阻流器流控装置下中间包内的流场

D0I:10.13374.i8sn1001663x.1998.04.002 第20卷第4期 北京科技大学学报 Vol.20 No 1998年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.199 阻流器流控装置下中间包内的流场 * 李冀英) 韩传基) 蔡开科) 杨素波2) 严学模) 1)北京科技大学冶金学院，北京1000832)攀枝花钢铁研究院 摘要通过物理和数学模拟研究了一种新型中间包流控装置一阻流器对中间包内流场的影 响.并通过同传统的单档墙、坝下中间包内流场的比较，得出阻流器可改变中间包内传统的流场， 使钢液由长水口注入中间包后再返回自身，从而消除了中间包短流，发展了表面流，延长了滞止 时间和平均停留时间，有利于中间包内夹杂物的去除.在较大的拉速下使用单档墙+单坝+阻流 器的组合结构，效果更好数学模型计算出的流场同水模型实验吻合较好. 关键词中间包：流场；水模型；阻流器 分类号TF777 为了优化中间包内的流场，冶金工作者通过数学或物理模型对中间包内钢液的流动特性 进行了许多研究1~引，先后发展了挡墙、坝、斜墙、过滤器等流控装置.但是，中间包长水口注 人区高速湍流造成的渣子卷入、耐火材料侵蚀及对夹杂物上浮去除的阻止作用没有得到根本 解决.对中间包冲击垫进行改进而发明的阻流器可使钢液由长水口注入中间包后再返回自 身，从而降低中间包注流区的涡流.本文利用1/4模型，对中间包内设置阻流器的流场进行了 研究，并且同传统的单挡墙+单坝结构下的流态进行了比较. 1水模型试验 基于Fr准数建立模型，相似比例取为1/4.整个试验装置如图1所示，试验的信号采集系 统由电导率仪，数据放大器，AVD转换板及计算机组成.利用饱和的KC溶液作为电导液.长 水口在中间包内的浸人深度为75mm模拟水流量取为1.2m/h. 长 电导仪 水箱 示踪剂加入管 流 导电极 数据放大器 中 间包 A/D啭换板 水泵 ☑阀门 出▣ 出口 计算机 图1试验装置示意图 1997-1015收稿李冀英男，26岁，硕士 *国家“九五”攻关项目

DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1998．04．002

Vol.20 No.4 李冀英等：阻流器流控装置下中间包内的流场 ·317· 实验所用阻流器结构如图2所示.它放置在中间包长水口的下方，阻流器即可单独使用 也可以同其他流控装置配合使用.为了对比研究了中间包内无流控装置、使用单挡墙+单坝 结构和挡墙+坝+阻流器3种工况下的流动特性.挡墙及坝在中间包内的布置如图3所示. 中140 Φ100 1840 140 面高 出口 1400 出口 1740 图2阻流器结构示意图 图3单档墙+单坝在中间包内的布置 2研究方法 试验以测定电导液在中间包内的停留时间分布曲线(RTD)为主，并在中间包内加人年 基橙进行流场照相.根据混合理论，中间包内可分为活塞流区、全混流区及死区，各区体积分 数采用以下公式计算：死区体积分数p:=1-i1;活塞流体积百分数：p。=(+)/2i:全 混流体积百分数：Pm=1一p。一pp式中，i为流体质点在中间包内的平均停留时间，i=∫？ t)dt/∫E)d,∫E④d!=1;t为时间，E()表示在t时刻测得的示踪剂相对浓度；t为流体 质点在中间包内的最小停留时间即滞止时间，可从RTD曲线或数据文献中直接得到；【为峰 值时间即RTD曲线上电导率最大值对应的时间；t为流体质点在中间包内的理论停留时间， 其计算式为t,=Q/V,其中Q为中间包内液体的体积(m),V为体积流量(m/s).理论上认为， 提高活塞流体积，减小死区体积，以及延长滞止时间、平均停留时间均有利于夹杂物的去除 3试验结果与讨论 实验利用甲基橙作为染色剂，对各种流控装置下中间包内的流态进行了照相，如图4所 示.同时还利用凤凰软件计算了各流控装置下的流场，如图5所示. 3.1中间包内无流控装置 其流态如图4()所示.流体由长水口加人中间包后，同中间包的底部相碰撞然后向四处 散开，一部分沿中间包底部向前出口处流动，形成中间包底部的短流；一部分沿中间包侧墙向 前、向上到达中间包液面，然后向前、向中间包内部流动，在长水口的四周形成一个很大的漩 祸；在出口的上方也形成一个大的漩涡.由计算出的流场图5()也可看出钢包注流动能很大， 直冲包底，而且实际生产中钢包位于大包回转台，流股对中间包底部及注流点处两侧壁的冲 击将更大.该装置下中间包内钢液的行程较短，平均停留时间小，不利用夹杂物的去除， 32中间包加单挡墙+单坝 其流态如图4(b),在此装置下流股同中间包底部相碰撞后仍然沿侧墙向上，向前流动，但 是遇到挡墙后即形成反方向的漩涡而垂直流向自由表面，然后转而向下和底部流股混合流到 坝处因受坝的抬升而再次流向自由表面，然后再向下流向中间包出口，这种流动形态同中间 包内无流控时相比增加了钢水的停留时间，为夹杂物的去除创造了条件，并且由于坝的存在

