·16 工程科学学报，第38卷，增刊1 升管入口，2测量位置为上升管与下降管中间距离包 慢.浸入深度480mm与560mm工况下，吹气量小于 壁250mm、液面下100mm,3测量位置为上升管下方 1200L·min时，混匀时间显著减小：吹气量大于1200 距离包底100mm,4测量位置为上升管与下降管中间 L·min时，混匀时间减小较慢：吹气量大于2400L· 距离包底50mm.2位置为某厂现场取样位置，也是相 min时，浸入深度480mm工况下的混匀时间变大. 对不活跃区域，可反映整个钢包内钢液的混匀情况，所 浸入深度640mm与720mm工况下，随着吹气量的增 以选择2*位置作为测量点，同时以1*位置作为测量参 加，混匀时间缓慢减小.浸入深度720mm工况下的各 考点 吹气量的混匀时间皆为最大.由图3还可以看出，在 700 不同吹气量下，混匀时间随着浸入深度的增加先减小 600 后增大.在吹气量为2800L·min工况下，浸入深度 560mm时混匀时间最小；其他吹气量工况下，浸入深 500 度为480mm时，混匀时间达到最小. 40) 951 1 。一浸人深度400mm 300 浸人深度480mm +一浸入深度560mnm 200 浸人深度640mm 浸入深度720mm 100 0102030405060708090100110120 时间⅓ 75 图2测量位置分布及RTD曲线 Fig.2 Measurement position and RTD curve 70 1.2RH钢包流场PV测速试验 65 00 1200 1600200024002800 PV测速装置如图1(b)所示.试验中在钢包内加 吹气量l,·min) 入直径50μm的空心玻璃球作为示踪粒子，这些微小 图3吹气量与浸渍管浸入深度对混匀时间的影响 粒子可以紧随流体运动.RH物理模型循环达到稳定 Fig.3 Effect of gas flow rate and SID on the mixing time 后，由计算机内置的可编程时间控制器调控激光器与 电荷耦合元件(CCD)相机，连续拍摄100帧照片.利 统计不同浸入深度下混匀时间的极值、极差与方 用PIV图像数据处理系统，计算出100帧照片瞬时速 差得到表3.由表3可以发现，随着浸入深度增大，不 度的平均值，即为钢包内流体的流场速度分布 同吹气量下混匀时间的极差、方差也呈现逐渐减小的 L.3RH钢包流场数值模拟 趋势，说明随着浸入深度增大，依靠增大吹气量来缩短 本试验采用ANSYS ICEM和ANSYS FLUENT、AN- 混匀时间变得越来越难 SYS CFX作为前处理和计算软件，基于软件k-ε湍流 表3不同浸入深度下混匀时间的极差与方差 模型，对整个水模型进行等温稳态数值模拟计算.假 Table 3 Range and variance of mixing time inthe different SID 设RH钢包内钢液流动为湍流流动：钢液流动视为等 浸入深度/ 混匀时间 温稳态流动：钢包内液面为自由液面：模拟过程忽略表 mm 最大值/s最小值/5 极差/s 方差1s2 面渣层的影响.求解控制方程包括连续性方程、动量 400 90.601 73.361 17.24 44.91 方程、湍动能与湍动能耗散方程.求解过程采用二阶 480 81.321 67.641 13.68 19.80 迎风格式计算，收敛最大残差值控制<1×10~4.在模 560 82.341 70.041 12.30 15.60 拟求解结束后，输出数据，导入ANSYS CFX-POST进 640 83.361 71.841 11.52 18.63 行可视化处理与分析. 720 90.841 80.761 10.08 13.80 2试验结果与讨论 2.2真空室压力对混匀时间的影响 2.1吹气量与浸入深度对混匀时间的影响 图4是在浸入深度560mm、吹气量1600L·min 图3显示了吹气量与浸渍管浸入深度对混匀时间 工况下，真空室压力分别为20、15、10、6、5、4和0.1kPa 的影响。由图3可以看出，在不同的浸渍管浸入深度 时测得的混匀时间.由图4发现，混匀时间随真空室 下，混匀时间随着吹气量的增加而呈现减小的趋势，并 压力的减小而减小，在真空室压力由6kPa减小到4 且减小地越来越慢.浸入深度400mm工况下，随着吹 kPa时，混匀时间减小最快.真空室压力取0.IkPa时， 气量的增加，混匀时间显著减小，但减小速度逐渐变 混匀时间最小，为79.3s.