案A4与A6主要是开口方向不同,即在孔1基础上,同高度增开孔2或孔3。方案A3,A4与A7主要是开孔数目不同,即在孔1基础上,依次增开孔2和孔3。方案A1,A2,A5与A8在原孔基础上,增开一个不同孔。3 结果与讨论 3.1 原型注流孔中间包流场原型紊流抑制器注流孔结构中间包各水口的流场特性如图4所示。从图4(a)可以看出,对于3#,4#,5#水口,示踪剂在约20 s响应,约30 s达到峰值时间,流体滞止时间和峰值时间较1#和2#水口短。原因是注流孔到中间包
25、出口距离短,注流进入包内后迅速到达出口25。从图4(b)可以看出,中间包总体死区比例高达54%,有效工作空间占比低。较短的滞止时间及峰值时间和较高的死区比例不利于非金属夹杂物的去除,不利于钢液成分和温度均匀。原型紊流抑制器注流孔结构的中间包各水口RTD曲线如图5所示。从图5(a)可知,示踪剂和水的混合效果差、死区比例大,这是因为各水口 E 曲线的拖尾很长26。各水口E曲线有两个及两个以上的尖峰,示踪剂响应后浓度迅速达到浓度峰值,随后快速下降,出现明显尖峰。这是因为流体一旦到达中间包底部,就直接向出口流动,没有机会与周围流体接触27。之后又小幅度上升形成第二浓度峰值,再无明显的第二次越过首峰值的
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