·318· 北京科技大学学报 1998年第4期 (a b 图4各种流控装置下中间包内的流态照片（加入示踪剂5s后） (a)无流控装置下的流态：(b)单挡墙+单坝结构下的流态： (C)阻流器下的流态；()阻流器+单挡墙+单坝下的流态 (a) (b) d 图5各种流控装置下的计算流场：()无流控装置；(b)仅使用阻流器： (c)单挡墙+单坝；(d)单挡墙+单坝+阻流器 消除了较强的中间包底部短流.但是仍然有一部分钢液在沿侧墙向前流动时没有受到挡墙的 阻挡而直接到达坝，然后流向自由表面，这部分钢液的停留时间要小于受到挡墙的阻挡而在 在挡墙的右侧形成涡流的那部分钢液.并且在两挡墙之间该流控装置下的流态同无流控装置 时相同，钢液到达中间包后均由中间包底部向前、向上流向中间包液面，从而表面流不发达， 流股经历钢渣界面时间短，不利于夹杂物的去除，并且对侧墙的冲击也较大，其计算流场如图 5(b)所示. 3.3中间包仅使用阻流器 其流态如图4（©），当钢液从长水口喷出后进入阻流器，然后全部返回自身，从而同来流相 撞能量损失较大，返流到达中间包自由表面后沿表面向前、向下流动，从出口流出使用阻流

