2 北京科技大学学报 第33卷 的钢水，使终浇液面高度大于临界卷渣高度，而为优 动黏度，m2s1 化流场设置的较高挡坝则进一步使挡坝间残留钢液 钢液、渣、实验用油和水的物理参数⑨如表2 过多，为降低中间包残钢量带来困难，企业生产成本 所示 增加8-0 表2原型中钢、渣、水和实验用油的物性参数 因此，本实验从改变挡坝结构出发，对挡坝开两 Table 2 Physical properties of steel,slag,water and experimental oil 个具有向上角度的通钢孔，并提高挡坝高度，以优化 动力黏度/运动黏度/ 中间包流场，减少死区，确保高品质F钢连铸坯的 物质 密度/(kgm~3) (Pa-s) (m2s1) 质量，降低浇注结束时中间包残钢量，最大限度地提 钢液(1600℃) 7.00×103 5.6×10-3 0.8×10-6 高钢水收得率，提高中间包非稳态操作水平. 2.7×103w 28.6×10-6 渣(1600℃) 0.15~0.25 2.9×103 229×10-6 1水模拟实验 水(20℃) 1.00×103 1.0×10-3 1.00×10-6 实验用油(20℃)0.88~0.92 一 1.1实验原理 中间包内钢液的流动属于重力作用下的黏性不 根据式(6)，实验用油的运动黏度应在(36~ 可压缩流动，系统只要满足几何相似和动力学相似 286)×10-6m2·s-1之间，实验采用的68#抗磨液压 就能保证模型和原型相似， 油40℃时运动黏度为67.4×10-6m2·s-1,与46#抗 研究表明，不同中间包在湍流流动条件下，湍流 磨液压油(40℃时运动黏度为45.8×10-6m2·s-1) 雷诺数都处于第二自模区域.因此，在模型与原 进行勾兑，使其符合实验的要求 型几何相似的情况下，只要模型和原型的F?准数相 1.2实验方法 等，就能保证原型与模型的相似.即 流场优化实验通过刺激一响应原理，待中间包 型=原型 Fr=- (1) 模型原型 液面平稳后，在中间包入口处脉冲注入含定量墨汁 由此计算出模型对应于原型的体积流量和流速为： 的250L饱和KCl溶液，同时在出水口处采集数 Q。=Q原型A25 (2) 据，并用高速摄像机对示踪剂在中间包内的运动进 "使型=”原型AQ5 (3) 行录像.对采集的实验数据进行分析，可直接得 式中：Fr为Froude准数：u为流体速度，ms';g为 到最小停留时间和峰值时间，还可得到各流体微元 重力加速度，m2·s；1为特征长度，m:Q为体积流 在中间包的实际平均停留时间t·根据修正混合理 量，m3h:入为几何相似比. 论模型2一)，得到中间包内死区体积比V,活塞区 本实验以某钢厂60t二流板坯连铸中间包为原 体积比V。,全混区体积比V。 型，建立相似比入=0.4的水模型，具体实验参数见 降注余实验是按照1：2.5的比例，在模型中间 表1. 包的液面上均匀地平铺一层厚度20mm润滑油，待 中间包液面稳定时，停止从长水口供水，中间包液位 表1原型和模型的主要工艺参数 Table 1 Characteristic parameters of prototype and model tundishes 开始下降，同时用摄像机对液位下降过程中的油水界 面进行录像，观察中间包浇注结束时的非稳态操作 工作液面 单流水口流量/流间距/ 长水口浸入 参数 高度/mm (m3.h-1) mm 深度/mm 1.3实验方案 原型 900 28.54 6420 250 图1为中间包及挡坝结构图.中间包原挡坝高 模型 360 2.85 2568 100 200mm,见图1(b);改进挡坝设置上倾角为15°，直 径为75mm的两导流孔，高度为220mm,见图1 实验采用抗磨润滑油来模拟中间包的覆盖剂， (c);挡坝进一步加高为270mm,见图1(d). 通过量纲为1化分析可知模拟所用介质应满足如下 条件9-10： 2实验结果分析 Bing/pee=poil /Mwe (4) 2.1降低残钢量实验分析 Paag/pae=Pa/paer (5) 中间包使用3种不同结构挡坝浇注结束时的水 式(4)除以式(5)，得 油界面图如图2所示. Vslag /V seel =Voil /Vwater (6) 中间包使用原结构挡坝，钢液面降到挡坝上檐 式中：u为动力黏度，Pasp为密度，kgm-3;v为运 时，由于剪切力⑧的作用，渣首先被推离挡坝，向浇北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 的钢水，使终浇液面高度大于临界卷渣高度，而为优 化流场设置的较高挡坝则进一步使挡坝间残留钢液 过多，为降低中间包残钢量带来困难，企业生产成本 增加［8--10］． 因此，本实验从改变挡坝结构出发，对挡坝开两 个具有向上角度的通钢孔，并提高挡坝高度，以优化 中间包流场，减少死区，确保高品质 IF 钢连铸坯的 质量，降低浇注结束时中间包残钢量，最大限度地提 高钢水收得率，提高中间包非稳态操作水平． 