连铸中间包内流体运动形态模型分析研究.pdf
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1、基金项目:国家自然科学基金资助项目(,);张家港科技计划项目(Z K C X Y )通信作者:屈天鹏(),男,博士,教授;E m a i l:q u t i a n p e n g s u d a e d u c n;收稿日期:连铸中间包内流体运动形态模型分析研究全齐,屈天鹏,秦俊山,陈刚,王德永,田俊,李向龙(苏州大学 沙钢钢铁学院,江苏 苏州 ;酒泉钢铁集团公司,甘肃 嘉峪关 ;张家港浦项不锈钢有限公司 炼钢事业部,江苏 张家港 )摘要:针对通过R T D曲线结合水模型流场可视化分析中间包内流体运动形态的方法较为复杂,且无法精确地给出死区区域分布的问题,提出了连铸中间包内流体运动形态模型分
2、析方法.基于物理模拟所得R T D曲线分析结果,通过数值模拟判定死区,并确定了死区临界速度值与入口速度值的关系.以死区临界速度为基础,通过数值模拟可实时在线确定死区的占比和区域分布结果,进而评估单流和多流中间包内流体运动形态,并探究了连铸拉速及中间包构造对中间包内死区的占比和区域分布的影响.结果表明,采用流体运动形态模型能快速判定中间包死区,实现了死区的定量化和可视化.同时对比同一构造单流中间包时,死区临界速度随连铸拉速的提高而增大,死区体积分数则相反,而死区分布模式不发生改变.此外,可直观对比多流中间包内不同挡墙导流孔孔径和仰角下死区的大小和区域分布.当多流中间包内挡墙导流孔的孔径为 mm,
3、开孔仰角为 时,多流中间包内死区体积分数仅为 ,且死区集中在中部水口和侧壁附近.关键词:中间包;死区体积;R T D曲线;数值模拟;控流装置;连铸拉速中图分类号:T F 文献标志码:A文章编号:()A n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nf l u i dm o t i o nm o r p h o l o g ym o d e l i nc o n t i n u o u sc a s t i n gt u n d i s hQ U A NQ i,Q UT i a n p e n g,Q I NJ u n s h a n,C H E NG a n g,WA
4、 N GD e y o n g,T I A NJ u n,L IX i a n g l o n g S c h o o l o f I r o na n dS t e e l,S o o c h o wU n i v e r s i t y,S u z h o u ,C h i n a J i u q u a nS t e e l(G r o u p)C o,L t d,J i a y u g u a n ,C h i n a S t e e lM a k i n gD e p a r t m e n t,Z h a n g j i a g a n gP o h a n gS t a i n
5、l e s sS t e e lC o,L t d,Z h a n g j i a g a n g ,C h i n aA b s t r a c t:A i m i n ga t t h ep r o b l e mt h a t t h em e t h o do f v i s u a l a n a l y s i so f f l u i dm o t i o n i nt u n d i s hb yR T Dc u r v ec o m b i n e dw i t hw a t e rm o d e l f l o wf i e l d i sc o m p l i c a t
6、 e d,a n d t h ed i s t r i b u t i o no f d e a dz o n ec a n n o tb ea c c u r a t e l yg i v e n I nt h i sp a p e r,t h ea n a l y s i sm e t h o do f f l u i dm o t i o np a t t e r nm o d e l i nc o n t i n u o u sc a s t i n gt u n d i s h w a sp r o p o s e d B a s e do nt h ea n a l y s i s
7、r e s u l t so fR T Dc u r v eo b t a i n e db yp h y s i c a ls i m u l a t i o n,t h ed e a dz o n ew a sd e t e r m i n e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n,a n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec r i t i c a l v e l o c i t yo fd e a dz o n ea n d t h e i n l e tv e l o c i
8、 t yw a sd e t e r m i n e d B a s e do nt h ec r i t i c a l v e l o c i t yo ft h ed e a dz o n e,t h ep r o p o r t i o na n dr e g i o n a ld i s t r i b u t i o no f t h ed e a dz o n ec a nb ed e t e r m i n e di nr e a lt i m ea n do n l i n eb yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n,a n d t h
