电磁净化中间包水模拟实验研究王保军钟云波王赟任忠鸣雷作胜任维丽上海大学材料学院上海市现代冶金与材料制备重点实验室, 上海 200072摘要 本文采用水模实验，对电磁净化中间包中不同控流装置配置和旋转速度下的停留时间分布曲线进行了测试，对电磁净化中间包中流体的流动特性，以及旋转运动在中间包净化钢液中所起的作用进行了分析和探讨。结果表明，电磁净化中间包圆形腔中的旋转运动能够减小中间包中死区分数，增加活塞区比例，同时增长平均停留时间，但旋转速度不是越高越好，存在一个最佳值。关键词 电磁净化中间包；RTD 曲线；水模拟1概述钢铁材料是金属家族中应用最广泛的一种结构材料，在国民经济建设中起着举足轻重的作用。近年来，随着能源问题的日益突出以及循环经济理念的深入，生产高强度、高品质的钢铁材料成为钢铁企业发展的必然趋势。在各种提高钢铁材料性能的工艺中，提高材料的纯净度是最重要的环节之一1。因此，在钢铁生产过程中，最大限度提高钢液的纯净度，获得洁净的钢铁材料，一直是冶金科研工作者追求的目标。中间包作为连接钢包和结晶器的中间容器，它起着均匀温度、稳定流动、促进夹杂上浮等功能，对钢液的洁净度提高起着至关重要的作用2，因此，如何优化中间包结构，获得最佳的流场和更长的平均停留时间，提高夹杂物的去除效率，成为中间包冶金的主要内容之一。目前中间包中提高夹杂物去除效率的主要方法有扩容、结构优化设计、底部吹氩、氩气保护、等离子体加热等3-5，这些方法对钢中夹杂物去除具有一定的积极意义，然而，在连铸生产效率日益提高的今天，上述方法的除杂效率仍有待提高，特别是随着高效连铸概念的提出，迫切需要更加高效的净化技术，以保证在高的钢液流量的情况下，仍然能够得到纯净的钢液。近年来，由日本川崎公司开发的中间包电磁净化钢液技术取得了很好的效果，并已在该公司的生产中得到实际应用6-9。该技术的基本原理是将中间包分成圆形腔和矩形腔，在圆形腔 ，从而可得出从长水口注流加入示踪剂开始到流出中间包水口时的最小停留时间(响应时间 tmin和示踪剂浓度达到最大时的峰值间tpeak，并以此计算出各微团在中间包内的实际平均停留时间12，计算式如下：1）中间包内流体体积可分为分散活塞区体积、滞流区体积和完全混合流体积。其中，滞流区体积分率由下式计算:2）活塞区体积分率由下式计算: 3）混合流体积分率由下式计算: (6 (7 式中 ts-理论平均停留时间，ts=V/QmAhula 和 Sahai13在长期的水模拟实验中认为：为了保证在中间包中钢液与杂质最好的分离效果，应尽量使流体的平均停留时间较长，死区尽可能的小，活塞流与死区比例比值尽可能的大，混流区较大，还要具有一定指向液面的流动，同时要保证平静的钢液液面。本文即采用上述标准对电磁净化中间包的流动特性的优劣进行判断。实验过程中，通过改变中间包内挡坝位置、液面深度、大包流速以及出口的位置、大小等措施，测定中间包水口的RTD 曲线，然后通过上述公式计算，得出活塞区、滞留区、混合区体积分数以及实际平均停留时间、最小停留时间、峰值时间等流体流动特性参数，同时通过加入甲基兰示踪剂，直观观察流动情况，最终确定离心中间包的内腔结构以及操作参数的最佳值。2.4 实验方案由于该实验模拟的是电磁净化中间包的流场运动情况，其湍动程度要比传统中间包更为剧烈，流动形式更为复杂，这也决定了与传统的中间包有很大的不同，同时也没有相应的原方案供参考，因此中间包的结构和操作参数都需要重新确定。由于钢液的旋转，它从旋转室到分配室的初速度会比较大，如果没有坝的阻挡，极易形成短路流，同时停留时间也会大大精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 8 页50 / 8 缩短，因此本实验直接从有坝中间包入手，设计了挡墙位置、液位变化、流速变化以及出口宽度、位置等10 种方案，测定了60 组数据。实验方案如下表：表1 实验方案编号坝距水口侧包壁距离/mm 开口宽度mm 开口位置流量1700L/h 液位mm 1 490 128*128 正中1700 380 2 590 128*128 正中1700 380 3 690 128*128 正中1700 380 4 590 128*208 正中1700 380 5 590 128*128 偏一侧1700 380 6 590 128*208 偏一侧1700 380 7 590 128*128 正中1500 380 8 590 128*128 正中1900 380 9 590 128*128 正中1700 300 10 590 128*128 正中1700 430 3实验结果与分析3.1不同坝距的流动特性分析由图2 我们可以看到，坝在不同位置所得到的流动特性也不同。通过比较可以得知，坝的 3 个位置中距中距水口侧包壁距离为590mm的位置在整体上活塞区体积分数最高，而死区体积分数最低，同时混流区体积分数也很高，而且在10-30rad/min 的较低转速下死区几乎为零。虽然690mm 的位置在较高转速下混流区比较大，但它的活塞流区最小，同时死区也是三方案中最大的。从图中可以看出三种方案的平均停留时间相差不大，在低转速下590mm 的坝距的平均停 留 时 间 最 大 。 因 此 距 水 口 侧 包 壁 距 离 为590mm 的坝距比较合适。010203040500.160.180.200.220.240.260.280.300.320.340.360.380.40体积分数/%转速/rad min-1坝距490坝距590坝距690010203040500.480.500.520.540.560.580.600.620.640.660.680.700.720.740.76体积分数/%转速/rad min-1 坝距490 坝距590 坝距69001020304050300350400450500时间/s转速/rad min-1 坝距490 坝距590 坝距690010203040500.