45t中包流场水模研究.docx
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45t中包流场水模研究
45t单流中间包流场优化研究
高文芳1,张剑君1,彭著刚1,李伟1,吴建鹏2,王金平2,潘艳华2
(1.武汉钢铁(集团)公司研究院,湖北武汉430080;
2.武汉钢铁(集团)公司条材总厂CSP分厂,湖北武汉430083)
摘要:
用水力模型方法对CSP45t单流连铸中间包流场特性进行了研究,模型与实物比例为1﹕3,试验满足弗鲁德准数相似。
采用脉冲响应法测定流体在中间包内停留时间分布曲线(RTD),并计算出流体的扩散活塞区、全混合区和死区体积比。
优化设计的新型湍流抑制器与坝、堰较优组合方案配合控流,使中间包死区体积比Vd降至11.36%,比原方案降低了67.8%。
生产对比试验表明:
采用新的控流方案后,铸坯中氧化物夹杂去除率提高了35.3%。
关键词:
CSP;连铸中间包;流场特性
Researchonoptimizationof45tsinglestrandtundishflowdistribution
GAOWen-fang1,ZHANGJian-jun1,PENGZhu-gang1,LIWei1,
WUJiang-peng2,WANGJin-ping2,PANYan-hua2
(1.ResearchandDevelopmentCenterofWISCO,Wuhan430080,China;2.CSPMill,WISCO,Wuhan430080,China)
Abstract:
TheflowbehavioroftheCSP45tsinglestrandtundishisinvestigatedbymeansofhydraulicmodel.Proportionofmodelofthetundishis1﹕3.ExperimentconditionssatisfiesFroudenumbersimilarity.Minimumresidencetimedistribution(RTD)curvesaredeterminedbypulseresponse.Theproportionoftheplugflow,mixedflowanddeadvolumearecalculated.Bymeansofoptimizationofthenewturbulenceinhibitordesignandoptimizationofthecombinationplanofdamsandweirsinconnectionwithflowcontrolthedeadvolume(Vd)inthetundishisreducedto11.36%,about67.8%decreaseincomparisonwiththatbytheoriginalplan.Productioncontrasttestsshowthatbymeansoftheoptimizedflowcontrolsolution,removalofoxideinclusionsinslabincreasesby35.3%.
Keywords:
CSP;CCtundish;flowbehavior
连铸中间包作为钢水进入结晶器之前的最后一个冶金容器,其流场合理与否对提高钢液洁净度和改善铸坯质量有重要影响。
武汉钢铁(集团)公司(以下简称武钢)CSP连铸配置的是45t单流中间包,与同类机型的中间包比容量偏大(大多数CSP连铸单流中间包容量在30~35t之间),大包长水口至中间包下水口的距离长。
由于外方未提供相关的设计依据和试验结果。
因此,该中间包的流场特性如何,提供的控流方案是否合理都不清楚。
为此,本研究应用水力模型方法于2009年1月开始对中间包流场进行了全面的试验研究,对中包控流装置进行了优化设计,并在生产现场对优化设计的中间包控流装置与原装置进行了对比试验,取得了良好的生产应用效果。
1水力模型试验
1.1相似准数及流量计算
试验模型与实物符合几何相似原理,比例确定为1∶3,使用透明有机玻璃加工而成,水模型试验装置示意图见图1。
图1水力模型试验装置示意图
在连铸过程中,流体重力与粘性力同时对流体行为起作用。
因此,模拟研究应同时满足粘性相似和重力相似;但相似理论认为,当模拟系统中与粘性力有关的雷诺数(Re)进入第二自模化区的临界值(103~104)时,系统处于自模化状态,即该系统的流动状态及流速分布与Re无关1。
经计算,本试验的实物及模型的Re均已进入第二自模化区。
因此,只要保证与重力有关的弗鲁德准数Fr相等即可。
即
Frm=Frs
(1)
v
2m/(g·lm)=v2s/(g·ls)
模型和实物之间的速度、时间和流量关系为:
vm=(lm/ls)1/2vs
(2)
tm=(lm/ls)1/2ts(3)
Qm=(lm/ls)5/2Qs(4)
式中:
v为流体速度,m/s;g为重力加速度,m/s2;l为特征长度,m;t为时间,s;Q为流量,m3/s;下标s为表示实物;下标m为表示模型。
本试验模型理论停留时间以工作液位600mm计算,水流量按1200mm×70mm铸坯断面,4.5m/min拉速计算(见表1)。
表1模型水流量及理论停留时间
实物
模型
板坯宽度/mm
板坯厚度/mm
最大拉速/(m·min-1)
通钢量/(t·h-1)
理论停留时间/min
