70 工程科学学报.第42卷，增刊1 表2主要工艺参数及流量 加热效率取60%.模型中输人的能量由输入的饱 Table 2 Main process parameters and flow rate 和蒸汽的焓和其质量流量计算得到，如下式所示， Slab section/mm2 Casting speed/(mmin)/(Lmin)/(Lmin) 蒸汽质量流量取6kgh,通过计算得到模型与原 210×700 0.8 117.6 3.68 型的等离子加热数相差不大，可以保证模型蒸汽 加热与原型等离子加热之间的相似性] 本实验采用的是高温水蒸气模拟等离子气体 9=0.73HW (10) 进行加热.为了保证水模型中的蒸汽加热和中间 包等离子加热的相似性，建立实际过程等离子加 式中，0.73为蒸汽热量的利用率，H为饱和蒸汽的 热功率和水模拟实验中功率之间的关系，提出了 焓，W为蒸汽的质量流量 量纲一的等离子加热数4.其中应考虑流体的性 1.2实验设备 质以及中间包的几何因素，如模型或中间包中流 本实验模拟系统由上水系统、示踪剂加人系 体黏度，被加热区域面积和流体深度等，如下式所 统、数据采集系统和排水系统四部分组成，具体包 示.保证模型和原型的等离子加热数相同或相近 括大包、有机玻璃中间包模型、长水口、中间包内 即可保证加热的相似) 控流装置（湍流抑制器、挡墙等）、示踪剂加入装 NPH aLD 置、电导探头、电导率仪、蒸汽发生器和数据记录 Augdr vav (9) 仪(DJ800数据采集系统、温度记录仪)等，装置示 式中，N阳为量纲一的等离子加热数，表征的是热 意如图2. 量传递的能力与整个系统热量传递的阻力之比： 本实验利用高温蒸汽发生器产生的高温高压 q为输人的能量，W;A为加热区域面积，m子；μ为黏 水蒸气模拟实际生产中的高温等离子加热钢水 度，kgms;d为中间包液体深度，m;a为流体 其中，在高温蒸汽出口安装质量流量计监测高温 热扩散系数，m2s；LD为加热区域长度，m;vav为 蒸汽的质量流量和温度.利用电导率仪和DJ800 流体平均流速，ms 数据采集系统监测测量中间包内电导率变化情 模型与原型的等离子加热数以及所需要的参 况，以评价中间包内流场变化.本实验中，在中间 数如表3所示，原型中，等离子加热功率取500kW, 包内不同位置安装T型热电偶来测量中间包内温 表3模型与原型的等离子加热参数 Table3 Plasma heating parameters of model and prototype Power Classification Heating zone Viscosity/ Depth/ Thermal diffusivity/Heating zone Average velocity of Plasma heating input/W area/m2 (kg-m.s) (m2.s-) length/m liquid/(m-s) number Model 3354 0.018 0.001 0.279 1.43×107 0.110 0.035 44773.1 Prototype 300000 0.300 0.006 1.115 7.7×107 0.600 0.045 44901.4 Water supply Steam generator Ladle Temperature recorder Tracer injection Doint Tundish Thermocouple Computer model DJ800 data collection Conductivity system meter 图2实验设备示意图 Fig.2 Schematic diagram of experimental equipment本实验采用的是高温水蒸气模拟等离子气体 进行加热. 为了保证水模型中的蒸汽加热和中间 包等离子加热的相似性，建立实际过程等离子加 热功率和水模拟实验中功率之间的关系，提出了 量纲一的等离子加热数[14] . 其中应考虑流体的性 质以及中间包的几何因素，如模型或中间包中流 体黏度，被加热区域面积和流体深度等，如下式所 示. 保证模型和原型的等离子加热数相同或相近 即可保证加热的相似[23] . NPH = q Aµgdf √ αLD νav （9） 式中，NPH 为量纲一的等离子加热数，表征的是热 量传递的能力与整个系统热量传递的阻力之比； q 为输入的能量，W；A 为加热区域面积，m 2 ；μ 为黏 度 ，kg·m−1·s−1 ；df 为中间包液体深度，m；α 为流体 热扩散系数，m 2 ·s−1 ；LD 为加热区域长度，m；vav 为 流体平均流速，m·s−1 . 模型与原型的等离子加热数以及所需要的参 数如表 3 所示，原型中，等离子加热功率取 500 kW， 加热效率取 60%. 模型中输入的能量由输入的饱 和蒸汽的焓和其质量流量计算得到，如下式所示， 蒸汽质量流量取 6 kg·h−1，通过计算得到模型与原 型的等离子加热数相差不大，可以保证模型蒸汽 加热与原型等离子加热之间的相似性[23] . q = 0.73HW （10） 式中，0.73 为蒸汽热量的利用率，H 为饱和蒸汽的 焓，W 为蒸汽的质量流量. 1.2    实验设备 本实验模拟系统由上水系统、示踪剂加入系 统、数据采集系统和排水系统四部分组成，具体包 括大包、有机玻璃中间包模型、长水口、中间包内 控流装置（湍流抑制器、挡墙等）、示踪剂加入装 置、电导探头、电导率仪、蒸汽发生器和数据记录 仪（DJ800 数据采集系统、温度记录仪）等，装置示 意如图 2. 本实验利用高温蒸汽发生器产生的高温高压 水蒸气模拟实际生产中的高温等离子加热钢水. 其中，在高温蒸汽出口安装质量流量计监测高温 蒸汽的质量流量和温度. 利用电导率仪和 DJ800 数据采集系统监测测量中间包内电导率变化情 况，以评价中间包内流场变化. 本实验中，在中间 包内不同位置安装 T 型热电偶来测量中间包内温 Water supply Steam generator Ladle Temperature recorder Tracer injection point Tundish Computer model Thermocouple DJ800 data collection Conductivity system meter 图 2    实验设备示意图 Fig.2    Schematic diagram of experimental equipment 表 2    主要工艺参数及流量 Table 2    Main process parameters and flow rate Slab section/mm2 Casting speed/(m·min−1) Qr /(L·min−1) Qm/(L·min−1) 210×700 0.8 117.6 3.68 表 3 模型与原型的等离子加热参数 Table 3 Plasma heating parameters of model and prototype Classification Power input/W Heating zone area/m2 Viscosity/ (kg·m−1·s−1) Depth/ m Thermal diffusivity/ (m2 ·s−1) Heating zone length /m Average velocity of liquid / (m·s−1) Plasma heating number Model 3354 0.018 0.001 0.279 1.43×10−7 0.110 0.035 44773.1 Prototype 300000 0.300 0.006 1.115 7.7×10−7 0.600 0.045 44901.4 · 70 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1