炼钢中间包内钢液流动的水模拟试验

连铸中间包内钢液流动的水力学模拟
刘新田;姜伟明;张家裕;商宝禄;周尧和
【期刊名称】《钢铁研究》
【年(卷),期】1989()1
【摘要】用水力学模型研究了连铸中间包内流体的流动行为。

借助于示踪剂在中间包内的停留时间分布曲线,利用修正的混合模型分析了中间包内流动三区的体积变化。

采用录相技术和延时曝光摄影技术研究了中间包内的流动。

结果表明,中间包内隔墙和坝的相对位置以及隔墙的高度均不同程度地影响着中间包内流体的流动行为。

并分析了不同的流动条件对非金属夹杂物上浮可能性的影响。

【总页数】6页(P28-33)
【关键词】铸造;钢液;水力学模拟
【作者】刘新田;姜伟明;张家裕;商宝禄;周尧和
【作者单位】西北工业大学;武钢钢研所
【正文语种】中文
【中图分类】TF777
【相关文献】
1.70t连铸中间包内钢液流动的物理模拟 [J], 徐其言;刘辉;周俐
2.基于示踪剂法板坯连铸40 t中间包内钢液流动行为的物理模拟 [J], 倪国龙;艾立群;赵定国;冯聚和;王书桓
3.连铸异钢种连浇中间包内钢液流动的数值模拟 [J], 孟娜;余嘉;刘岚;康瑞泉
4.30t单流板坯连铸中间包内钢液流动的物理模拟 [J], 顾颜;冯美兰;李士琦;王玉刚;陈代明;赵传
5.离心式连铸中间包内钢液流动特性的模拟 [J], 王赟;钟云波;任忠鸣;王保军;雷作胜;张小伟
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包钢精炼炉(LF)钢液流动影响的数值物理模拟研究的开题
报告
一、选题背景
包钢精炼炉（LF）是一种重要的钢铁冶炼设备，其作用是在转炉出钢前对钢水进行再加工，以去除钢水中的气体夹杂物和过剩的杂质，提高钢水的质量。

钢液在LF中的流动状态对于炉操作效果及炉内反应速度、温度分布等具有重要的影响。

因此，对
钢液的流动规律进行数值模拟研究，具有重要的现实意义。

二、研究目的
本研究的目的是利用数值方法，对包钢LF内钢液的流动进行模拟研究，并通过
研究钢液在LF中的流动规律，探究LF炉操作中可能存在的问题，优化炉内操作流程，提高钢水质量。

三、研究内容
1.钢液流动方程及模型的建立
对LF炉内钢液流动的基本方程进行推导和建模，选择合适的模型。

2.数值模拟方法的选取
根据不同的情况选取不同的数值模拟方法，比如：有限元方法、有限体积方法、有限差分方法等。

3.试验数据的分析
通过分析试验的数据，了解当前的LF操作流程及可能存在的问题，为数值模拟
研究提供数据支持。

四、预期成果
通过数值模拟方法，研究包钢LF内钢液的流动规律，得到LF内钢液流动的流线图、压力分布图等结果，并分析结果，从而得出相关结论，为优化LF炉操作流程提供参考。

