离心式中间包流动与混合过程的模拟研究

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中间包冶金是连铸工艺的过程中的重要环节。随着钢的连铸技术的发展,中间包已成为提高钢水洁净度的重要部分。延长钢水在中间包内的停留时间,提高非金属杂质和有害气体的去除率,是当前国内外研究的焦点。为此,本文针对离心式中间包内钢液流动规律,研究了离心中间包的优化操作原则和结构设计及夹杂物的运动。 本文中,利用电机带动叶轮在水中旋转,以模拟电磁搅拌的作用;将电机转数(n)和离心室出口面积(A)作为实验变量,组成多组不同的条件进行实验。电机转数分为五档:72r/min,58r/min,45r/min,36r/min和27r/min,离心室出口面积分为四种:1A、0.75A、0.5A和0.25A(A是指离心室出口面积:105mm×140mm)。首先研究倾斜注流水口结构,利用注流水口出流动能,确定有利于加强旋流的水口结构和出流方向,研究旋流结构、旋流强度,并讨论了倾斜水口与搅拌相结合的旋流贡献。另外,本文中提出设计弯水口,利用注流动能加强中间包内的钢液旋流强度,与直水口进行对比试验,同时讨论了采用弯水口时,流量的变化对中间包内流体的影响。 实验中,在大包注流中注入饱和NaCl水溶液作为示踪剂,采用“刺激——响应”法测定停留时间分布;在观察杂质运动阶段,利用黑芝麻作为示踪剂,观察其在中间包内的运动状况,并用数码相机记录现象。 实验结束后,我们对实验数据进行处理,绘制出各种情况下的停留时间分布(RTD)曲线,并且计算出死区(Vd%)、活塞流区(Vp%)和混流区体积分数(Vm%)。通过对各组曲线和每种情况下的三种体积分数作以比较,观察黑芝麻在中间包内的流动,分析不同实验条件下的照片,可以得到以下结论:1.离心室出口面积应在一定范围内,过大或过小都会减小中间包的有效容积,降低除杂效果。本实验中离心室出口面积取0.75A为佳。 2.电机转数的增大会增加旋流强度,延长停留时间,增大活塞流体积,减少死区体积,有利于夹杂物的排除。 3.旋流强度越强越有利于杂质向旋流中心汇聚,有助于提高杂质去除效率。但在实际生产中,强度过高有可能导致钢水将离心室壁的耐火材料卷入钢液中,影响连铸坯质量。 4.与直水口相比较,弯水口使来自钢包的注流以一定角度流入中间包离心室,利用钢液注流的动能加速旋转离心室内的钢液,增大向心力,促使夹杂物进一步向涡心聚集。 5.采用弯水口时,流量的变化影响旋流的强度,流量越大,则旋流强度越强,有利于夹杂物的聚合和上浮。
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