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[摘 要]：针对方坯六流中间包，采用1：2缩小比例的水模型研究中间包内设置不同方案的挡墙条件下，中间包内钢液的流动特性。结果表明导流孔高度在150mm（实际高度300mm）、导流孔倾角30?、导流孔孔径为25mm（实际孔径50mm）时流场最优。
[关键词]：连铸 中间包 水模型 结构优化
中图分类号：TF777.1 文献标识码：TF 文章编号：1009―914X（2013）25―0572―01
前言
冶金系统中，流体的流动、传热、传质和冶金反应同时发生，而且在高温下进行，对这些现象完全加以模拟是很困难的。物理模拟有两种类型。一种是精确的物理模型（或称完全模拟），它严格按照相似原理构造模型，实验结果也可以直接进行比例放大。第二种是半精确模型（或称部分模型），大多数冶金过程只能做到部分模拟，研究其中的关键物理现象，实验结果可借助数学模型应用于实际系统[1]。
用物理模型研究冶金过程的特点是用常温液体如水来模拟高温的冶金熔体，因为20℃水的物理性质与炼钢温度下钢液的物理性质十分相似。因此可以用水模拟钢液流动，而且操作方便，成本低，能循环利用等优点。
1、 实验原理
本实验使用物理模型模拟中间包内钢液的流动特性，其理论基础是相似原理。为了使模型能够真实的反应原系统的实际情况，必须保证两系统几何相似，物理相似。在几何相似的基础上，进行运动相似的模拟。当几何比例系数确定后，运动相似只要确定时间比例系数。因此，运动相似也称为时间相似[2]。
中间包中钢液的流动，是钢液从钢包水口流入中间包，然后从中间包水口流出。这种流动可以看作是钢包注流和钢液静压力引起的强制流动，影响其流动状态的作用力主要有惯性力、重力、粘性力和表面张力的作用，包含这些力的相似准数主要有Re数、Fr数、We数等。Dipak Mazumdar等人也利用三种不同形状和不同比例的模型进行了实验研究，认为中间包的流体流动主要由惯性力和重力起决定作用，粘性力在该系统中是不重要的。因而对中间包的模拟采用Fr相似准数更合适。
2 、实验装置
本实验采用1/2缩小比例的水模型进行研究。考虑到此实验条件下，模型与实型中的流体流动状态均已处于第二自模化区，因此，该系统的流动状态及流速分布与雷诺准数Re无关（关系不大），只要求保证与重力有关的弗鲁德准数Fr相等即可达到动力相似。以六流方坯连铸机为模拟研究对象，实验模型用有机玻璃制做，其实验主要设备有，大包、中间包、大包长水口、中间包内控流装置、出口示踪剂浓度电导探头、DDLY-2005型电导率仪和数据记录仪等组成。实验采用经过改进的中国水利科学研究院的DJ800xp水工测量仪，电导探头为上海精密科学仪器有限公司生产的雷磁DJS-1C型铂黑电极。
2.1、实验内容
进行实验，向钢包内注入水，打开阀门。水流通过长水口注入到中间包注流区，将中间包注满，使其液位和流量稳定。然后把500ml饱和KCl溶液通过漏斗加入到钢包长水口处，同时在中间包水口处开始采集数据。
2 2、六流中间包内钢液流动水模实验研究与结果
2.2.1 中间包RTD曲线分析
由于本实验的控制因素较多，逐一因素进行比对分析操作过程比较复杂，本实验采用正交实验方法，下面是实验各方案的RTD曲线。
2.2.2 正交实验研究
根据正交实验方案进行实验，将实验结果进行正交分析，分析不同因素（包括挡墙高度、导流孔角度、孔径）对实验参数的影响，得到排序结果和最好的实验组合方案条件。实验考虑挡高度h，导流孔倾角α和导流孔孔径大小kj三个因素，每个因素对应四个水平，共16组实验，实验结果见表2.2。
表2.2 各方案实验结果
响应时间s 1#水口峰值s 2#水口峰值s 3#水口峰值s 平均峰值s 平均停留时间 全混区体积% 死区体积% 活塞区体积%
1 12.03 119.91 83.50 40.69 81.37 584.31 80.85 12.13 7.02
