中间包冶金冷态模拟实验

实验二中间包冶金冷态模拟实验
1 实验目的
（1）了解连铸的基本设备和连铸的基本操作工艺过程；
（2）了解钢水在中间包内的停留时间对钢质量的影响；
（3）掌握中间包冶金冷态实验的基本研究方法；
2 实验原理
在钢铁冶金冶炼工艺过程中，连铸是最后一个环节，也是一个最重要的环节。

在整个冶炼过程中，无论炼铁、炼钢操作工艺多先进，所练的钢水质量多高，如果连铸操作不当，铸坯的质量也难以保证，甚至还会造成废品。

因此，中间包冶金越来越受到冶金学者的重视。

连铸和转炉炼钢一样，也是高温、多组元、多相而又同时进行的反应，其过程相当复杂，这些复杂的冶金现象和生产技术问题，有时是很难用数学模型来表达，即使有时建立了数学模型，也很难求解。

冷态模拟实验，可方便快捷地解析冶金过程的流动基本现象，而且研究成本大大降低。

为了有效地去除中间包钢水中的非金属夹杂物，中间包内的钢水流动应具有以下的流动特征：
1)大的最小停留时间；
2)小的死区体积；
3)大的活塞流体积与死区体积之比和较大的活塞流体积与混合流体积之
比；
4)有指向表面的流动；
5)平静的液面；
6)合适的混合区体积。

c /-
q /-
图1 典型的中间包停留时间分布曲线
从模拟实验得到的中间包停留时间分布曲线（如图1所示），可以直接得出示踪剂到达该中间包水口的最小停留时间t min (又称响应时间)和示踪剂浓度达到最大时的峰值浓度时间t max 。

还可以得到示踪剂在中间包内的实际平均停留时间，计算式如下：
()()()()∑∑⎰⎰∆∆≈
=
∞
∞
n
i
i
i
n i
i
i
i
av t
t c t
t c t dt
t c dt t tc t 0
式中：t —时间，秒；c (t )—示踪剂浓度。

中间包流体流动的体积可划分为活塞流体积(plug volume)或分散活塞流体积(dispersed plug valume)、死区体积(dead valume)和完全混合流体积(well mixed volume)。

到目前为止，各体积占中间包液体体积的分率计算模型有三种。

Kemeny 等人最早应用混合流动模型(mixed flow model)分析实验得到的停留时间曲线，用下列计算式来计算活塞流体积分率、死区体积分率和混合流体积分率。

活塞流体积分率
V
V P =min q = max q （1）
死区体积分率
V
V d
=1-av q （2）
混合流体积分率
V V m =max
1c （3） 式中，min q -----无因次最小停留时间；
max q -----无因次峰值浓度时间； av q ------无因次实际平均停留时间；
max c -----无因次峰值浓度。

min q 、max q 和无因次实际平均停留时间av q 的计算式分别为
min q =τ
min
t
max q =
τ
max
t
av q =
τ
av
t
式中，τ为中间包流体理论平均停留时间，s 。

其计算式为
Q
V =
τ 式中，V -----中间包液体体积，m 3；
Q -----中间包液体流量，m 3/s 。

Ahjua 和Sahai 根据他们的实验研究，对上述的混合流动模型提出了质疑。

第一，在中间包流体流动中，示踪剂存在着轴向的扩散，最小停留时间和峰值时间不相等，即min q ≠max q ；第二，用方程(1)、(2)和(3)计算得到的三个体积分率之和不等于1，与这三个体积分率的定义有矛盾。

为了避免上述的混合流动模型存在的不足，Ahjua 和Sahai 提出一个修正混合流动模型来计算这三个体积分率
V
V P =
2
max
min q q + (4)
V
V d
=1-av q (5) V V m
=1-V V p -V
V d (6)
图2 死区完全滞止的中间包流动模型
（a ）
（b ）
图3 死区非滞止的中间包流动模型
修正混合流动模型得到了许多中间包研究者的采用。

1996年，Sahai 和Emi 对中间包死区体积分率的计算进行了深入研究，他们把死区分为两种类型，第一种类型的死区是在死区中液体是完全滞止的，进入中间包的流体不能流入这一类型的死区。

