冶金过程水模型实验讲义2015

15冶金过程水模拟【实验性质】综合性实验；学时：45.1实验目的中间包是炼钢连铸生产流程的中间环节，是连接钢包和结晶器之间的过渡容器，是由间歇操作转向连续操作的衔接点，随着连铸技术水平的不断提高，中间包对于精炼和提高铸坯质量方面的作用越来越明显，已经由普通的过渡容器发展为多功能连铸反应器。中间包现在的冶金作用不仅是储存和分配钢包钢水，而且还通过控流装置，调整钢液流动状态，从而达到均匀温度和促进非金属夹杂物上浮的效果。中间包冶金效果和中间包内部结构有关，比如挡墙挡坝、导流孔、湍流抑制器、过滤装置、使用塞棒、中间包吹氩等都影响着钢液的流动状态，所以通过水模型实验优化中间包内控流装置是中间包科研工作的一个方面。本实验要求学生设计两个实验方案，针对这两个方案做中间包RTD曲线的测定和流场显示，将实验结果加以对比分析，看哪个设计方案有利于夹杂物上浮，有利于钢液成分和温度的均匀。通过本实验不仅使学生学会中间包水模型实验方法，而且学会通过实验数据进行对中间包性能进行分析，为将来参与相关的科研活动奠定基础。5.2实验基本原理本实验中用水模拟钢液，用有机玻璃模型模拟实际中间包。这是因为水易于操作且20℃水的运动粘度与1600℃钢液的运动粘度相当，其各自的物理性质如表1.1表120℃水和1600℃钢液的物性参数本实验以相似原理为理论基础，要保证模型与实型的相似，必须满足几何相似，动力相似，才能保证运动相似。中间包内钢液的流动，是液体在重力作用下从大包水口流入中间包内，然后从中间包水口流出。在这种情况下，可视为粘性不可压缩稳态等温流动。中间包中的钢液流动主要受粘滞力、重力和惯性力的作用，为保证原型与模型的运动相似，需要采用雷诺数、弗鲁德数同时相等。雷诺数/uLRe（1）弗鲁德数gLuFr/2（2）2其中：ρ：密度；L：长度；u：流速；μ：粘性系数；g：重力加速度。模型几何尺寸与原型几何尺寸的比称作比例因子。当原型与模型的雷诺数与弗鲁德数同时相等时，要求比例因子为1:1。如果实验条件允许时，尽可能采用1:1模型；如果不能实现1:1时，可以缩小比例。原因有以下两个方面，一是流体处于自模化区时流动速度分布彼此相似，与Re数不再有关，这种现象便称为自模性。常将Re2000的范围称为第一自模化区。当2000Re104时，流体处于由层流向湍流的过渡状态，这时流动速度分布随Re变化较大；但是，当Re104时，流动再次进入自模化状态，称为第二自模化区，只要原型设备的Re数处于自模化区以内。则模型和原型Re数就不必相等，本实验的(Re)R和(Re)m都处于104~105之间同处于第二自模化区。另外在流体在由钢包流向中间包，中间包流向结晶器的过程中，流动主要由重力引起，因此只考虑与重力相关的准数弗鲁德数。5.3实验参数确定(1)模型流量的确定根据Fr准数相等，可以确定模型流量，反之，通过模型流量的确定保证了原型与模型的弗鲁德数相等。下式中r代表原型，m代表模型。mrFrFr（3）即：rrmmgLugLu//22（4）即2/12/12/1//rmrmLLuu（5）2/522//rrmmrmLuLuQQ（6）2/5rmQQ（7）式中，λ为比例因子，本实验中取1:2.5。由式（7）可确定水模型中间包出水口流量。中间包所需参数见表2。表2实际拉速与实验流量的换算表格规格/mm实际拉速m/min原型出水口流量3/mh模型流量3/mh1400*2301.019.321.955实际流量hmVAQr/32.19360060/0.123.04.13模型流量hmQQrm/955.1)5.2/1(32.1935.22/5（2）实验液位的确定根据工厂实际生产液位和比例因子来确定实验液位。本实验中原型中间包内出水口处至3钢液位高度为1100mm，比例因子为1/2.5，则实验中水的液位高度为440mm。