27中間包停留時間分布模型的討論9-1

1、1中間包冶金潔凈化技術(shù)（中間包冶金潔凈化技術(shù)（part1）—中間包停留時間分布模型的討論中間包停留時間分布模型的討論潘宏偉1程樹森1程子建12（1.北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院，北京1000832.酒鋼（集團）宏興鋼鐵股份有限公司甘肅嘉峪關(guān)735100）摘要：摘要：中間包冶金是連鑄工藝的重要環(huán)節(jié)之一，與潔凈鋼技術(shù)緊密相連。目前，評價中間包設(shè)計簡便有效的方法是計算各區(qū)域的體積分數(shù)，包括活塞區(qū)，返混區(qū)，短路流和死區(qū)。到現(xiàn)在為止，各區(qū)域體積

2、分數(shù)主要是通過分析停留時間分布（RTD）曲線得到的。自常用的修正混合模型和綜合模型提出后，很少有冶金工作者對其適用性和正確性予以研究，本文指出并驗證了這兩種模型的不足。模型主要有如下兩點不足：（1）將死區(qū)體積分數(shù)定義為是不適宜的，因為它并av??1沒有準確描述死區(qū)的概念——流體停留時間超過平均停留時間兩倍以上的區(qū)域，因此沒有體現(xiàn)死區(qū)的本質(zhì)特性，并且在有些情況下，利用該式計算得到的死區(qū)體積分數(shù)為負數(shù)；（2）將活塞區(qū)的體積分數(shù)定義為或者是也

3、是)(21maxmin???min?不適宜的，因為同樣受到返混區(qū)域的影響，并且方差計算結(jié)果表明，在和數(shù)值相等的條件下，活塞區(qū)min?2?min?max?的體積分數(shù)也不一定相等。本文在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對上述模型進行了進一步驗證，證實了采用當前現(xiàn)有的模型來計算中間包各區(qū)域體積分數(shù)是不合理的，因而，利用其結(jié)果指導(dǎo)中間包設(shè)計和中間包冶金工藝是不可靠的。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：中間包，停留時間分布（RTD），死區(qū)，返混區(qū)，數(shù)值模擬PurifyingTe

4、chnologyintheTundishMetallurgy(partA)－DiscussionabouttheModelofResidualTimeDistributionfTundishPANHongwei1，CHENGShusen1CHENGZijian12(SchoolofMetallurgicalEcologicalEngineeringUniversityofScienceTechnologyBeijingBeijing10

5、0083China2.HongxingStockCompanyofJiugangJiayuguan735100GansuChina)Abstract:tundishmetallurgyiscriticalincontinuouscastingprocessithasmuchtodowiththecleansteeltechnology.themosteffectiveconvenientwaytoevaluatethetundishde

6、signingtundishmetallurgyistocalculatedifferentregions’volumefractioninthetundishsuchasplugflowregionbackmixflowregionbypassflowregiondeadregion.Tillnowthiscanonlybesolvedthroughsomecalculationmodelsbasedontheanalysisofre

7、sidualtimedistribution(RTD)curveRTDisreferredfromchemicalreactionengineering.ButRTDisfarawayfrommetallurgyfielditcoverscomplicatedmathematicalcalculationanalysisfewmetallurgistsdofurtherresearchaboutitsapplicabilitycrect

8、nesssincemodifiedmixedmodelcombinedmodelareproposedwhicharewidelyusedintundishmetallurgy.Inthispapertheshtcomingofthesetwocalculationmodelsarepointedoutexplained.Thenitfindsthatitisnotreasonabletodefinethedeadregion’svol

9、umefractionequalstoav??1becausethisequationdoesn’tdefinitelydescribethedefinitionofdeadregionwhichisdefinedtheregionwheretracersspendmethantwicemeanresidualtimesothisequationdoesnotacterizethepropertyofdeadregion.Insomec

10、aseminusvalueofthedeadregion’svolumefractionisobtainedifthisequationisadopteditisalsonotreasonabletodefineplugflow’svolumefractionequalstobecauseisalsoinfluencedbybackmixflow.Evenwhenhasthe)(21maxmin???min?min?min?max?sa

