增刊1 郭汉杰等：210tRH浸渍管内钢液流动机理的水模型实验研究 7· 本文根据相似理论，模拟210t多功能RH装 式中，u为流速(mmin1),Q为流量(m3h-),t为 置内钢液的循环流动和混合特性，考察各相关因 时间(s) 素的影响.通过模拟RH内各个部位的流速及流 1.2实验设备及实验方法 场分布，测定混匀时间，以期进一步了解浸渍管在 RH水模实验装置示意图如图1所示，图2为实 钢液中所受流场冲刷情况，并结合试验结果进行 物装置图.由氧气瓶提供的氧气来代替氩气作为驱 回归分析，为优化RH精炼过程，延长浸渍管寿命 动气体，钢包中使用自来水模拟钢液，在钢包底部采 提供依据. 用电导探头连接电导率仪，再将数据传输至计算机 1RH精炼过程水力学模型的建立 收集整理.最后通过计算机整理的钢包中水电导率 的变化情况计算出RH系统的混匀时间. 1.1相似原理 加人小踪剂 点窄举 人们研究自然现象一般采用两种方法：数学分 析法与以相似原理为基础的模型研究方法.相似原 压表 理是模型实验研究的理论基础.相似包括几何相 流量计 口00 似、时间相似、运动相似、动力相似和温度相似等 证气盘 儿导率仪 RH的基本物理现象是钢液的流动，不考虑热相似 0 和化学相似.动力相似，表现为所有的作用力都有 相对应的方向，它的大小相应地成比例.在这里，主 要考虑的是几何相似和动力相似. 心导探头 RH的设备是在脱气室下部设有与其相通的两 根环流管，脱气处理时，仅将环流管插入钢液，靠脱 气瓶 计算机 铜包 气室抽真空的压差使钢液由管子进入脱气室，同时 图1试验装置示意图 从两根管子之一的上升管吹入驱动气体一氩气， Fig.1 Scheme of the experimental device 利用气泡泵原理抽引钢液通过脱气室和下降管产生 循环运动，并在脱气室内脱除气体.由于钢液是从 上升管吸入真空室后从下降管流出，可以认为对于 钢包内的钢液流动状态和混合特性起决定作用的是 流体的惯性力和重力，因此必须保证以下准则)： 模型和原型的几何相似；模型和原型的Frouds准数 相等 因为影响钢包内钢液流动状态的作用力主要是 惯性力和重力，包含这些力的定性准数为弗劳德数 Fr,即 =惯性力/重力= gl 只需要考虑Fr准数相等.若相似比为入，则入=L/ 图2实验装置 L。:其中，L为特征长度(mm),下标m代表模型 Fig.2 Experimental device (model)p代表原型(prototype).由Fm=F.可得 4.=A4,…由Q=平fu得Q。=AQ,由t=L 整个实验过程主要考察吹氩量，浸渍管插入深 度，吹氩孔个数对钢液流场及混匀时间的影响.Ka- 得tm=入2t·根据RH原型及实验室实际情况，建 o在水模型研究RH一OB时认为喷嘴均布在一层或 立1：4有机玻璃模型.这样模型与原型相关参数的 两层的水平面上的效果相近，所以在此实验中忽 关系为： 略了堵塞吹氩孔所在层数对流场和混匀时间的影 L=4p4,=(1/41up, 响，只考虑堵塞个数. 实验的因素水平及正交试验设计见表1和 Qm=(1/4)5nQ。,tm=(1/4)12t。 表2.增刊 1 郭汉杰等: 210 t RH 浸渍管内钢液流动机理的水模型实验研究 本文根据相似理论，模拟 210 t 多功能 RH 装 置内钢液的循环流动和混合特性，考察各相关因 素的影响． 通过模拟 RH 内各个部位的流速及流 场分布，测定混匀时间，以期进一步了解浸渍管在 钢液中所受流场冲刷情况，并结合试验结果进行 回归分析，为优化 RH 精炼过程，延长浸渍管寿命 提供依据． 1 RH 精炼过程水力学模型的建立 1. 1 相似原理 人们研究自然现象一般采用两种方法: 数学分 析法与以相似原理为基础的模型研究方法． 相似原 理是模型实验研究的理论基础． 相似包括几何相 似、时间相似、运动相似、动力相似和温度相似等． RH 的基本物理现象是钢液的流动，不考虑热相似 和化学相似． 动力相似，表现为所有的作用力都有 相对应的方向，它的大小相应地成比例． 在这里，主 要考虑的是几何相似和动力相似． RH 的设备是在脱气室下部设有与其相通的两 根环流管，脱气处理时，仅将环流管插入钢液，靠脱 气室抽真空的压差使钢液由管子进入脱气室，同时 从两根管子之一的上升管吹入驱动气体———氩气， 利用气泡泵原理抽引钢液通过脱气室和下降管产生 循环运动，并在脱气室内脱除气体． 由于钢液是从 上升管吸入真空室后从下降管流出，可以认为对于 钢包内的钢液流动状态和混合特性起决定作用的是 流体的惯性力和重力，因此必须保证以下准则［7--8］: 模型和原型的几何相似; 模型和原型的 Frouds 准数 相等． 因为影响钢包内钢液流动状态的作用力主要是 惯性力和重力，包含这些力的定性准数为弗劳德数 Fr，即 Fr = 惯性力/重力 = u2 gl ， 只需要考虑 Fr 准数相等． 若相似比为 λ，则 λ = Lm / Lp ． 其中，L 为特征长度( mm) ，下标 m 代表模型 ( model) ，p 代表原型( prototype) ． 由 Frm = Frp可得 um = λ1 /2 up，由 Q = π 4 d2 u 得 Qm = λ5 /2 Qp，由 t = L /u 得 tm = λ1 /2 tp ． 根据 RH 原型及实验室实际情况，建 立 1∶ 4有机玻璃模型． 这样模型与原型相关参数的 关系为: Lm = 1 4 Lp，up = ( 1 /4) 1 /2 up， Qm = ( 1 /4) 5 /2 Qp，tm = ( 1 /4) 1 /2 tp ． 式中，u 为流速( m·min － 1 ) ，Q 为流量( m3 ·h － 1 ) ，t 为 时间( s) ． 1. 2 实验设备及实验方法 RH 水模实验装置示意图如图1 所示，图2 为实 物装置图． 由氧气瓶提供的氧气来代替氩气作为驱 动气体，钢包中使用自来水模拟钢液，在钢包底部采 用电导探头连接电导率仪，再将数据传输至计算机 收集整理． 最后通过计算机整理的钢包中水电导率 的变化情况计算出 RH 系统的混匀时间． 图 1 试验装置示意图 Fig． 1 Scheme of the experimental device 图 2 实验装置 Fig． 2 Experimental device 整个实验过程主要考察吹氩量，浸渍管插入深 度，吹氩孔个数对钢液流场及混匀时间的影响． Ka￾to 在水模型研究 RH--OB 时认为喷嘴均布在一层或 两层的水平面上的效果相近［9］，所以在此实验中忽 略了堵塞吹氩孔所在层数对流场和混匀时间的影 响，只考虑堵塞个数． 实验的因素水平及正交试验设计见表 1 和 表 2． ·7·