（3）采集时间的确定数据采集时间要大于两倍的理论停留时间。如中间包模型中水体积为：3496.0mV，取模型流量Q=1.9553/mh，则理论停留时间为：t＝V/Qm=3600*0.496/（2*1.955）＝456s，实验采集时间应大于2倍理论停留时间（912s），本实验采集时间设为16分钟（960s）。5.4实验装置本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，挡坝，塞棒等)，示踪剂加入装置，电导探头，电导率仪和数据记录仪(DJ800)等，装置示意图如下：5.5实验方法1）测量停留时间分布通常应用“刺激-响应”实验来测量停留时间分布。其方法是：在中间包注流处输入一个刺激信号（信号一般使用饱和氯化钾溶液来实现），然后在中间包出口处测量该输入信号的输出，即所谓响应，从响应曲线得到流体在中间包内的停留时间分布。本实验采用脉冲法加入示踪剂，即瞬间把所有的示踪剂都注入到进口处的物流中，在保持流量不变的条件下，测定出口物流中示踪剂浓度C随时间的变化即RTD曲线。进水泵回水泵控制柜计算机流量计流量计电磁阀电磁阀示踪剂漏斗电磁阀钢包滑轮液位计电极电导率仪4本实验采用饱和的KCl溶液作示踪剂，在大包水口支管处加入200ml，时间大约1秒。用电导率仪同时测量中间包出水口处的RTD（ResidenceTimeDistribution停留时间分布）曲线，见图2，并根据该曲线计算每个水口的平均停留时间、滞止时间和死区比例。图2RTD曲线图中横坐标θ为无量纲时间（时间量与理论停留时间t̅的比值），纵坐标为示踪剂浓度，Q为总体积流量，将总体积流量分为活动区体积流量Qa（活塞区+全混区）和死区体积流量Qd，一般在2倍停留时间之外的测得的浓度为通过死区流量的浓度，RTD曲线中无量纲时间2之前的面积表示活动区体积流量与总流量之比，无量纲时间2之后的面积表示死区体积流量与总流量之比。所以测量时间一定大于2倍理论停留时间tt。aaaatacQQVVQVQVtt//（8）caaQQVV（9）caadQQVVVV11（10）5020020itiitiaccdcdcQQtt（11）死区与外界进行较慢的物质和能量交换，死区流速很慢，死区体积流量与活动区体积流量之和为总流量，当认为死区为完全滞留区，与外界不交换物质和能量时，死区的体积流量即为Qd=0.此时活动区体积流量等于总流量Qa=Q，这只是一种特例。2）流场显示有色示踪剂法观察在透明的有机玻璃模型内液体的流动状态。为了得到定性结果，选择在大包水口支管处加入带色液体(如墨水)来进行观察，并进行录像分析。5.6实验步骤实验前准备工作包括水箱中储满水；连接好电极、流量计，打开上水流量计阀门等，配置好饱和KCL溶液150ml。1）启动软件检查屏幕右侧“出水阀控制”为“已关”状态，如果不是，请点击“已关”2）设定中间包液位高度440mm；3）启动上水泵，点击屏幕左侧“上水泵”旁绿色按钮，变为红色，说明上水泵已启动。4）点击屏幕左侧“试验步骤”，以后操作见下表，黄色闪烁说明要执行该操作提示操作反应一进水阀开度给定并开阀点击“进水”按钮打开水箱下面的进水阀二液位校准零位液位高于设定值5mm自动关进水阀三出水流量给定输入出水流量值，并回车几秒后出水阀打开四开启出水阀至设定值阀门开度到55%左右五请将出水阀打开并确认点击屏幕右侧“出水阀控制”中“已开”“已开”变为绿色，出水阀继续打开六动平衡调整点击“动平衡”出水阀阀门继续开大，调整中间包液位平衡，约5分钟认为平衡调好后点击“出水阀控制”下面的“手动操作”使出水阀固定开度不变点击“完成”动平衡调整结束七系统准备完了可以开始出现，“可以开始试验啦”6试验了八试验时间设定秒输入数据采集时间并回车九开始采样点击“开始采样”出现“实验中……”字样十试验结束点击“出水阀控制”下面的“手动禁止”点击“实验结束”紫色的“手动禁止”变为绿色的“手动操作”十一点击“时钟清零”回到初始状态5.7实验方案通过改变挡墙位置自行设定两种工况，通过实验数据分析哪种工况有利于钢中夹杂物上浮。