Vol.20 No.4 李冀英等：阻流器流控装置下中间包内的流场 319 器可产生较强的表面流增加了钢液同中间包表面保护渣的接触时间，为夹杂物被中间包保护 渣吸附提供了可能，并且阻流器完全避免了钢液从中间包长水口喷出后不同表面保护渣接触 从出口流出，从而消除了的短流，可使全部钢液返向自由表面，计算流场如图5（©）所示.另外 使用阻流器后对中间包底部截面冲击较小，并从底截面速度图如图6()可见，使用阻流器后 在该截面上并没有像前2种流场那样流股同中间包底部碰撞后以较大的速度向四周扩展（如 图6(b)所示)，对中间包侧墙产生较重的侵蚀；而是因阻流器的作用返回自身，在阻流器同中 间包侧墙之间是速度较小的缓慢流动 图6中间包底裁面的2种流态：(a)使用阻流器；(b)不使用阻流器 3.4单挡墙+单坝+阻流器结构 在仅用阻流器时，中间包的表面流发展较为充分，但向前，向下流动较快，因此我们又进 行了阻流器同单挡墙+单坝结构相组合的试验.阻流器仍位于中间包长水口的正下方，其流 态如图4(d,可见在两挡墙之间钢液的流态同只用阻流器时相同，但由于受到挡墙的阻挡由 阻流器返回自由表面的钢液并没能以较大的速度向前、向下运动，而是沿挡墙垂直向下运动， 从挡墙的下部流过然后因坝的作用再次流向自由表面然后向前向下流向出口，在出口的上方 形成了旋涡，从而该流控装置避免了短流，增加了钢液在中间包内的流程，延长了停留时间， 有利于夹杂物的上浮及保护渣对夹杂物的吸收.其计算流场如图5(d所示， 3.5结果对比 对4种中间包结构下测定的RTD曲线分析，结果如表1所示.使用阻流器同无流控装置 相比提高了滞止时间及活塞流体积，但是由于钢液在到达液面后向前向下流动较快，因此平 均停留时间变化不大，而使用单挡墙+单坝+阻流器结构，由于挡墙对返到液面钢液向出口 流动的阻碍，减缓了钢液流动从而显著提高了滞止时间、平均停留时间，增大了活塞流体积 表1水模型试验结果比较 项目 滞止时间/s平均停留时间/s 活塞流体积 死区体积 全混流体积 比率% 比率% 比室% 无流控装置 16.0 109.8 7.9 58.5 33.6 单挡墙+单坝 45.0 234.0 23.5 12.6 63.9 阻流器 27.5 1118 11.5 55.5 33.0 阻流器+单挡墙+单坝 66.5 210.8 34.5 23.9 41.6 流量对平均停留时间及死区体积百分比的影响如图7所示，可见平均停留时间随拉速的 增加而减小，死区体积也随拉速的增大而减小；单挡墙+坝及挡墙+坝+阻流器结构要明 显优于无流控装置.但是在较高的拉速下阻流器+单挡墙+单坝结构要优于其他装置

·320* 北京科技大学学报 1998年第4 240FQ ,Q单挡墙单坝 80 无流控装置 200 阻镇特单清语军资人甘 60 160 单挡墙单助 40 120 阻流器 8 0 母 20 阻流器·阻流器单挡墙单 801 无流控装骨 0 8 0.60.8 1.01.21.41.61.8 0.60.81.01.21.41.61.8 V(m'.h) 以(m3.h 图7不同流量下平均停留时间及死区体积比率的比较 4 结论 中间包使用阻流器可改变传统的中间包内流场，增加滞止时间和平均停留时间，增大活 塞流体积，消除中间包短流，从而有利于中间包内夹杂物的去除.在较高的拉速下使用阻流器 +单挡墙+单坝结构可使中间包内的流态最优， 参考文献 1 Singh S,Koria S C.Tundish Steel Melt Dynamics With and Without Modifiers Through Physical Modelling.Ironmaking and Steelmaking,1996,23(3):255 2 Mclean A.The Turbulent Tundish-Contaminator or Refiner?Steelmaking Conference Proceedings, 1988,79:3 3 Sinha S K,Godiwalla K G.Fluid Flow Characterization in Twin Strand Continuous Casting Tundish Water Model.Ironmaking and Steelmaking.1993,20(6):485 Fluid Flow Characterization in the Tundish with Preventur Pad Li Jiying Han Chuanji)Cai Kaike Yang Subo Yan Xuemo 1)Metallurgy School.UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Iron and Steel Research Institute of Panzhihua ABSTRACT Through physical and mathmaterical simulation,the flow patterns in the tundish with a new-born type of flow control device-Preventur Pad were studied. Compared with the typical dams and weirs,preventur pad can return the fluid from the stockel directly to itself,maximize the mean and minimum residence times,increase plug volume and cancel short circulation in the tundish.Especially in high-speed casting, preventur pad+dam+weir has better effect on the removing of inclusions from the tundish. The fluid patters in the tundish with preventur pad have been proved through mathematical simulation. KEY WORDS tundish:fluid flow:water modelling;preventur pad