·2 北京科技大学学报 第36卷 1 实验原理及方案 式中：v为特征速度，m·s1;H为熔池深度，m;g是 重力加速度，ms2p。是气体密度，kgm3p1为液 1.1实验原理 体密度，kg·m-3;Q为气体体积流量，m3h-1;d为喷 在相似原理基础上，以某厂150t椭圆形钢包为 嘴直径，m. 原型建立相似比为1：4的钢包水模型，原型与模型 由(Fr）m=(Fr）,(文中下标m表示模型，p表 尺寸如表1.通过水模型探索底吹气孔位置、吹气量 示原型)可得下式： 和开孔数量对钢包内钢液流动及混匀的影响，水模 H.2 型系统见图1.以高压氮气模拟Ar气进行底吹，以 (3) Ps:m P1.p 水模拟钢液，饱和KC1溶液作为示踪剂，采用DJ8O0 数据采集系统跟踪KC!浓度变化并测算其混匀 将pn=p元p=p户元日=d 时间. P。+p,pgHp,P.m=P。+p.mgHm代入上式得到实验 表1原型与模型的相关尺寸 氮气流量与实际氩气流量的对应关系如下： Table 1 Dimensions of the original and model ladles mm 位置 实际尺寸 模型尺寸 Q= d 冷w 钢包深度 3890 973 式中：PA和p飞，分别为Ar气和N,在标准状态下的密 钢包上口长轴 3303 826 度，kgm-3:P1.m和p1p分别为水和钢液的密度，kg· 钢包上口短轴 3003 751 m3:H。和H。分别为模型和原型的熔池高度，m; 钢包下口长轴 2955 739 Qm和Q。分别为模型和原型的气体流量，m3·h-l: 钢包下口短轴 2655 664 T和T。分别为模型和原型中流体的温度，K;P。为 透气塞顶面直径 135 34 标准状态下气体在实验环境温度下的压力，Pa;T.为 实验环境温度，K 熔池高度 3490 873 1.2实验方案 对钢包原型进行优化，主要考虑了底吹氩孔的 氮气源 电导 位置、角度和吹氩流量的变化对于钢液混匀及液面 裸露的影响.设计实验吹氩孔的位置为0.2R、 钢 0.4R、0.6R和0.8R,设计角度分别为45°、90°、135° 000 和180°，模型钢包底部吹氩孔布置如图2所示.原 型吹氩孔位于距离钢包中心0.2R处（图2中D4和 F4位置). DJ800 采集器 透气孔 长轴 图1钢包精炼水模型示意图 Fig.1 Schematic of the water model of ladle refining 45 12C 在几何相似(1：4)的基础上，为保证实验规律 的相似需要满足动力学相似条件.实验中采用向水 短轴 14 中吹入氮气的方法来模拟现场的氩气吹入.向水中 吹入氮气与实际生产中向钢液中吹入氩气，均属气一 液两相流动，保证修正的佛鲁德准数相等即可满足 动力学相似条件.式(1)为修正弗鲁德准数定义，特 征速度表达为式(2)： Fr”= (1) gHp 40 图2钢包底部吹气孔布置图 t= (2) Fig.2 Layout of blowing holes at the ladle bottom北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 1 实验原理及方案 1. 1 实验原理 在相似原理基础上，以某厂 150 t 椭圆形钢包为 原型建立相似比为 1∶ 4的钢包水模型，原型与模型 尺寸如表 1． 通过水模型探索底吹气孔位置、吹气量 和开孔数量对钢包内钢液流动及混匀的影响，水模 型系统见图 1． 以高压氮气模拟 Ar 气进行底吹，以 水模拟钢液，饱和 KCl 溶液作为示踪剂，采用 DJ800 数据采 集 系 统 跟 踪 KCl 浓度变化并测算其混匀 时间． 表 1 原型与模型的相关尺寸 Table 1 Dimensions of the original and model ladles mm 位置 实际尺寸 模型尺寸 钢包深度 3890 973 钢包上口长轴 3303 826 钢包上口短轴 3003 751 钢包下口长轴 2955 739 钢包下口短轴 2655 664 透气塞顶面直径 135 34 熔池高度 3490 873 图 1 钢包精炼水模型示意图 Fig． 1 Schematic of the water model of ladle refining 在几何相似( 1∶ 4) 的基础上，为保证实验规律 的相似需要满足动力学相似条件． 实验中采用向水 中吹入氮气的方法来模拟现场的氩气吹入． 向水中 吹入氮气与实际生产中向钢液中吹入氩气，均属气-- 液两相流动，保证修正的佛鲁德准数相等即可满足 动力学相似条件． 式( 1) 为修正弗鲁德准数定义，特 征速度表达为式( 2) : Fr' = v 2 ρg gHρl ， ( 1) v = 4Q πd2 ． ( 2) 式中: v 为特征速度，m·s － 1 ; H 为熔池深度，m; g 是 重力加速度，m·s － 2 ; ρg 是气体密度，kg·m － 3 ; ρl 为液 体密度，kg·m － 3 ; Q 为气体体积流量，m3 ·h － 1 ; d 为喷 嘴直径，m． 由( Fr') m = ( Fr') p ( 文中下标 m 表示模型，p 表 示原型) 可得下式: Qm = [ ρg，p ρg，m ρl，m ρl， ( p dm d ) p 4 Hm H ] p 1 /2 Qp ． ( 3) 将 ρg，p = ρ o Ar Pl，p Po To Tp ，ρg，m = ρ o N2 Pl，m Po To Tm ， Hm Hp = dm dp ，Pl，p = Po + ρl，p gHp，Pl，m = Po + ρl，m gHm 代入上式得到实验 氮气流量与实际氩气流量的对应关系如下: Qm = ( dm d ) p 5 ρl，m ρ o Ar( Patm + ρl，p gHp ) Tm ρl，p ρ o N2 ( Patm + ρl，m gHm 槡 ) Tp Qp ( 4) 式中: ρ o Ar和 ρ o N2分别为 Ar 气和 N2在标准状态下的密 度，kg·m － 3 ; ρl，m和 ρl，p分别为水和钢液的密度，kg· m － 3 ; Hm 和 Hp 分别为模型和原型的熔池高度，m; Qm 和 Qp 分别为模型和原型的气体流量，m3 ·h － 1 ; Tm 和 Tp 分别为模型和原型中流体的温度，K; Po 为 标准状态下气体在实验环境温度下的压力，Pa; To为 实验环境温度，K． 1. 2 实验方案 对钢包原型进行优化，主要考虑了底吹氩孔的 位置、角度和吹氩流量的变化对于钢液混匀及液面 裸露的 影 响． 设计实验吹氩孔的位置为 0. 2Ｒ、 0. 4Ｒ、0. 6Ｒ 和 0. 8Ｒ，设计角度分别为 45°、90°、135° 和 180°，模型钢包底部吹氩孔布置如图 2 所示． 原 型吹氩孔位于距离钢包中心 0. 2Ｒ 处( 图 2 中 D4 和 F4 位置) ． 图 2 钢包底部吹气孔布置图 Fig． 2 Layout of blowing holes at the ladle bottom ·2·