流量/(t·h-1)
理论停留时间/min
1200
70
4.5
158.760
17.007
4.009
12.020
1.2试验方法
流量以进水口流量为控制依据,通过塞棒控制中间包液位,出水口流量显示为辅助监控表。
采用DJ800系统,通过脉冲响应法,测定流体在中间包内的停留时间分布RTD曲线,记录并计算出流体在中间包内最短停留时间、全混区、活塞区和死区体积比等流态特征数参数;使用着色法对典型工况流场录像,观察流体演变过程,以综合评价各工况下中间包内的控流效果。
停留时间分布曲线的测定是将定量的脉冲示踪剂喷射到大包注流,并在中间包出流口检测示踪剂变化,一直到中间包内示踪剂大部分流出为止。
与此同时,将检测信号输入计算机,绘制出各工况下流体在中间包内的停留时间分布曲线,从而得出示踪剂从大包注流到中间包出流口开始响应的时间tmin、浓度达到最大的时间tmax以及流体在中间包内的平均停留时间ta。
在RTD曲线检测的基础上,应用中间包模拟研究中常用的修正混合模型计算出流体的扩散活塞区、全混合区和死区体积比2。
各区体积比由式(5)计算。
扩散活塞区Vp=(θmin+θmax)/2(5)
死区Vd=1θav(6)
全混合区Vm=1VdVp(7)
式中:
θmin为示踪剂开始出现的无量纲时间,θmax为示踪剂到达最大浓度的无量纲时间,θav为示踪剂平均停留时间。
此外,在流体达到稳定状态后,将一定浓度的染色液快速注入大包注流,用录像机实时记录着色液体在中间包内的流动形态。
1.3试验结果与分析
1.3.1原方案、空包流场特性
原控流方案由长水口区防湍流冲击盆、1坝和2堰组成,其控流装置在中间包内布置如图2所示。
原控流方案、原方案去掉长水口区防湍流盆及空包条件下,中间包流体“三区”体积比和最短停留时间等流场特性测定结果见表2。
原控流方案和空包条件下RTD曲线见图3。
流体在15、30、50、110s时演变过程及流场形态见图4、图5。
图2原控流装置布置图
表2原控流方案、空包流场特性测定结果
名称
试验结果
ta/s
tmin/s
Vm/%
Vp/%
Vd/%
原方案
466.74
125.00
44.39
20.33
35.29
原方案去掉防湍流盆
502.82
86.75
55.98
13.75
30.28
空包
552.72
75.50
58.6
18.04
23.36
图3原控流方案和空包方案RTD曲线
图4原控流方案流场演变过程
15s
30s
50s
110s
d
c
b
a
图5空包流场演变过程
由表2和图3~5可知:
原控流方案的中间包死区体积Vd平均为35.29%,这意味着近1/3的中间包容积没有发挥作用;去掉湍流抑制器后Vd为30.28%。
文献3对同类型中间包流场研究结果也表明:
抑湍器与单墙单坝、单墙双坝组合的这两种类型的控流装置的控流效果不但没有提高反而恶化。
试验观察发现,加防湍流器时,流体在前行过程中,随着路径的延长,到开浇堰附近时,流体动能严重不足,之后流体主要靠扩散和后续流体的推动从下水口流出。
但是,对于冲击区液面来讲,加湍流抑制器比不加湍流抑制器时要平稳一些。
在空包情况下,中间包死区体积Vd下降到23.36%明显低于原控流方案,可见原控流方案存在很大的设计缺陷。
1.3.2控流装置优化
针对原方案在控流方面存在的流场问题,从2个方面进行了流场优化研究。
第一,应用正交试验方法,对坝开口高度、1号堰高度、长水口—坝中心距离及坝—1号堰中心距离进行了优化试验(2号堰参数及位置保持不变),以确定最佳的坝、堰参数和较优组合;第二,新型湍流抑制器设计优化,目的是使大包钢流在进入中间包后,既不会在长水口区形成“眼圈”现象,又不会出现动能不足的情况。
坝、堰较优组合方案的“三区”体积比,最短停留时间和平均停留时间见表3,流体停留时间分布RTD曲线见图6,新型湍流抑制器与较优组合方案配合的中间包“三区”体积比最短停留时间和平均停留时间见表4,流体停留时间分布RTD曲线见图7,流体在15、30、50、110s时演变过程及流场形态见图8。
表3坝、堰较优组合方案“三区”体积比最短停留时间和平均停留时间
坝开口高度/mm
堰高/mm
长水口-坝中心距离/mm
坝-堰中心距离/mm
指标均值
tmin/s
ta/s
Vm/%
Vp/%
Vd/%
55
180
700
250
135.75
633.4
56.5
31.33
12.17
坝开口高度/mm
堰高/mm
长水口-坝中心距离/mm
坝-堰中心距离/mm
指标均值
A1
B3
C3
D1
tmin/s
ta/s
Vm/%
Vp/%
Vd/%
55
180
700
250
135.75
633.4
56.5
31.33
12.17
图6坝-堰较优组合方案RTD曲线
表4新型湍流抑制器与较优组合方案配合的中间包流场特性
试验方案
试验结果
坝-堰位置
湍流抑制器
tmin/s
ta/s
Vm/%
Vp/%
Vd/%
较优组合方案
新型
121.0
639.27
57.16
31.48
11.36
图7新型湍流抑制器与较优组合方案配合使用时RTD曲线
15s
a
30s
b
50s
c
110s
d
图8新型湍流抑制器与较优组合方案配合使用流场演变过程
由表3、图6可知,较优组合方案中间包死区体积比为12.17%
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