同时还可以提出进一步的研究方向和建议。

五、研究意义
本研究对于了解钢液在LF炉内的流动规律，提高LF操作流程的效率和钢水质量具有积极的促进作用，具有重要的实用价值。

此外，本研究利用数值方法进行模拟研究，也为类似问题的研究提供了方法和思路。

液相炼钢过程中钢液流动特性的模拟与优化摘要:本研究旨在模拟和优化液相炼钢过程中钢液的流动特性。

通过使用计算流体力学（CFD）方法，我们建立了一个钢液流动模型，并对其进行了数值模拟。

通过优化流动参数，如流速、温度和液相混合情况，我们改进了炼钢过程中钢液的流动性能。

模拟结果表明，优化后的流动条件可以提高钢液的混合效率和温度均匀性，从而提高产品质量和生产效率。

本研究为液相炼钢过程中的钢液流动特性提供了一种可行的模拟和优化方法。

关键词:液相炼钢，钢液流动，模拟，优化，计算流体力学引言:液相炼钢是现代钢铁工业中至关重要的过程之一。

钢液的流动特性对于产品质量和生产效率具有重要影响。

然而，传统的经验方法往往无法准确描述钢液的流动行为，因此需要借助模拟和优化方法来改进炼钢过程。

本文旨在利用计算流体力学（CFD）模拟技术，对液相炼钢过程中钢液的流动特性进行研究和优化。

通过合理的流动参数优化，我们可以提高钢液的混合效率和温度均匀性，从而提高产品质量和生产效率。

本研究将为液相炼钢过程中的钢液流动特性提供新的理论和实践指导，促进钢铁行业的发展。

一液相炼钢过程中钢液流动特性的数值模拟建模在液相炼钢过程中，钢液的流动特性对于产品质量和生产效率具有重要影响。

传统的经验方法难以准确描述钢液的流动行为，因此采用数值模拟建模成为一种有效的方法。

在本研究中，我们使用计算流体力学（CFD）方法建立了液相炼钢过程中钢液流动的数值模型。

（一）我们考虑了流动过程中的连续性方程和动量方程，以描述钢液的流动行为。

通过在模型中考虑液相的不可压缩性和牛顿流体的黏性特性，我们可以准确地捕捉钢液的流动现象。

（二）我们在模型中引入了热传导方程，以考虑液相炼钢过程中的温度变化。

通过在模型中考虑加热和冷却源以及边界条件，我们能够模拟钢液在炉内的温度分布和变化趋势。

在数值模拟建模过程中，我们需要对流动参数进行合理的设定。

流速、温度、液相混合等参数对钢液流动特性起着重要的影响。

第3卷增刊 上海大学学报(自然科学版) Vol.3,Suppl. 1997年11月 JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSIT Y(NATURAL S CIENCE) Nov.1997RH过程中钢液流动特性的水模拟研究X郁能文　魏季和　樊养颐　杨森龙　马金昌(材料科学与工程学院)提　要　针对90t多功能RH精炼装置内钢液的流动特性进行了水模拟研究.采用更为精确可靠的方法对环流量进行了测定,给出了该精炼装置的环流量计算公式:Q l=(t/min).用示踪法对RH钢包内的流动状况进行了显示,验证了T sujino0.0271Q0.26g D0.72du D0.84的数学模拟结果,否定了RH上升管与下降管间“短路”现象的存在.关键词　RH过程;水模拟;流动特性;环流量;流场中图法分类号　T F769.40　前 言自1959年第一台RH精炼装置问世以来,RH[1]已由原先的单纯脱气功能,扩展为能够脱除碳、硫、磷、氧和夹杂以及升温、调整成分等的多功能精炼设备,在处理超低碳、超低硫、超低磷钢等超纯净钢方面正日益发挥着重要作用.通过RH的各种冶金操作,可满足用户对钢材多样化及高质量的严格要求.因此RH精炼技术得到了广泛应用,在众多的炉外精炼方法中占据了主导地位.国内外对RH精炼过程的研究,大多集中于功能较单一的RH过程,而针对多功能RH装置的研究尚不多见.从宏观上说,RH精炼反应的关键性限制环节在于钢液的循环流动.本工作利用水力学模拟研究了90t多功能RH装置内钢液的流动特性,并考察了有关因素的影响情况,以期对该过程有进一步的理解,并为确定合理的工艺操作参数提供必要的信息和依据.1　模型设计与模型系统1.1　模型的相似性建立的模型与原型几何相似,并保持两者液流的F r数相等,以达到两者液流的相似.根据现有条件,设计和建立了线尺寸为原型1/5的RH-KTB/PB(真空顶吹氧脱气/循环脱气-喷粉)装置及钢包模型.这样,模型与原型内液体的体积流量及速度的关系为X收稿日期:1997-08-10　国家自然科学基金资助项目　郁能文,男,1968年生,硕士,助研;上海大学材料科学与工程学院,上海市钢铁冶金重点实验室,上海市延长路　149号(200072)Q m =(1/5)2.5Q p ,(1)U m =(1/5)0.5U p .(2)(1)、(2)式中Q 为液体的体积流量,U 为下降管内液体速度,下标m 、p 代表模型和原型.当钢液环流量为30t /m in 及下降管内径为30cm 时,模型和原型下降管液流主要参数如表1.表1　模型与原型的主要参数参　数原　型模　型体积流量(L /min)428676.7下降管内径(cm )306下降管液流平均速度(m /s )1.010.456F r0.350.35R e 3.4×105 2.7×1041.2　模型装置模型的装置及主要尺寸示于图1.上升管及下降管内径各有5cm 、6cm 、7cm 三种.上升管进气孔分两排,每排均布有四个孔,孔径为0.08cm.管脚浸入钢包液深10cm.模型总水量107L ,相当于处理100t 钢液.按相似准则,模型真空室内真空度应为9.84×104Pa ,为保证在环流量下,气泡不致被直接带进下降管而造成真空室内的短路,全部实验均保持真空度为9.79×104Pa.¹吹气口(接供气系统) º真空抽气口(接真空系统)»喷枪(接顶喷系统) ¼真空测量口(接真空测量仪表)1.钢包2.真空室3.喷枪(510×3黄铜)图1　RH -K T B /P B 模型装置示意图・184・ 上海大学学报(自然科学版) 第3卷2　测试方法2.1　环流量的测定环流量的准确测定始终是RH 过程研究中最基础的工作.本文采用图2所示的系统直接测定环流量.实验时,先将模型钢包内下降管下方放置一有机玻璃筒,在真空度及吹气量稳定的状况下,调节阀门以调整水流量,当该筒内的液面与模型钢包内的水液面相平时,转子流量计显示的流量即为该工况下的环流量.这种测定方法比以往包括溢流法在内的其它1.真空室2.钢包3.水泵4.流量计5.调节阀6.有机玻璃筒图2　环流量测定示意图方法,测定结果更为准确.2.2　钢包流态的显示钢包内流态的显示是通过示踪拍摄实现的.摄影的光源为红外片光源,利用SLV-20扫频可调激光测量仪得到钢包两个纵断面的流态及液体的分速度.