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.200.220.240.260.28体积分数/%转速/rad min-1坝距 490 坝距590 坝距690精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 8 页51 / 8 图2 不同坝距对中间包流动特性的影响3.2不同出口位置以及出口大小的流动特性分析由于出口连接着旋转室和分配室，出口的大小和位置直接关系到进入分配室的注流的初始特性，因此要特别考虑。由于在有转速情况下注流在出口位置是流动方向偏向一侧，因此出口位置液设计了两种情况，一种是位于正中，一种是处于旋流的上游，即图1 右图标注位置偏上64cm，属于偏心出流。对于偏心出流，根据流态观察的结果可知，不管出口大小，在有转速的情况下都极易引起中间包液面的整体波动，导致液面很不平稳，没有实际意义，因此出口位置偏向一侧的方案不予考虑。由图3 可知，出口宽度较小时，可以获得更高的活塞流区体积，同时可以获得更小的滞留区，而且这两种方案的混流区体积分数相差不大，出口较小时的混流区体积分数在整体上还大于较大的出口。从图中还可以看出，较低转速下，出口较小时的平均停留时间也较长，高转速下两种情况基本相同。因此相对而言，较小的出口更有利于钢液的除杂。3.3不同流量下的流动特性分析有图 4可知，随着流量的增加，平均停留时间逐渐减小，但较低的流量会使钢包的浇铸时间延长，导致工作效率的降低14。同时从图 4可以看出，整体上流量为1700L/h 的活塞流区比例最大，死区的比例最小，混流区比例与1900L/h下的基本相同，都比1500L/h 下得大。因此在1700L/h的流量下流动状况最为理想。图3 开口宽度对中间包流动特性的影响010203040500.180.200.220.240.260.280.300.320.340.360.38体积分数/%转速/rad min-1开口 128128 开口12820801020304050-0.020.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.200.220.240.260.280.30体积分数/%转速/rad min-1 开口128128 开口128208010203040500.400.450.500.550.600.650.700.75体积分数/%转速/rad min-1 开口128128 开口12820801020304050340360380400420440460480500时间/s转速/rad min-1 开口128128 开口128208010203040500.200.220.240.260.280.300.320.340.360.38体积分数/%转速/rad min-11500L/h1700L/h1900L/h010203040500.000.050.100.150.200.250.300.35体积分数/%转速/rad min-11500L/h1700L/h1900L/h精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 8 页52 / 8 图4 不同流量对中间包流动特性的影响3.4不同液位的流动特性分析由图5 可知，虽然平均停留时间随着液位的增加而增大，430mm 液位下的平均停留时间最长。但从图5 可以看出，相对其它两种较低液位，高液位下的死区整体上明显比其他两种要大，同时混流区比例也比其他两种方案要小很多，因此不是最佳液位深度。而在低液位下，虽然混流区比例相对较大，但最小停留时间、平均停留时间以及活塞区比例都是最小的，流动特性不是很理想。因此相对而言，380mm 的液位是最理想的液位深度。010203040500.450.500.550.600.650.700.750.800.85体积分数/%转速/rad min-11500L/h1700L/h1900L/h01020304050200240280320360400440480520560600时间/s转速/rad min-11500L/h1700L/h1900L/h010203040500.200.220.240.260.280.300.320.340.360.380.40体积分数/%转速/rad min-1液位300液位380液位430010203040500.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.200.220.240.26体积分数/%转速/rad min-1液位300液位380液位430010203040500.450.500.550.600.650.700.75体积分数/%转速/rad min-1液位300液位380液位43001020304050050100150200250300350400450500550600时间/s转速/rad min-1 液位300 液位380 液位430精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 8 页53 / 8 图5 不同液位对中间包流动特性的影响图6 电磁净化中间包水模拟流场形态无转速有转速图7 中间包注流在有无转速下的流动示意图综合以上各种方案可知，在流量为1700L/h、380mm 液位下，坝距水口侧包壁距离为 590mm、开口在中间位置且为128mm*128mm 时，平均停留时间较大，死区比例相对较小，同时活塞区比例也较大，混流区比例也很大。