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中间包内基本的物理现象是钢液的流动,各种冶金过程都是在流动的钢液中进行的,所以研究中间包内的流体流动行为是中间包冶金的基础。多流中间包受几何形状和操作参数的影响,各流流动很不均衡,各流之间温度、成分和夹杂物含量存在很大差异。因此多流中间包内流体流动行为的研究和分析方法与一般的单流或对称的双流中间包有所不同,有必要建立系统研究多流中间包内流体流动行为的物理模拟方法体系,用以揭示多流中间包内钢水的流动规律,为充分发挥中间包的各种冶金功能起指导作用。 本文利用原有的物理模拟方法体系研究五个多流中间包内的流体流动行为,发现原有方法体系不适合多流中间包内流体流动现象的研究。为此,深入研究了对称型多流中间包内流体存在不对称流动现象以及相同的非等温实验条件对不同的多流中间包产生不同的影响;并根据多流中间包流体流动特征,提出了分析多流中间包内流体流动模式的新方法。在这些研究工作的基础上,建立了研究多流中间包内流体流动行为的物理模拟方法体系,并将该方法体系应用到多流中间包内钢水控流技术的研究中。 本文主要的研究内容和特点有以下三个: 1.多流中间包内流体流动行为特征 ①首次研究了多流中间包内不对称流动现象,这是本文的第一个创新点。 1)通过物理模拟实验和数学模拟计算验证了几何对称型多流中间包内存在不对称流动的现象,而且距离大包流股注入点越远,温度场和流场的不对称性越强。 2)多流中间包设置对称的控流装置对流场和温度场的不对称性有所改善,但是远流区域流体流动行为的区别仍然较大。 3)针对体积大流数多的几何对称型多流中间包,应将整个中间包作为研究范围,研究中间包内流体流动行为。 ②研究了多流中间包内非等温条件下流体流动特征 1)非等温情况下,由于温度差的存在,引起钢水密度差,形成与等温过程相反的流动模式。 2)中间包内进出口水温达到平衡后,多流中间包准数大于450.8×10-4时,研究对象处于非等温流动状态,满足非等温模型的要求。 2.多流中间包内流体流动模式的分析方法 ①针对非等温物理模型,定义并分析了多流中间包内温度响应曲线-F曲线,在此基础上,提出“多流中间包内控流装置优化设计方法”,这是本文的第二个创新点。 ②本文提出了利用联合RTD曲线模型分析多流中间包内流体流动模式的方法,该方法解决了从整体上分析多流中间包流动特征的问题,并考虑了死区缓慢流动这一实际情况,能够更真实地反映中间包内实际流动状况,为多流中间包钢液流动控制技术提供更可靠的理论依据,这是本文的第三个创新点。 3.多流中间包内流体流动行为物理模拟方法体系的建立与应用 ①建立了多流中间包内流体流动行为的物理模拟方法体系。尽量选择非等温物理模型,依据多流中间包准数验证研究对象能否满足非等温物理模型的要求。对于六流(含六流)以上的对称型多流中间包,应将整个中间包作为研究对象。若采用非等温物理模型研究多流中间包内钢水控流技术,应综合考虑多流中间包内F曲线和联合RTD曲线模型分析结果,运用多流中间包内控流装置优化设计原则评价各方案。若采用等温模型,应以联合RTD曲线模型分析结果为依据,对多流中间包内控流装置进行评价。 ②将多流中间包内流体流动行为的物理模拟方法体系应用到攀钢四流中间包控流装置的优化研究中。采用实验室推荐的控流装置进行大生产试验,每个炉次在不同时段各流平均温差为2.5K;铸坯中粒径大于50μm的夹杂物占总量的6.2%;中间包内夹杂物的平均去除率高达45.2%,中间包内的控流装置起到了良好的冶金效果。这说明采用新的方法体系能够系统地研究多流中间包内流体流动的规律,与数学模拟研究结果相结合,可以优选出均匀各流温度,夹杂物去除效果良好的控流装置。