9、 e nt h ef l u i dm o t i o np a t t e r n s i nt h es i n g l e s t r a n da n dm u l t i s t r a n dt u n d i s hc a nb ee v a l u a t e d T h ei n f l u e n c eo fc a s t i n gs p e e da n dt u n d i s hs t r u c t u r eo nt h ep r o p o r t i o na n dr e g i o n a l d i s t r i b u t i o no f d
10、e a dz o n e i nt u n d i s hw a s i n v e s t i g a t e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e f l u i dm o t i o nm o r p h o l o g ym o d e lc a nq u i c k l yd e t e r m i n et h ed e a dz o n eo ft u n d i s ha n dr e a l i z et h eq u a n t i f i c a t i o na n dv i s u a l i z a t i o no f d
11、 e a d z o n e A t t h e s a m e t i m e,c o m p a r e dw i t h t h e s a m e s i n g l e s t r a n dt u n d i s h,t h ec r i t i c a lv e l o c i t yo fd e a dz o n ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fc a s t i n gs p e e d,w h i l et h ev o l u m e f r a c t i o no fd e a dz o n e i so
12、 p p o s i t e,a n d t h ed i s t r i b u t i o np a t t e r no fd e a dz o n ed o e sn o t c h a n g e I na d d i t i o n,t h es i z ea n dr e g i o n a l d i s t r i b u t i o no f t h ed e a dz o n eu n d e rd i f f e r e n tb a f f l eh o l ed i a m e t e r sa n de l e v a t i o na n g l e s i n
13、 t h em u l t i s t r a n d t u n d i s hc a nb e i n t u i t i v e l yc o m p a r e d W h e n t h eh o l ed i a m e t e r 年月第 卷 第期炼钢S t e e l m a k i n gA u g V o l N o i s mma n dt h ee l e v a t i o na n g l e i s ,t h ev o l u m e f r a c t i o no f d e a dz o n e i n t h em u l t i s t r a n d
14、t u n d i s hi so n l y ,a n dt h ed e a dz o n e i s c o n c e n t r a t e dn e a r t h ec e n t r a l n o z z l ea n d t h es i d ew a l l K e yw o r d s:t u n d i s h;d e a dz o n ev o l u m e;R T Dc u r v e;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;f l o wc o n t r o l d e v i c e;c a s t i n gs p e
15、 e d中间包作为钢水连铸环节中最后一个耐火材料冶金容器,实现了由间歇浇注向连续浇注的过渡.在连铸过程中,中间包有着分流作用、连浇作用和保护作用.此外,中间包在钢液净化方面也尤为重要,如优化钢液流动和去除非金属夹杂物.以上冶金功能的发挥,与中间包构造息息相关,合理的中间包构造有利于改善钢液流动形态、延长钢液滞留时间以及促进夹杂物的去除,进一步净化钢液.中间包设计和构造优化离不开对中间包内流体流动形态的定量化分析.中间包结构及控流装置优化过程中,常采用物理模拟和数值模拟方法获取中间包内钢液的停留时 间(R e s i d e n c eT i m eD i s t r i b u t i o n
16、)曲 线,将R T D曲线特征参数作为中间包构造优劣的评价指标 .关于R T D曲线分析模型,目前应用较为广泛的是S a h a i等提出的经典组合模型,其适用于研究单流中间包流动特性,但用于双流、多流中间包时,根据R T D曲线分析结果发现远流出口附近死区体积分率存在较大误差或负值的问题,且依据各流的平均停留时间未能准确描述各流的一致性.为更准确描述中间包内流体的流动特性及一致性,国内外研究者对经典组合模型进行了修正研究,并提出了新方法.在分析中间包内流体的流动特性方面,S u等 重新定义了“组合模型”的死区,对死区体积计算方法进行了修正.祝明妹等 提出多流中间包内流体流动的联合R T D曲
17、线分析法,从整体上对中间包内流动形态做出解释.李东侠 和C u i等 采用阶段刺激响应试验,基于停留时间分布F曲线分析,计算死区体积分数.潘宏伟等 提出新的多流中间包流动特征数学模型,揭示了实际流动形态与理想活塞流流动形态的差异机理.L e i 采用修正后的无因次时间组合模型计算了死区体积分数,评估多流中间包的流动特性.李怡宏等 通过开展中间包控流装置布置的正交试验,总结归纳了布置控流装置与死区体积以及构造影响因子D的关系.在评价多流中间包各流一致性方面,李雨倩等 提出了流出百分比的分析方法,根据各流实时的流出百分比曲线计算得到时间加权平均方差和滞留示踪剂百分比,并以此开展中间包水模型试验.韩