2 8.51 147.21 105.00 86.81 113.01 576.77 77.59 13.27 9.14
3 16.52 125.41 79.60 144.73 116.58 576.72 75.54 14.45 10.01
4 13.05 109.17 85.77 49.26 81.40 573.38 70.79 22.11 7.10
5 15.73 188.09 99.50 81.64 123.08 577.04 76.33 13.23 10.44
6 33.61 185.12 136.01 107.73 142.95 607.11 85.95 7.71 13.28
7 12.55 149.83 116.22 53.45 106.50 558.30 66.94 24.11 8.95
8 20.60 137.21 90.90 91.60 106.57 568.89 75.99 14.45 9.56
9 4.32 159.51 31.21 28.10 72.94 563.53 78.93 15.26 5.81
10 15.05 96.71 50.26 39.05 62.01 538.91 67.38 26.83 5.79
11 10.51 159.61 118.21 114.41 130.74 582.13 76.92 12.46 10.62
12 20.61 89.94 51.83 74.73 72.17 551.81 76.00 17.02 6.98 13 1.91 171.96 67.94 25.56 88.49 288.15 32.40 60.80 6.80
14 27.71 99.21 73.50 79.00 83.90 562.91 76.14 15.47 8.39
15 15.99 172.46 163.17 133.82 156.48 621.34 80.46 6.57 12.97
16 18.01 218.52 129.71 95.61 147.95 593.55 76.82 10.74 12.44
对正交实验结果进行实验分析，采取对平均停留时间和死区两个指标进行考察。
由直观分析表可得，最佳水平组合为，孔径放置高度为150mm，导流孔的倾角为30°，导流孔孔径大小为25mm。由极差的大小可知，对平均停留时间ta影响最显著的因素为导流孔孔径的大小，其次为导流孔的倾角，再次为挡墙放置的高度。
2.2.3 中间包内流场显示分析
利用黑色墨水作为流体流动显示剂，通过照相机进行拍照，分析两种优化方案条件下中间包内流体的流动情况。实验在出口流量为478L/h和385mm高度液面条件下2s、10s、20s、30s、60s、100s、120s时刻的中间包内流体的流动状态。
从图可以看出，45?倾角时，钢液在中间包内由导流孔导出新鲜的向上流动的趋势过大，新进的钢液直接流向上层液面。在中间包内，钢液表面覆盖有双层保护渣，新进钢液过大的向钢液表面冲击容易造成卷渣现象，致使钢液夹杂物不能排除，同时易引起钢液的二次氧化。相对来看，方案1的流场效果优于方案2。30?导流孔倾角避免了卷渣现象的出现，同时又很好的起到了充分混合中间包内钢液的作用，使钢液的成分，温度较为均匀。
结论
通过以上水模型实验研究，结果表明：
（1）影响六流中间包流场的导流孔的主次因素顺序为：导流孔孔径>导流孔倾角>导流孔高度。在实际生产过程中，由于导流孔受到钢水的冲刷侵蚀比较严重，随着生产时间的延长，导流孔直径会逐渐增大。因此建议挡墙采用复合材料制作，即导流孔部分采用耐冲刷侵蚀的材料，而挡墙其他部分可用常规材料制成。
（2）对中间包挡墙进行优化，得出导流孔高度在150mm（实际高度300mm）、导流孔倾角30?、导流孔孔径为25mm（实际孔径50mm）时流场最优（不考虑液面波动对塞棒侵蚀的影响）。在此方案下，中间包内的钢液平均停留时间延长，死区较小，对中间包内钢液的均匀有利，形成有利于夹杂物上浮，各流趋于均匀的流动形态。
参考文献
[1] 王建军，包燕平，曲英。中间包冶金学[M]。北京：冶金工业出版社，2001.
