描述底吹氩钢包内钢液混合效果的特征数方程

描述底吹氩钢包内钢液混合效果的特征数方程 http://qks.cqu.edu.cn 第 !" 卷第 # 期重庆大学学报 $%&'!"(%'# )*#) 年 # 月 +%,-./&%012%. 34 5. 3 6.578-95: ; +/.')*#) !! 文章编号! #*** " )*#) # *#8!,& ' ) " #'BI2%%&%0F.75-%.G8.: $ C95. 3 2,/6....

http://qks.cqu.edu.cn 第 !" 卷第 # 期重庆大学学报 $%&'!"(%'# )*#) 年 # 月 +%,-./&%012%. 34 5. 3 6.578-95: ; +/.')*#) !! 文章编号! #***<"=)> " )*#) # *#<*A?<*" 描述底吹氩钢包内钢液混合效果的特征数方程韩建军#$李士琦)$吴 ! 龙) " #' 清华大学环境学院$北京 #***=@ % )' 北京科技大学冶金与生态工程学院$北京 #***=! # 收稿日期! )*##<*=<*@ 基金项目!国家科技支撑计划资助项目" )**AELK*=E*#<*! # 作者简介!韩建军" #D=)< #$男$汉$北京科技大学博士$清华大学博士后$主要从事钢铁冶金及节能减排的研究$ " F 方法 $得到描述底吹氩钢包内钢液混合效果的特征数方程模型'以某钢厂 OK 炉钢包为原型$应用广义相似原理进行水力学模拟实验研究'实验结果经逐步回归分析得出适用于描述与研究中几何相似的钢包炉内钢液受搅拌后混合效果的特征数方程'研究结果表明$本研究考虑的 @ 个决定性特征数对被决定性特征数 A * 均有显著性影响$其中最为显著的是气液密度比 ' . %进行钢包底吹氩搅拌钢液的水力学模拟研究时$若采用某种常规气体代替原型中的氩气$模型与原型间被决定性特征数的值会产生较大的差异' 关键词!炼钢%精炼%钢包%搅拌%混合 !! 中图分类号! CKA?D') 文献标志码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http://qks.cqu.edu.cn !! 钢包精炼过程中$包内钢液的流动状况对钢液成分及温度的均匀性&钢液内夹杂物的上浮以及钢渣截面反应的动力学条件具有非常重要的影响(#<@)' 钢包底吹氩气搅拌钢液是一个高温&多变量&内部过程无法描述的复杂系统(" 题上$多采取回避的方法'在实验过程中$只做到了模型与原型的几何相似和修正弗劳德数相等$忽略了其他影响因素' 本研究采用量纲分析法$推导出描述钢包底吹氩气搅拌钢液现象的特征数方程模型'以某钢厂 #=*:OK 钢包为原型$应用广义相似原理$采用水力学模拟实验方法$同时考虑多个决定性特征数$对钢包内钢液混合效果进行研究' 9 ! 钢包底吹氩过程的系统分析钢包底吹氩气搅拌钢液是目前钢铁冶金行业广泛应用且较为成熟的技术'氩气由包底透气砖进入熔池$形成气泡群%气泡群上浮过程带动钢液的流动$对包内钢液形成搅拌'底吹氩气对钢液的搅拌效果$受钢包的几何参数&包内气液两相的物理特性以及钢包精炼过程的工艺参数等因素的影响'其中$几何参数包括钢包底面内径 = &包壁与底面夹角 - &透气砖位置 ] 以及透气砖有效透气面积的当量直径 > . 等%气液两相的物理特性包括气体密度 ( 3 &液体密度 ( & &重力加速度 P 等%工艺参数包括吹气流量 T &液面高度 A 等' : ! 量纲分析及特征数方程描述熔池混匀效果的优劣常采用混匀时间 * 进行评价'根据经典相似理论白金汉 ' 定理(#@)可知$ 混匀时间 * 与上述各影响因素间关系的方程式可表示为! , " * # " 7 " = $ - $ ^ $ > . $ ( 3 $ ( & $ P $ O $ A #$" # # 式中! ^ 为透气砖位置 ] 量化的量纲为 # 的,权- 值% - 为包壁与底面夹角$是一个量纲为 # 的量%其他各物理量的基本量纲包括!