示踪剂采用聚乙烯塑粒(粒径1m m ,密度0.97g /cm 3).为消除圆形钢包内的流态因折光而引起的观察变形,拍摄时在模型钢包外套以矩形透明水箱,其内液面高度与钢包内液面相齐.3　实验结果与讨论3.1　环流量公式图3为实验测得的不同管径下吹气量与环流量的关系.将所得数据进行三元回归得:Q m =K Q 0.26g D 0.72u D 0.84d ,(3)上式中Q m 为环流量L/min,Q g 为吹气量Nl/m in,D u 为上升管内径cm ,D d 为下降管内径cm ,K 为常数.K 值的确定可由现场同位素实测或数学模拟法等估计确定.针对原型的实际工艺条件,以数学模拟法(本项目另一部分工作)得到K =0.0271.由此,对该实际90t RH 装置的环流量可由下式计算:Q l =0.0271Q 0.26g D 0.72u D 0.84d (t/min).(4)这样,在该RH 装置D u =D d =30cm ,吹气量为600、800、1000NL/m in 时,环流量应分别为29、31、33t/m in.图3表明:本工作所得环流量规律与以往研究结果[2]基本吻合,环流量随着吹气量及管径的增大而增加.当吹气量增大到一定值时,环流量会相应达到“饱和”值.环流量“饱和”值的产生主要是由于吹气量的不断增加,使得上升管内的气泡体积比例过大,液体环流量的变化率越来越小所致.此外,管径的增大可使该“饱和”值明显提高.然而由于实际RH 装置尺寸的限制,环流量“饱和”值的升高是有限的.对本实际RH 装置,由式(1)及(4)可算出,在管径为30cm 时,相应的钢液“饱和”环流量约为31.2t/min,此时吹气量为816.7NL/m in.3.2　RH 钢包内液体的流态图4是相当于原型RH 管径30cm 、环流量为30t/m in 时的钢包两个纵断面的流态显示图.・185・增刊 郁能文等:RH 过程中钢液流动特性的水模拟研究D u 和D d 分别为: 1.55-5 2.55-6 3.55-7 4.56-55.56-66.56-77.57-58.57-69.57-7图3　不同管径下吹气量与环流量的关系图图4　钢包流态显示图图4显示:从RH 下降管进入钢包的流股向下,直冲钢包底部,沿包底流向四壁,再沿包壁上升,在钢包约2/3处形成大量回流,随后该流的主体向上升管入口端流动,从而完成RH 过程钢液的循环流动.下降流股除形成大的主流回流外,还在钢包其它部位形成一些小涡流,大回流与小涡流决定着RH 钢包内的混合与传质过程.由图4清楚地看到,下降管液流与其周围液体间存在一明显界面层,为典型的液液两相流.在下降液流和周围液体间必定存在动量、能量和物质的交换,且其传递规律受液液两相流的规律所制约,肯定小于整体上的紊流状态.这将对整个钢包内的混匀过程产生影响.以・186・ 上海大学学报(自然科学版) 第3卷往一般认为RH 钢包内处于完全混合状态,从本工作结果看,似乎并不合适.图5　T sujino 等人以三维流动模型计算的310t RH 钢包流场比较本工作获得的钢包流态与Tsujino 等[3]以三维流场数学模型计算结果(图5),可以看到二者相当吻合,以实验结果验证了T sujino 等人的数学模型的合理性和可信性,他们的结果也给本工作结果以较好的理论解释.本工作结果再此否定RH 过程研究中关于下降管与上升管间存在“短路”现象的结论.另外就流场的数学模型而言,必须采取三维数学模型,才可较好地模拟RH 钢包内的流动现象,二维数学模型是不可取的.4　结 论通过比尺为1/5的模型对90t RH 装置的水模拟研究,可以得出以下结论:(1)对于该RH 装置,相应的环流量公式为Q l =0.0271Q 0.26g D 0.72u D 0.84d (t /m in ).(2)钢液环流量随着吹气量的增加而增大,但吹气量增至一定值时,环流量将达到“饱和”值不再提高.对实际RH 装置,在管径为30cm 时,其极限环流量约为31.2t/m in,此时吹气量为816.7NL/m in.(3)下降管流入钢包内的流股对钢包内的混合及传质起作决定作用.流态显示表明:确实不存在下降管液流直接进入上升管的“短路”现象.参　考　文　献1　王殿渌,洪宝仪.钢液真空处理.北京∶冶金工业出版社,19792　小野清雄等.电气制钢,1981,52∶1393　T sujino R ,et al.I SIJ I nt ernational,1989,29∶589・187・增刊 郁能文等:RH 过程中钢液流动特性的水模拟研究Water Modelling Study on Flow Characteristicsof Molten Steel in RH ProcessYu Nengw en Wei Jihe Fan Yangyi Yang Senlo ng M a Jinchang(Scho ol of M aterial Science and Eng neer ing ,Shanghai U niver sity )Abstract :By using the w ater modelling m ethod ,the flow characteristics in RH pr ocess have been studied fo r a multifunction unit of 90t capacity.The circula-tio n rate has been measured by a m ore precise and m ore r eliable method and the circulation r ate o f molten steel in this unit can be estimated w ith the fo llow ing e-quation :Q l =0.0271Q 0.26g D 0.72u D 0.84d (t /m in ).The flow field in RH ladle has been visualized by tracer m ethod and the results ag ree w ell w ith 3-D m athematic model of T sujino.No by-pass flo w exists betw een dow n-leg and up-leg.Key words :RH process;w ater m odelling;flow characteristics;circulation rate;flow field ・188・ 上海大学学报(自然科学版) 第3卷。

ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYMar.202117中间包R77)曲线的数值模拟与水模型研究韩丽辉于春梅(北京科技大学冶金与生态工程学院)摘要中间包是炼钢连铸生产流程中的中间环节，不仅有储存和分流钢水的作用，还有十分重要的冶金效果。

中间包R”曲线是优化中间包内部控流装置的重要指标。

数值模拟和水模型是冶金工程两种重要的研究方法。

文中详细介绍了如何使用Fluent软件进行R7B曲线的数值模拟，以及如何通过水模型实验得到中间包曲线，并通过实例说明了两种方法得到的中间包RTD曲线以及其他中间包评价指标基本一致，二种方法彼此验证、互为补充。

关键词中间包R"曲线数值模拟水模型文献标识码：A文章编号：1001-1617(2021)02-0017-06Numerical simulation and water model study on RTD curve of tundishHan Lihui Yu Chunmei(University of Science and Technology Beijing)Abstract Tundish is the middle link in the production process of steelmaking and continuous casting.It not only stores and diverts molten steel,but also has a very important metallurgical effect.The RTDcurve of tundish is an important index to optimize the flow control device inside the tundish.Numericalsimulation and water model experiment are two important research methods in metallurgical engineer­ing.The paper introduces in detail how to use fluent software to carry out numerical simulation of RTDcurve and how to get tundish RTD curve through water model experiment,and illustrates that the RTDcurve of tundish obtained by the two methods and other tundish evaluation indexes are consistentthrough examples,two methods verify each other and complement each other.Keywords tundish RTD curve numerical simulation water model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，不仅有储存及分配钢水的作用，而且在提高铸坯质量方面的作用也越来越明显[1"2]o RTD(Residence Time Distribution)曲线即为流体分子在中间包内的停留时间分布曲线，通过RTD曲线可以计算钢液在中间包内部的平均停留时间、分析钢液的流动特性、计算中间包内部死区比例等，最终实现中间包内部结构的优化设计及改造⑶。