1 水模拟实验 1. 1 实验原理 中间包内钢液的流动属于重力作用下的黏性不 可压缩流动，系统只要满足几何相似和动力学相似 就能保证模型和原型相似． 研究表明，不同中间包在湍流流动条件下，湍流 雷诺数都处于第二自模区域［11］． 因此，在模型与原 型几何相似的情况下，只要模型和原型的 Fr 准数相 等，就能保证原型与模型的相似． 即 Fr = v 2 模型 gl模型 = v 2 原型 gl原型 ( 1) 由此计算出模型对应于原型的体积流量和流速为: Qm = Q原型λ2. 5 ( 2) v模型 = v原型λ0. 5 ( 3) 式中: Fr 为 Froude 准数; v 为流体速度，m·s － 1 ; g 为 重力加速度，m2 ·s － 1 ; l 为特征长度，m; Q 为体积流 量，m3 ·h － 1 ; λ 为几何相似比． 本实验以某钢厂 60 t 二流板坯连铸中间包为原 型，建立相似比 λ = 0. 4 的水模型，具体实验参数见 表 1． 表 1 原型和模型的主要工艺参数 Table 1 Characteristic parameters of prototype and model tundishes 参数 工作液面 高度/mm 单流水口流量/ ( m3 ·h － 1 ) 流间距/ mm 长水口浸入 深度/mm 原型 900 28. 54 6 420 250 模型 360 2. 85 2 568 100 实验采用抗磨润滑油来模拟中间包的覆盖剂， 通过量纲为 1 化分析可知模拟所用介质应满足如下 条件［9--10］: μslag /μsteel = μoil /μwater ( 4) ρslag /ρsteel = ρoil /ρwater ( 5) 式( 4) 除以式( 5) ，得 νslag /νsteel = νoil /νwater ( 6) 式中: μ 为动力黏度，Pa·s; ρ 为密度，kg·m － 3 ; ν 为运 动黏度，m2 ·s － 1 ． 钢液、渣、实验用油和水的物理参数［9］如表 2 所示． 表 2 原型中钢、渣、水和实验用油的物性参数 Table 2 Physical properties of steel，slag，water and experimental oil 物质 密度/( kg·m － 3 ) 动力黏度/ ( Pa·s) 运动黏度/ ( m2 ·s － 1 ) 钢液( 1 600 ℃ ) 7. 00 × 103 5. 6 × 10 － 3 0. 8 × 10 － 6 渣( 1 600 ℃ ) 2. 7 × 103 ～ 2. 9 × 103 0. 15 ～ 0. 25 28. 6 × 10 － 6 ～ 229 × 10 － 6 水( 20 ℃ ) 1. 00 × 103 1. 0 × 10 － 3 1. 00 × 10 － 6 实验用油( 20 ℃ ) 0. 88 ～ 0. 92 — — 根据式( 6) ，实验用油的运动黏度应在( 36 ～ 286) × 10 － 6 m2 ·s － 1 之间，实验采用的 68#抗磨液压 油 40 ℃时运动黏度为 67. 4 × 10 － 6 m2 ·s － 1 ，与 46#抗 磨液压油( 40 ℃时运动黏度为 45. 8 × 10 － 6 m2 ·s － 1 ) 进行勾兑，使其符合实验的要求． 1. 2 实验方法 流场优化实验通过刺激--响应原理，待中间包 液面平稳后，在中间包入口处脉冲注入含定量墨汁 的 250 mL 饱和 KCl 溶液，同时在出水口处采集数 据，并用高速摄像机对示踪剂在中间包内的运动进 行录像． 对采集的实验数据进行分析［11］，可直接得 到最小停留时间和峰值时间，还可得到各流体微元 在中间包的实际平均停留时间 tav ． 根据修正混合理 论模型［12--13］，得到中间包内死区体积比 Vd，活塞区 体积比 Vp，全混区体积比 Vm ． 降注余实验是按照 1∶ 2. 5 的比例，在模型中间 包的液面上均匀地平铺一层厚度 20 mm 润滑油，待 中间包液面稳定时，停止从长水口供水，中间包液位 开始下降，同时用摄像机对液位下降过程中的油水界 面进行录像，观察中间包浇注结束时的非稳态操作． 1. 3 实验方案 图 1 为中间包及挡坝结构图． 中间包原挡坝高 200 mm，见图 1( b) ; 改进挡坝设置上倾角为 15°，直 径为 75 mm 的两导流孔，高度为 220 mm，见图 1 ( c) ; 挡坝进一步加高为 270 mm，见图 1( d) ． 2 实验结果分析 2. 1 降低残钢量实验分析 中间包使用 3 种不同结构挡坝浇注结束时的水 油界面图如图 2 所示． 中间包使用原结构挡坝，钢液面降到挡坝上檐 时，由于剪切力［8］的作用，渣首先被推离挡坝，向浇 ·2·