长度 W ( O )$时间 4 ( C )和质量 . ( Q )'上式各物理量的量纲如表 # 所示' 表 9 ! 各物理量的量纲 * = - ^ > . ( 3 ( & P O A 单位 9 G # # G [ 3 * G ! [ 3 * G ! G * 9 ) G * 9 G 量纲 C O # # O QO !^ QO !^ OC )^ OC #^ O 式" # #中涉及的物理量有 #* 个$其中有 ! 个物理量的量纲是独立的'各物理量之间可导出 A 个量纲为 # 的特征数$分别为!谐时性特征数 A * ] O * = $修正弗劳德数 8H%] O ) ( 3 P = ( & $气液密度比 ' . ] ( & ( 3 $径深比 ' M ] A = $吹位 ^ $ ' J . ] = > . $ - '其中$ O 为特征速度$ 本研究取底吹气体进入钢包内的初始速度'则式 " # #可表示为! , " A * # " 7 ( 8H% $ ' . $ ' M $ ' > . $ ^ $ - )' " ) # !! 对于某个钢包而言$>. = 和 - 通常无变化$可不作考虑'依据量纲和谐的原理(#"$#?)$式" ) #可以表示为! A * " F " 8H% # 1 " ' . # ( " ' M # ) " ^ # > ' " ! # 其中$ F & 1 & ( & ) & > 为待定系数'式" ! #即为钢液流动的特征数方程' A * 为被决定性特征数$对应的物理量为混匀时间 * % 8H% & ' . & ' A 和 ^ 为决定性特征数$ 对应的物理量为吹气流量 T &气体密度 ( 3 &熔池深度 A 和透气砖位置 ] ' 式" ! #两边同时取对数可将特征数模型线性化$即! & 3 A * " M $ 1& 3 8H% $ (& 3' . _ )& 3' M $ >& 3 ^ $ " @ # 其中$ M]& 3 F ' ; ! 模拟实验 ;<9 ! 原型工况条件本研究中 OK 炉钢包公称容量为 #=*: $钢包上口内径为 !*=)GG $钢包下口内径为 )"D*GG $内部总高度为 @!@*GG $液位深度为 !?@*GG $透气砖有效透气面积为 D"GG ) '钢包内部尺寸结构示意图如图 # 所示'透气砖的拟安装位置如图 ) 所示$其中$位置 + 为现用工况$图中的其他透气砖位置为本研究中拟评的吹气位置'各安装位置的具体内容分别为! ) & - 为 *'"S % * & / 为 *'?S % + & 0 为 *'AS % , & 1 为 *'A"S ' 现场底吹搅拌钢液用的气体为氩气$吹气流量为 #= # )AG ! * 2 ' AA 第 # 期 !!!!!!!!! 韩建军$等!描述底吹氩钢包内钢液混合效果的特征数方程 http://qks.cqu.edu.cn 图 9 ! 钢包内部尺寸结构示意图图 : ! 大包透气砖的拟安装位置 ;<: ! 实验方法及原理钢包底吹氩气搅拌钢液是一个高温且复杂的过程$进行高温工业实验研究困难大且成本高'本研究采用水力学模拟实验$对此现象进行研究' 模拟研究的基础是相似原理$传统相似原理在要求几何相似和定解条件相似外$还需服从独立的相似特征数个数及形式相同且数值相等'应用传统相似原理对钢包底吹氩气搅拌钢液的现象进行研究$难以实现原型和模型间多个相似特征数的均对应相等的条件'李士琦&季淑娟(#?$#A)研究现象的广义相似时提出$特征数取值存在着一定宽度的区间$ 在线性关系显著的区间内可用,覆盖-取代,特征数对应相等-' 本实验以广义相似原理为理论基础$采用水力学模拟方法进行模拟研究'研究中以 A * 为被决定性特征数$ 8H% & ' . & ' M 和 ^ 为决定性特征数'各个决定性特征数在取值范围上做到对原型的决定性特征数的覆盖' 水力学模拟实验过程中$采用,刺激 < 响应-实验方法测得模型的混匀时间!