他们指出，(5)式只适合于中间包中死区是完全滞止的死区体积
分率的计算。

第二种类型的死区是死区中的液体流动非常缓慢，其内的液体一直与活塞流区和完全混合流区(统称活化区active volume)有流体交换，停留时间大于两倍理论平均停留时间的那部分流体为死区体积。

绝大多数中间包流动的死区属于第二种类型。

具有不同死区类型的中间包流动模型如图2和3所示。

图2表示进入中间包的流体只流过活化区而不通过死区，即死区完全滞止；图3（a ）表示进入中间包的流体一部分流过活化区，另一部分流过死区，图3（b ）表示进入中间包的流体流过活化区，并且活化区与死区之间有流体交换。

由中间包停留时间分布曲线，从活塞流区和完全混合流区流出的流体的平均无因次时间为
a
a a a a
av Q Q
V V Q V Q V t ⨯===//τq (7)
则活化区体积分率为
av a
a Q
Q V V q = (8) 那么，死区体积分率为
V V d =1-V
V
a =1-av a Q Q q (9)
对于完全滞止的死区，因为Q d =0，则Q Q a =，此时的死区体积分率变为
V V d =1-V
V a
=1-av q (10)
上式与(5)式相同。

考虑到中间包中的死区不是完全滞止的，死区内的液体与活化区的液体存在一定的质量交换，本软件采用方程(4)、(6)和(9)分别计算模拟实验中间包流体流动的活塞流体积分率、完全混合流体积分率和死区体积分率。

其中
∑∑==∆∆=2
0202)()(q q ττq i m
i i
i m
i av
t c t c t t c t c ∑∑==∆∆=n i m
i i m i a t c t c t c t c Q Q 02
0)()(q q ττ
式中，c m为示踪剂平均浓度。

3 实验装置
实验装置主要由大包、中间包、各种挡墙（堰坝）、电导仪、检测仪表和计算机所组成。

设备流程见图1。

图1、实验装置示意图
(1)-水阀；(2)-上水管；(3)-大包；(4)-示踪剂加入漏斗；(5)-长水口调节阀；
(6)-长水口；(7)-湍流控制器；(8)-挡墙；(9)-堰坝；(10)-浸入型水口；
(11)-电导探头；(12)-电导仪；(13)-计算机或记录仪。

4 操作步骤
4.1不加任何控制器的敞开浇注的停留时间的测定
①按图1所示将实验设备连接好，并将检测仪表的零点调好。

②准备好5000ml左右的饱和NaCl溶液。

③打开上水阀向大包注水，注水量以满足实验要求为宜。

④当中间包钢水达到实验要求的高度时，调解阀门5，使中间包内的钢水达到平
衡状态。

⑤将准备好的400ml饱和NaCl溶液注入到示踪剂加入漏斗内。

⑥打开示踪剂漏斗阀，同时记录已开始记录，记下加示踪剂到指针起动时间-滞
止时间τ
m ；当记录的曲线的指针回到原位，此次实验结束。

5 数据整理与分析
5.1活塞流体积分率V
V P 的计算
V
V P =
2
max
min q q +
5.2模型平均停留时间m t 的计算
根据刺激-响应原理，在水模型的中间包的入口处，将定量的示踪剂（NaCl 溶液）以脉冲的方式注入钢包钢流，用探头（如电导仪）测定出口处的浓度变化（图2），则实际平均停留时间的定义：
00
()()m
tC t dt t C t dt
∞
∞=⎰⎰
（8） m t 物理意义是示踪剂浓度曲线所包含质量中心的时间坐标。

式中C （t ）为随机变量，为便于计算，把所测定的浓度连续曲线转化为离散性曲线，按下式计算：
()()
11
n
i i m n
i i t iC t t C t ==∆=
∑∑ （9）
式中：C i （t ）-在某一时刻t 测定的示踪剂浓度（也可以用电压信号表示）；
Δt -时间间隔，s 。

加示踪剂
t τp t
图2 刺激-响应法示意图
6 思考题
（1）钢水在中间包内的停留时间受哪些因素影响？
（2）在实践中，钢水在中间包的理论平均停留时间和实际停留时间差别很大。

有的理论平均停留时间比实际停留时间长，有的理论平均停留时间比实际停留时间短。

为什么？
（3）钢水在中间包内的停留时间的长短对铸坯质量有无影响？为什么？
（4）要改善铸坯质量，除了改善冶炼工艺外，在中间包内要采取哪些措施？。