[2] 陈伟庆，冶金工程实验技术[M]，北京：冶金工业出版社，2004.
[关键词]：连铸 中间包 水模型 结构优化
中图分类号：TF777.1 文献标识码：TF 文章编号：1009―914X（2013）25―0572―01
前言
冶金系统中，流体的流动、传热、传质和冶金反应同时发生，而且在高温下进行，对这些现象完全加以模拟是很困难的。物理模拟有两种类型。一种是精确的物理模型（或称完全模拟），它严格按照相似原理构造模型，实验结果也可以直接进行比例放大。第二种是半精确模型（或称部分模型），大多数冶金过程只能做到部分模拟，研究其中的关键物理现象，实验结果可借助数学模型应用于实际系统[1]。
用物理模型研究冶金过程的特点是用常温液体如水来模拟高温的冶金熔体，因为20℃水的物理性质与炼钢温度下钢液的物理性质十分相似。因此可以用水模拟钢液流动，而且操作方便，成本低，能循环利用等优点。
1、 实验原理
本实验使用物理模型模拟中间包内钢液的流动特性，其理论基础是相似原理。为了使模型能够真实的反应原系统的实际情况，必须保证两系统几何相似，物理相似。在几何相似的基础上，进行运动相似的模拟。当几何比例系数确定后，运动相似只要确定时间比例系数。因此，运动相似也称为时间相似[2]。
中间包中钢液的流动，是钢液从钢包水口流入中间包，然后从中间包水口流出。这种流动可以看作是钢包注流和钢液静压力引起的强制流动，影响其流动状态的作用力主要有惯性力、重力、粘性力和表面张力的作用，包含这些力的相似准数主要有Re数、Fr数、We数等。Dipak Mazumdar等人也利用三种不同形状和不同比例的模型进行了实验研究，认为中间包的流体流动主要由惯性力和重力起决定作用，粘性力在该系统中是不重要的。因而对中间包的模拟采用Fr相似准数更合适。
2 、实验装置
本实验采用1/2缩小比例的水模型进行研究。考虑到此实验条件下，模型与实型中的流体流动状态均已处于第二自模化区，因此，该系统的流动状态及流速分布与雷诺准数Re无关（关系不大），只要求保证与重力有关的弗鲁德准数Fr相等即可达到动力相似。以六流方坯连铸机为模拟研究对象，实验模型用有机玻璃制做，其实验主要设备有，大包、中间包、大包长水口、中间包内控流装置、出口示踪剂浓度电导探头、DDLY-2005型电导率仪和数据记录仪等组成。实验采用经过改进的中国水利科学研究院的DJ800xp水工测量仪，电导探头为上海精密科学仪器有限公司生产的雷磁DJS-1C型铂黑电极。
2.1、实验内容
进行实验，向钢包内注入水，打开阀门。水流通过长水口注入到中间包注流区，将中间包注满，使其液位和流量稳定。然后把500ml饱和KCl溶液通过漏斗加入到钢包长水口处，同时在中间包水口处开始采集数据。
2 2、六流中间包内钢液流动水模实验研究与结果
2.2.1 中间包RTD曲线分析
由于本实验的控制因素较多，逐一因素进行比对分析操作过程比较复杂，本实验采用正交实验方法，下面是实验各方案的RTD曲线。
2.2.2 正交实验研究
根据正交实验方案进行实验，将实验结果进行正交分析，分析不同因素（包括挡墙高度、导流孔角度、孔径）对实验参数的影响，得到排序结果和最好的实验组合方案条件。实验考虑挡高度h，导流孔倾角α和导流孔孔径大小kj三个因素，每个因素对应四个水平，共16组实验，实验结果见表2.2。
表2.2 各方案实验结果
响应时间s 1#水口峰值s 2#水口峰值s 3#水口峰值s 平均峰值s 平均停留时间 全混区体积% 死区体积% 活塞区体积%
1 12.03 119.91 83.50 40.69 81.37 584.31 80.85 12.13 7.02
2 8.51 147.21 105.00 86.81 113.01 576.77 77.59 13.27 9.14
3 16.52 125.41 79.60 144.73 116.58 576.72 75.54 14.45 10.01