11、mevaluetheplugflowvolumefractionisdifferentaccdingtovariance.Theninthispaperthesetwomodelsarefurther2?provedbasedonmathematicalsimulationitsuggeststhatitisnotsuitabletocalculatethedifferentregions’volumefractionintundish

12、throughthepresentmodelsavailableitisnotreliabletousetheresultstoguidethetundishdesigningtundishmetallurgyprocess.Atlastitsuggeststhatanothernewcalculationmodelshouldbeattemptedtocalculatethedifferentregions’volumefractio

13、ninthetundish.Keywds:tundishresidualtimedistribution（RTD）deadregionbackmixregionmathematicalsimulation程樹森（1966），博士生導(dǎo)師，Email：.，國家自然科學基金項目，編號：60672145潘宏偉（1984），博士研究生Email：pan5025@3圖2RTD曲線舉例Fig.2Schematicdiagramofsimplified

14、RTDcurve2.2針對多流中間包的聯(lián)合模型鄭淑國在2006年提出了計算多流中間包內(nèi)不同區(qū)域體積分數(shù)的模型。在這之前，沒有公認的模型來計算多流中間包的情況。然而該模型主要基于Sahai的聯(lián)合模型，不同區(qū)域的體積分數(shù)取值于各流股之間的均值，所以，該模型可能繼承了原模型的缺陷。2.3鐘良才使用的模型2007年，鐘良才將針對單流中間包的修正混合模型和聯(lián)合模型同時應(yīng)用于多流中間包。但是，其結(jié)果顯示，各流返混區(qū)的體積之和大于100%。并且，該模

15、型可能同時繼承了原始模型的不足。值得提及，利用計算活塞區(qū)的體積是不min?合理的。因為的取值同樣受到返混區(qū)域的影min?響，返混區(qū)域越大，部分流體流出得更早或更晚，其流體的停留時間分布也越寬。也就是說，當流體流出較早時，表明流體在反應(yīng)器內(nèi)停留時間較短，対應(yīng)地，停留時間分布（RTD）曲線也就有更小的最小響應(yīng)時間?；谕瑯釉?，min?如果將活塞區(qū)的體積定義為：，也不合理。)(21axminmpVV????再者，上述計算模型中計算死區(qū)體積時

16、均沒有體現(xiàn)出其特性：示蹤劑停留時間超過平均停留時間2倍以上的區(qū)域。然而，模型中把實際停留時間比理論停留時間小的原因僅僅歸結(jié)于死區(qū)的存在，這也不合理。3討論針對某廠實際中的兩種不同設(shè)計理念的中間包進行了數(shù)值模擬，分別命名為1號中間包和2號中間包。如圖3(1)所示，描述了1#中間包流場中的流線（頂部視角），從中可以看到，流體流出擋墻上的溢流孔后，產(chǎn)生了一大一小的漩渦，形成較大的返混區(qū)域，從圖3(2)中的水平速度矢量圖可以進一步證實（箭頭方向

17、表示速度方向，箭頭長度表示其大小），在較大的返混區(qū)域內(nèi)，由于其循環(huán)返混運動，示蹤劑將會形成較寬區(qū)間的停留時間分布，進而與理想的活塞流有很大偏差。但是，對于圖4(1)，描述了2#中間包內(nèi)與1#中間包不同的流線（前方視角），從中可以看到，流體流出溢流孔后，流向上部，然后沿著表面直接流向出口，因此這是一種強烈的活塞流流動趨勢。圖4(2)顯示其穿過溢流孔后的水平速度場，在這張圖上幾乎沒有體現(xiàn)出返混區(qū)域?？梢缘玫揭粋€結(jié)論：對于1#中間包和2#中間

18、包，其流動模式有很大差異。1#中間包呈現(xiàn)出返混流動趨勢，2#中間包呈現(xiàn)出較強的活塞流動趨勢。這種差異可以從圖5中的停留時間分布（RTD）曲線上反映出來。(1)流線示意圖(2)穿過溢流孔水平速度矢量圖(1)Diagramofstreamline(2)velocityfieldatthehizontalplanethroughspouthole圖3第1號中間包流場計算結(jié)果Fig.3calculationresultofflowfieldft