真空室压力超过12kPa后，工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 升管入口，2# 测量位置为上升管与下降管中间距离包 壁 250 mm、液面下 100 mm，3# 测量位置为上升管下方 距离包底 100 mm，4# 测量位置为上升管与下降管中间 距离包底 50 mm． 2# 位置为某厂现场取样位置，也是相 对不活跃区域，可反映整个钢包内钢液的混匀情况，所 以选择 2# 位置作为测量点，同时以 1# 位置作为测量参 考点． 图 2 测量位置分布及 ＲTD 曲线 Fig． 2 Measurement position and ＲTD curve 1. 2 ＲH 钢包流场 PIV 测速试验 PIV 测速装置如图 1( b) 所示． 试验中在钢包内加 入直径 50 μm 的空心玻璃球作为示踪粒子，这些微小 粒子可以紧随流体运动． ＲH 物理模型循环达到稳定 后，由计算机内置的可编程时间控制器调控激光器与 电荷耦合元件( CCD) 相机，连续拍摄 100 帧照片． 利 用 PIV 图像数据处理系统，计算出 100 帧照片瞬时速 度的平均值，即为钢包内流体的流场速度分布． 1. 3 ＲH 钢包流场数值模拟 本试验采用 ANSYS ICEM 和 ANSYS FLUENT、AN￾SYS CFX 作为前处理和计算软件，基于软件 k--ε 湍流 模型，对整个水模型进行等温稳态数值模拟计算． 假 设 ＲH 钢包内钢液流动为湍流流动; 钢液流动视为等 温稳态流动; 钢包内液面为自由液面; 模拟过程忽略表 面渣层的影响． 求解控制方程包括连续性方程、动量 方程、湍动能与湍动能耗散方程． 求解过程采用二阶 迎风格式计算，收敛最大残差值控制 ＜ 1 × 10 － 4 ． 在模 拟求解结束后，输出数据，导入 ANSYS CFX--POST 进 行可视化处理与分析． 2 试验结果与讨论 2. 1 吹气量与浸入深度对混匀时间的影响 图 3 显示了吹气量与浸渍管浸入深度对混匀时间 的影响． 由图 3 可以看出，在不同的浸渍管浸入深度 下，混匀时间随着吹气量的增加而呈现减小的趋势，并 且减小地越来越慢． 浸入深度 400 mm 工况下，随着吹 气量的增加，混匀时间显著减小，但减小速度逐渐变 慢． 浸入深度 480 mm 与 560 mm 工况下，吹气量小于 1200 L·min － 1时，混匀时间显著减小; 吹气量大于 1200 L·min － 1 时，混匀时间减小较慢; 吹气量大于 2400 L· min － 1时，浸入深度 480 mm 工况下的混匀时间变大． 浸入深度 640 mm 与 720 mm 工况下，随着吹气量的增 加，混匀时间缓慢减小． 浸入深度 720 mm 工况下的各 吹气量的混匀时间皆为最大． 由图 3 还可以看出，在 不同吹气量下，混匀时间随着浸入深度的增加先减小 后增大． 在吹气量为 2800 L·min － 1 工况下，浸入深度 560 mm 时混匀时间最小; 其他吹气量工况下，浸入深 度为 480 mm 时，混匀时间达到最小． 图 3 吹气量与浸渍管浸入深度对混匀时间的影响 Fig． 3 Effect of gas flow rate and SID on the mixing time 统计不同浸入深度下混匀时间的极值、极差与方 差得到表 3． 由表 3 可以发现，随着浸入深度增大，不 同吹气量下混匀时间的极差、方差也呈现逐渐减小的 趋势，说明随着浸入深度增大，依靠增大吹气量来缩短 混匀时间变得越来越难． 表 3 不同浸入深度下混匀时间的极差与方差 Table 3 Ｒange and variance of mixing time inthe different SID 浸入深度/ mm 混匀时间 最大值/ s 最小值/ s 极差/ s 方差/ s2 400 90. 601 73. 361 17. 24 44. 91 480 81. 321 67. 641 13. 68 19. 80 560 82. 341 70. 041 12. 30 15. 60 640 83. 361 71. 841 11. 52 18. 63 720 90. 841 80. 761 10. 08 13. 80 2. 2 真空室压力对混匀时间的影响 图 4 是在浸入深度 560 mm、吹气量 1600 L·min － 1 工况下，真空室压力分别为20、15、10、6、5、4 和0. 1 kPa 时测得的混匀时间． 由图 4 发现，混匀时间随真空室 压力的减小而减小，在真空室压力由 6 kPa 减小到 4 kPa 时，混匀时间减小最快． 真空室压力取 0. 1 kPa 时， 混匀时间最小，为 79. 3 s． 真空室压力超过 12 kPa 后， · 61 ·