4 13.05 109.17 85.77 49.26 81.40 573.38 70.79 22.11 7.10
5 15.73 188.09 99.50 81.64 123.08 577.04 76.33 13.23 10.44
6 33.61 185.12 136.01 107.73 142.95 607.11 85.95 7.71 13.28
7 12.55 149.83 116.22 53.45 106.50 558.30 66.94 24.11 8.95
8 20.60 137.21 90.90 91.60 106.57 568.89 75.99 14.45 9.56
9 4.32 159.51 31.21 28.10 72.94 563.53 78.93 15.26 5.81
10 15.05 96.71 50.26 39.05 62.01 538.91 67.38 26.83 5.79
11 10.51 159.61 118.21 114.41 130.74 582.13 76.92 12.46 10.62
12 20.61 89.94 51.83 74.73 72.17 551.81 76.00 17.02 6.98 13 1.91 171.96 67.94 25.56 88.49 288.15 32.40 60.80 6.80
14 27.71 99.21 73.50 79.00 83.90 562.91 76.14 15.47 8.39
15 15.99 172.46 163.17 133.82 156.48 621.34 80.46 6.57 12.97
16 18.01 218.52 129.71 95.61 147.95 593.55 76.82 10.74 12.44
对正交实验结果进行实验分析，采取对平均停留时间和死区两个指标进行考察。
由直观分析表可得，最佳水平组合为，孔径放置高度为150mm，导流孔的倾角为30°，导流孔孔径大小为25mm。由极差的大小可知，对平均停留时间ta影响最显著的因素为导流孔孔径的大小，其次为导流孔的倾角，再次为挡墙放置的高度。
2.2.3 中间包内流场显示分析
利用黑色墨水作为流体流动显示剂，通过照相机进行拍照，分析两种优化方案条件下中间包内流体的流动情况。实验在出口流量为478L/h和385mm高度液面条件下2s、10s、20s、30s、60s、100s、120s时刻的中间包内流体的流动状态。
从图可以看出，45?倾角时，钢液在中间包内由导流孔导出新鲜的向上流动的趋势过大，新进的钢液直接流向上层液面。在中间包内，钢液表面覆盖有双层保护渣，新进钢液过大的向钢液表面冲击容易造成卷渣现象，致使钢液夹杂物不能排除，同时易引起钢液的二次氧化。相对来看，方案1的流场效果优于方案2。30?导流孔倾角避免了卷渣现象的出现，同时又很好的起到了充分混合中间包内钢液的作用，使钢液的成分，温度较为均匀。
结论
通过以上水模型实验研究，结果表明：
（1）影响六流中间包流场的导流孔的主次因素顺序为：导流孔孔径>导流孔倾角>导流孔高度。在实际生产过程中，由于导流孔受到钢水的冲刷侵蚀比较严重，随着生产时间的延长，导流孔直径会逐渐增大。因此建议挡墙采用复合材料制作，即导流孔部分采用耐冲刷侵蚀的材料，而挡墙其他部分可用常规材料制成。
（2）对中间包挡墙进行优化，得出导流孔高度在150mm（实际高度300mm）、导流孔倾角30?、导流孔孔径为25mm（实际孔径50mm）时流场最优（不考虑液面波动对塞棒侵蚀的影响）。在此方案下，中间包内的钢液平均停留时间延长，死区较小，对中间包内钢液的均匀有利，形成有利于夹杂物上浮，各流趋于均匀的流动形态。
参考文献
[1] 王建军，包燕平，曲英。中间包冶金学[M]。北京：冶金工业出版社，2001.
[2] 陈伟庆，冶金工程实验技术[M]，北京：冶金工业出版社，2004.