即待熔池流场稳定后向熔池内加入一定量的示踪剂" )**GO 饱和 N1& 溶液#%示踪剂加入的同时$在熔池中几何最远处的两点测量水溶液的电导率随时间的变化规律'数据采集仪器为多功能监测系统 X+=** %混匀时间根据监测点的电导率波动不超过稳定值的 "c 来确定'实验装置示意图如图 ! 所示' 图 ; ! 实验装置示意图 ;<; ! 实验设计及方案本研究模型与原型的几何相似比例定为 #i !'" '各决定特征数的取值如表 ) 所示'其中$特征数 0 . 的 @ 个取值对应的气体分别氢气&氮气&氧气和氩气' 表 : ! 各决定性特征数的取值水平决定性特征数 ^ 8H% " b#* ^@ # ' ( ' M # ) #A! ##)** #'#"= ) * !*= =** #')A@ ! + ?D! A** #'@*@ @ , #""D "?* #'"*" " ) _ - ? + _ 0 A * _ / = , _ 1 原型 + #A! # #""! !DD!#'#"= # #'"*" 按照正交表安排实验$根据选定的因子数及其对应的水平数$选用由标准正交表 O !) " ) !# #通过变列 =A 重庆大学学报 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第 !" 卷 http://qks.cqu.edu.cn 处理得到的 O !) " =b@ ! b) #" #表$正交表及表头设计从略'每组方案各进行 ! 次实验$共进行实验 D? 次' = ! 模拟实验结果分析 =<9 ! 吹气位置的量化由于影响因子吹气位置为非数值量$回归分析时应将其转化为数值量'本研究采用作图法将吹气位置进行量化"具体变换方法可见文献( " )#'各吹气位置对应的,权-值见表 ! ' =<: ! 特征数方程由各组实验的混匀时间平均值可得对应方案的谐时性特征数'采用 U-5 3 5. 软件进行逐步回归分析$分析结果见表 @ '可以看出$各决定性特征数的对数指标对被决定性特征数的对数指标的显著性均显著$其显著性信度水准均较高" 3 % *'*" #'各特征数的对数指标存在着如下关系! & 3 A * " *+"* $ *+")& 3' ( $ *+!*& 3 " 8H% B #* @ # $ *+#=& 3 ^ $ #+*A& 3' M 即 & 3 A * " #+A* $ *+")& 3' . $ *+!*& 3 8H% $ *+#=& 3 ^ $ #+*A& 3' M ' " " # 表 ; ! 各吹位方案所对应的吹位权值吹位方案 # ) ! @ " ? A = & 3 A * !'*=" !'##) !'#@? !'#?# !'#@A !'#?A !'#"* !')*D & 3 ^ *'#** *')"! *'@@! *'"!* *'@"# *'"?? *'@?A *'=** ^ #')?* #'AD* )'AA@ !'!=A )'=)! !'?=@ )'D!# ?'!#" 表 = ! 逐步回归分析结果回归系数 3 值 # M #'"* A'Db#* ^## & 30 . *'") ?'Ab#* ^#) ) M *'A# #'"b#* ^*@ & 30 ( *'") !'?b#* ^#? & 3 " 8Hnb#* @ # *'!* A'=b#* ^*A ! M *'"= ?'#b#* ^*@ & 30 ( *'") )'Ab#* ^#A & 3 " K-nb#* @ # *'!* D'@b#* ^*= & 30A #'*A @'"b#* ^*! @ M *'"* #'"b#* ^*! & 30 ( *'") ?'Db#* ^#= & 3 " 8Hnb#* @ # *'!