18、建军等 选用离散系数描述多流中间包各流流动特性的一致性,以平均停留时间为主评价指标,峰值时间、滞止时间及离散系数为参考评价指标.王晓英等 提出一个适合多流中间包的R T D曲线分析模型,选用短路流、活塞流、混合区及死区体积分数的标准差,进行各流流动一致性判断.王汝栋等 采用各流停留时间标准差和F曲线的最大标准差值对各流的一致性加以评价.目前,最常用的单流中间包内流动特性分析方法是混合模型或组合模型,其中修正组合模型的精确度较高.多流中间包死区特性的分析方法主要有“并联组合模型”、“平均体积分数法”和“新的多流中间包流动特性分析模型”等,但各专家学者对于目前的多流中间包流动特性分析方法存在较大分
19、歧.以上分析方法基于无纲量化R T D曲线计算所得中间包流动特性参数,对中间包内死区体积进行定量化.当某区域的流体平均停留时间超过理论平均停留时间两倍,则该区域被定义为死区.然而,在实际工业生产中死区为中间包中流体流速较低的区域.为更准确地定量分析中间包内流体运动形态,本论文提出了一种连铸中 间 包 内 流 体 运 动 形 态 模 型 分 析 新 方法,并确定死区临界速度值与中间包入口流体流速大小的关系.使用此方法对含不同控流装置的单流中间包流动形态进行分析,通过比较数值模拟与物理模拟所得R T D曲线,对数值模拟获得的中间包死区体积分数和具体位置试验结果进行校正.此外,本文将该新方法应用于在
20、不同连铸拉速条件下单流中间包和不同构造多流中间包的死区判定,实现对单流和多流中间包内死区的定量化和可视化,根据中间包死区体积分数和具体位置,对中间包构造的优劣进行评价.该方法的提出能为中间包内死区的判定和死区区域的分布提供一种新的思路,有利于简化中间包内流体 炼钢第 卷运动形态的评估过程.试验原理 相似原理为确保工业生产所用原型与物理模型中流体流动方式保持一致,应使原型与模型的湍流雷诺准数(R e)和弗劳德准数(F r)相等.通过计算得知,单流连铸中间包原型和物理模型的湍流雷诺准数均已处于第二自模化区,故仅考虑F r数即可.根据F r数相等,通过公式换算即可得到模型中流体的流量、流速以及停留时
21、间:F rpF rm()即:g LpUpg LmUm()式中:F rp和F rm分别为工厂原型和物理模型的F r数;Up和Um分别为原型和模型的水口流速,m/s;Lp和Lm分别为原型和模型的特征尺寸,m;g为重力加速度,m/s.LmLp()Um(Lm/Lp)Up Up()UpAs l a bc a s tAs h r o u dsl()QmUmLmUpLpQp Qp()式中:为物理模型与工厂原型的相似比;As l a b为连铸坯断 面面积,m;c a s t为连铸拉 速,m/m i n;As h r o u d为钢包长水口横截面积,m;s为铸坯密度,k g/m;l为钢液密度,k g/m;Qp、
22、Qm分别为原型和模型的水口流量,m/h.停留时间分布(R T D)曲线分析本文采用“刺激响应”法获得物理模拟和数值模拟过程的示踪剂浓度时间变化曲线,再经无纲量化处理即可得到R T D曲线,其中R T D曲线监测点均在中间包出口处.根据R T D曲线,可得到 中 间 包 的 最 小 停 留 时 间tm i n和 峰 值 时 间tp e a k.示踪剂的平均停留时间tc可表示为:tct c(t)dtc(t)dtnitic(ti)tinic(ti)ti()式中:t为时间,s;c为示踪剂浓度,m o l/L.死区体积分数(Vd/V):VdVQaQc()ctcVa/QaV/QVaVQQa()V/Q()式
23、中:Q为中间包入口流体流量,m/s;Qa/Q为无因次时间时,R T D曲线下的区域面积;V为中间包内流体总体积,m;c为从活塞流区和全混流区流出的流体的平均无因次停留时间;为理论平均停留时间,s.模型的建立 物理模拟试验以某钢厂 t单流连铸中间包连铸工艺参数为基础,建立了相似比为 的有机玻璃单流中间包模型.本文选取种不同构造中间包进行对比研究,其包括无控流装置中间包(C a s e);含堰坝中间包(C a s e);堰坝结合湍流抑制器(T I)中间包(C a s e).中间包的尺寸如图所示,堰坝的具体信息如图所示,其中X mm、H mm、X mm、H mm.湍流抑制器的设计尺寸如图所示.此外,
24、本文还涉及到多流中间包内流体流动,其模型的尺寸如图所示,其中孔径分别为、和 mm;导孔仰角分别为 、和 .单流中间包的物理模拟装置如图所示,其包括中间包模型、液位控制系统、示踪剂自动加入系统、高清摄像机、出口示踪剂浓度检测电导仪和数据采集系统(D J )组成.图单流中间包模型结构示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es t r u c t u r eo f t h es i n g l e s t r a n dt u n d i s hm o d e l第期全齐,等:连铸中间包内流体运动形态模型分析研究图挡渣堰和导流坝的尺寸及位置F
25、i g T h es i z ea n d l o c a t i o no fw e i ra n dd a m图湍流抑制器示意图F i g D e s i g no f t u r b u l e n c e i n h i b i t o r(T I)图多流中间包模型尺寸示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es t r u c t u r eo fm u l t i s t r a n dt u n d i s hm o d e l图中间包物理模拟装置示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo
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- 中间 流体 运动 形态 模型 分析研究
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