实验编号挡墙距离挡坝（mm）备注AB5.8数据处理及结果分析5.8.1数据处理1）中间包内钢液流动模式连铸中间包是一种典型的连续式全混流冶金反应器。但由于钢包注流的冲击、水口处对钢液的抽吸以及中间包本身的内部结构和形状，造成了中间包内钢水流动状态的复杂性，中间包内存在的流动模式往往又是一种非理想的连续流。因此按照混合模型来分析，中间包内流体的流动可分为三部分，即活塞区、全混区和滞留区（死区），分别介绍如下：（1）活塞区活塞区的流动是一种理想状态，它假设通过反应器的流体均沿同一方向，以相同的速度向前流动，在流动过程中没有流体的混返，所有流体在反应器中的停留时间都相同。活塞区的流动有利于夹杂物的上浮，应尽可能地发展活塞流，并注意其流动路线的控制。（2）全混区该区位于钢包注流附近，钢液与来自钢包的注流混合。在此区内，流体充分混合，成分和温度均匀且等于出口处的成分和温度。全混区有利于钢液成分和温度的均匀，并且促进夹杂物的碰撞长大，但必须防止卷渣。（3）死区此区内流体与周围区域不发生物质和能量交换。死区相当于减少了中间包的有效容积。若存在死区，使实际停留时间比理论计算值少，不利于夹杂物的上浮，需减少死区体积。72）停留时间分布所谓停留时间，是指物料从进入反应器开始，到离开反应器为止，在反应器中所经历的时间。进入活塞区的流体最先到达反应器的出口，而进入死区的则最后到达出口。虽然同时进入各区的流体分量不相同，但在总体上表现为一定的概率分布。如果钢液流动为活塞流，示踪剂分子和加入前后的流体没有混合，经过一段时间后全部示踪剂由水口流出，所以仍旧保持脉冲特性，这就是曲线A；如果钢液流动为全混流，示踪剂脉冲加入后立刻与中间包内钢液混合，混合均匀并立即由水口流出，以后随着钢液流出的示踪剂将逐渐减少，所以其曲线呈现衰减特征，这就是曲线B；实际上钢液的流动介于这两种特例之间，也就是曲线C。三种曲线的意义只是表示流动特征的不同，而容器体积和流量是一样的。图3反应器内流体的三种流动状态的RTD曲线3）中间包混合模型计算通过研究中间包物理模型，可提供中间包内的停留时间分布和混合特性方面的信息，了解中间包内钢液的流动状况。具体计算公式如下：（1）理论平均停留时间tt：QVtt（12）其中V为模型水的体积，Q为模型总流量。（2）实际平均停留时间at：指活动区体积与活动区流量之比。根据活动区流量的定义，在2倍理论停留时间之前的流量认为是活动区流量，所以实际平均停留时间在计算时积分到2倍理论停留时间。at越大越有利于夹杂物有上浮。式（8）中ci为ti时刻KCL的电导率，n表示中间包对称轴一侧的通道数，在本实验中n=1。ntintiintitiittattttttccttctctdttcdtttct120120120n1202020)()(（13）8（3）滞止时间mint：从加入脉冲信号开始到出口得到相应时的最短时间，滞止时间延长，活塞区扩大。（4）峰值时间peakt：获得最大电导率值的时间，峰值时间越长、峰值越小，曲线就越平缓，流场也就越合理。（5）活塞区比例：若同一时刻进入容器的流团均在同一时刻离开容器，它们不会和先或后于它们进入容器的流团相混合，此为活塞区。活塞区有利于夹杂物的上浮。tpeakptttVV2min（14）其中：pV活塞区体积（6）死区比例：死区内流体无流动和扩散，相当于缩小了中间包的有效容积。死区的存在对大颗粒夹杂的上浮影响不是很大，但对于中小夹杂（20um），由于没有流体的流动，也就使中小夹杂没有机会碰撞聚集长大而较迅速的上浮。我们可以这样认为对于中小夹杂，在有限的滞留时间内，没有上浮的机会，因而死区对夹杂的去除效率（尤其是中小夹杂）可认为为零：tataaaaaadttktt