* )'!b#* ^*= & 30A #'*A )')b#* ^*! & 3 ^ *'#= #'=b#* ^*) 将式" " #还原成乘积形式即可得本研究中 OK 炉钢包内钢液受搅拌后混合效果的特征数方程! A * " "*+#) ' *+") ( 8H% *+!* ^ *+#= ' #+*A M ' " ? # 式" ? #适用于描述一类关于钢包底吹氩气搅拌钢液的现象$钢包内腔壁面与包底夹角 - 为 D!G ' 在钢包盛钢量为 #=*: "熔池深度 A 约为 !'?"G #$吹位方案为原工况吹位方案"实验中的方案 ! $对应权值 ^])+AA@ #$底吹气体为氩气" ' ( ] !DD! #条件下$原型钢包内钢液的混匀时间 * 与底吹气体流量 T 之间关系可表示为! *" !#+ADT # *+@ ' =<; ! 讨论采用水力学模拟实验方法对钢包底吹氩气搅拌钢液的现象进行研究$最难实现的是原型和模型间的气液密度比相等'应用传统的相似原理$则必须保证原型与模型间各个特征数一一对应相等'由此使得诸多学者在应用传统相似原理研究钢包底吹氩气搅拌钢液的现象过程中$回避了气液密度比这个重要的特征数' 由上述对实验结果的分析可知$气液密度比 ' ( 对谐时性特征数 A * 的影响最为显著$模拟研究过程中回避气液密度比 ' ( $势必导致原型和模型间物理特性的不相似' 取 8H%]*+#""! $ ' M ]#+"*" $ ^])+AA@ $可作出谐时性特征数 A * 与气液密度比 ' ( 间取对数值的关系图$见图 @ '图中编号为 d # d$ 的 @ 个点对应的是本研究实验中 @ 个气液密度比$编号为 $ 的点对应的是原型的现行工况"即气液两相分别为氩气和钢液#'由图可知$实验研究过程采用某种常规气体进行模拟$模型与原型间被决定性特征数的值存在差异' DA 第 # 期 !!!!!!!!! 韩建军$等!描述底吹氩钢包内钢液混合效果的特征数方程 http://qks.cqu.edu.cn 图 = ! ( % ) Q 与 ( % $ ! 的关系图 @ ! 结 ! 论 # #本研究对钢包底吹氩气搅拌钢液过程进行了系统分析$确定出对搅拌效果有影响的诸多因素' ) #经量纲分析$得出钢包内钢液流动的特征数方程模型' ! #以某钢厂 #=*:OK 炉钢包为原型$广义相似原理为理论基础$采用水力学模拟方法进行实验研究$得出适用于钢包内腔壁面与包底夹角 - 为 D!G 的一类关于钢包内钢液受底吹气体搅拌后混合效果的特征数方程为! A * " "*+#) ' *+") ( 8H% *+!* ^ *+#= ' #+*A M ' !! @ #研究结果表明$本研究考虑的 @ 个决定性特征数对被决定性特征数 A * 均有显著性影响$气液密度比 ' ( 的影响是最为显著' " #进行钢包底吹氩搅拌钢液现象的水力学模拟研究时$若采用某种常规气体$模型与原型间被决定性特征数的值将存在较大的差异' 参考文献! ( # ) (LNL(dBMdN $ K6+ddC $ BfFNFOa+'e,/&5: ; /.J ; 58&J5G Y -%78G8.:,95. 3 G8:2%J%0P&%Z5. 3 L- 3 %. 9:5--5. 3 ( + ) 'd-%.G/[5. 3 /.JB:88&G/[5. 3 $ #DD" " ) #! #D!<#D?' ( ) )温德松$李京社$谢翠红$等 '#"*: 钢包精炼过程的物理模拟( + ) ' 北京科技大学学报$ )**A $ )D " B# #! #*#<#*!' VF(XFdF16dd(T VFd $ (dMU(T

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