在这种方案下加入甲基兰示踪剂后观察液体流动的过程可知，进而使注流的运动路程增加，从而使注流的平均停留时间增加。4结论经过水模拟的RTD 曲线分析和流场观察，探讨了电磁净化中间包的流场特性，得出以下初步结论：1）旋转磁场在中间包上的应用，增加了活塞区的体积，降低了滞留区的体积分数，因此对提高钢液中夹杂物去除效率更为有利；2）在本文条件下，当流量为1700L/h、液位为 380mm、坝距水口侧包壁距离为590mm、开口在中间位置且为128mm*128mm 时中间包的滞留区最小，活塞区最大，平均停留时间较长，最有利于钢液中夹杂物的上浮去除； : 6469 2 曲英 ,刘今，冶金反应工程学导论.北京 : 冶金工业出版社 ,1988 3 高运明 ,倪红卫 .改善钢水洁净度的中间包新技术J.炼钢 , 2000, : 6872 5 李正邦 . 超洁净钢的新进展. 材料与冶金学报. 2002 , 1(3 : 161165 6 肖英龙 .利用离心式中间包提高钢液纯净度.宽厚板.2001 ,7 (4 : 3941 7 Yuji Miki , Hiromitsu Shibata , Nagayasu Bessho , Yasuo Kishimoto . CleaningMolten Steel with the Centrifugal Flow Tundish.Tetsu to Hagne. 2000 , 86 (4 : 3744 8 Yuji Miki, Hidenari Kitaoka . Mechanism for Separating Inclusions from Molten Steel Stirred with a Rotating Electro-magnetic Field.ISIJ International,Vol.32(1992,No.1:142-149 9 钟云波，离心中间包净化钢液的物理模拟，上海金属.2006，V28(1:14 18 10 曲英主编，炼钢学原理.冶金工业出版社，1980 11 王建军 ,包燕平，中间包冶金学.北京 : 冶金工业出版社, 2001:4546 12 Dipak Mazumdar and Roderick I.L, The Physical and Mathematical Modelling of Continuous Casting Tundish Systems. ISIJ International,Vol.39(1999,No.6:524-547 13 Y. Sahai and R.Ahuja, Ironmaking Steelmaking,13(1986:241 14 程乃良 ,梅钢 40 吨板坯中间包冶金特性的现场实验和理论研究 D. 北京 :钢铁研究总院 ,2000 Water Model Study on Tundish for Electromagnetic Purification Wang Baojun Zhong Yunbo Wang yun Ren Zhongming Lei Zuosheng Ren Weili Shanghai Key Laboratory of Modern Metallurgy &Materials Processing ,Shanghai University , 3 Shandong Laiwu Iron &Steel Co. , Ltd ABSTRACT In this paper, the residence time distribution of fluid under different set of flow control parts and rotating speed of fluid was measured by using water model experimental method. and the flowing characteristic in the tundish， as well the effect of rotational motion on purifying the liquid steel was discussed. It was shown that, the Rotational motion in the column cell of the tundish for electromagnetic purification could decrease the dead volume，increase the plug volume and average residence time, and there is an optimal rotating speed to get the best flowcharacteristic.KEYWORDS tundish for electromagnetic purification ； residence time distribution curve；water model experiment 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 8 页55 / 8 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 8 页