中间包等离子加热的物理模拟

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 中间包等离子加热的物理模拟 王勇赵梦静杨树峰李京社张贯旭习小军 Physical simulation of tundish heated by plasma WANG Yong.ZHAO Meng-jing,YANG Shu-feng,LI Jing-she,ZHANG Guan-xu,XI Xiao-Jun 引用本文： 王勇，赵梦静，杨树峰，李京社，张贯旭，习小军.中间包等离子加热的物理模拟.工程科学学报，2020,42(S:68-75.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.03.25.s16 WANG Yong.ZHAO Meng-jing,YANG Shu-feng.LI Jing-she,ZHANG Guan-xu,XI Xiao-Jun.Physical simulation of tundish heated by plasma[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(S):68-75.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s16 在线阅读View online::htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.03.25.sl6 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 钢中液态夹杂物聚并行为的数学物理模拟 Physical and numerical simulation of the coalescence of liquid inclusion particles in molten steel 工程科学学报.2019.41(10：1280htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.11.02.001 COREX竖炉围管堵塞位置及其演变过程的物理模拟 Physical simulation of the position and evolution process of dust accumulation in the bustle pipe of a COREX shaft furnace 工程科学学报.2018.40(3：349htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.03.011 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes 工程科学学报.2020,42(8：939 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.10.15.001 大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 Physical simulation of internal crack healing in a heavy-forged billet 工程科学学报.2017,3911：1674htps:oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.11.010 铝电解槽废阴极炭块电热耦合处理过程数值模拟 Numerical simulation of electrothermal coupling process for spent cathode carbon block from aluminum electrolysis cell 工程科学学报.2020,42(6)：731 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.10.002 液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的物理模拟和机理研究 Physical simulation and mechanism study of solid inclusion removed by liquid inclusions 工程科学学报.2017,392：196 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.02.005

中间包等离子加热的物理模拟 王勇 赵梦静 杨树峰 李京社 张贯旭 习小军 Physical simulation of tundish heated by plasma WANG Yong, ZHAO Meng-jing, YANG Shu-feng, LI Jing-she, ZHANG Guan-xu, XI Xiao-Jun 引用本文: 王勇, 赵梦静, 杨树峰, 李京社, 张贯旭, 习小军. 中间包等离子加热的物理模拟[J]. 工程科学学报, 2020, 42(S): 68-75. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s16 WANG Yong, ZHAO Meng-jing, YANG Shu-feng, LI Jing-she, ZHANG Guan-xu, XI Xiao-Jun. Physical simulation of tundish heated by plasma[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(S): 68-75. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s16 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s16 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 钢中液态夹杂物聚并行为的数学物理模拟 Physical and numerical simulation of the coalescence of liquid inclusion particles in molten steel 工程科学学报. 2019, 41(10): 1280 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.02.001 COREX竖炉围管堵塞位置及其演变过程的物理模拟 Physical simulation of the position and evolution process of dust accumulation in the bustle pipe of a COREX shaft furnace 工程科学学报. 2018, 40(3): 349 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.011 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes 工程科学学报. 2020, 42(8): 939 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.15.001 大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 Physical simulation of internal crack healing in a heavy-forged billet 工程科学学报. 2017, 39(11): 1674 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.010 铝电解槽废阴极炭块电热耦合处理过程数值模拟 Numerical simulation of electrothermal coupling process for spent cathode carbon block from aluminum electrolysis cell 工程科学学报. 2020, 42(6): 731 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.002 液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的物理模拟和机理研究 Physical simulation and mechanism study of solid inclusion removed by liquid inclusions 工程科学学报. 2017, 39(2): 196 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.005

工程科学学报.第42卷.增刊1：68-75.2020年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,Suppl.1:68-75,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s16;http://cje.ustb.edu.cn 中间包等离子加热的物理模拟 王 勇，2，赵梦静2，杨树峰1,2四，李京社，2)，张贯旭2)，习小军1,2 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学高端金属材料特种熔炼与制备北京市重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yangshufeng @ustb.edu.cn 摘要为了提高实际生产中中间包等离子加热热效率，改善中间包内钢液流动状态，本文根据某钢厂中间包原型，通过物 理模拟对比研究了有无等离子加热和不同等离子加热位置下中间包内温度场和流场的变化情况.研究结果表明，在无等离 子加热条件下，中间包内死区比例较高，达到了36%，死区主要集中在中间包挡墙外侧上部区域：当加热位置位于挡墙外侧 时，中间包内死区比例与不加热时相差不大，靠近加热位置处的温度急剧上升，挡墙内外两侧的温度差较大，中间包内整体温 度分布不均匀：加热位置位于挡墙内侧时，中间包死区比例明显降低，达到29.2%，平均停留时间约增加57s.出水口温度明显 上升（约7℃），中间包内温度分布更均匀. 关键词中间包；等离子加热；物理模拟；温度分布；死区比例 分类号T℉777 Physical simulation of tundish heated by plasma WANG Yong2),ZHAO Meng-jing2).YANG Shu-feng LI Jing-she2)ZHANG Guan-xu2),XI Xiao-Jun2) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory of Special Melting and Preparation of High-End Metal Materials,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yangshufeng @ustb.edu.cn ABSTRACT This study proposes a model to increase the heating efficiency of tundish plasma heating and improve the flow of molten steel in a tundish during production.A physical model was simulated based on the tundish prototype of a steel plant,and the temperature field and flow field of molten steel in the tundish with and without plasma heating at different plasma heating positions were analyzed. The research results showed that in the tundish without plasma heating,the proportion of the dead zone was high,reaching 36%. Moreover,the dead zone was mainly concentrated in the upper area outside the weir in the tundish.When the heating position was located outside the weir,it was found that there was little difference in the proportion of the dead zone between the tundish with and without plasma heating.The temperature near the heating position increased sharply,and the temperature difference of molten metal between the inside and outside of the weir was large.Moreover,the overall temperature distribution in the tundish was not uniform. When the heating position was located inside the weir,the proportion of the dead zone significantly decreased,reaching 29.2%.Further, the average residence time increased by about 57s.The temperature of the outlet of the tundish increased significantly (about 7 C),and the temperature distribution in the tundish was uniform. KEY WORDS tundish;plasma heating;physical simulation;temperature distribution;proportion of the dead zone 连铸是钢铁生产的一个重要环节，合适并且 行具有重要意义.然而在整个连铸过程中，中间 稳定的钢液温度对保持连铸工序的正常和稳定运 包存在不同程度的热损失，特别是浇铸初期、钢包 收稿日期：2020-03-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(52074030,51734003)

中间包等离子加热的物理模拟 王    勇1,2)，赵梦静1,2)，杨树峰1,2) 苣，李京社1,2)，张贯旭1,2)，习小军1,2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083    2) 北京科技大学高端金属材料特种熔炼与制备北京市重点实验室，北京 100083 苣通信作者，E-mail：yangshufeng@ustb.edu.cn 摘    要    为了提高实际生产中中间包等离子加热热效率，改善中间包内钢液流动状态，本文根据某钢厂中间包原型，通过物 理模拟对比研究了有无等离子加热和不同等离子加热位置下中间包内温度场和流场的变化情况. 研究结果表明，在无等离 子加热条件下，中间包内死区比例较高，达到了 36%，死区主要集中在中间包挡墙外侧上部区域；当加热位置位于挡墙外侧 时，中间包内死区比例与不加热时相差不大，靠近加热位置处的温度急剧上升，挡墙内外两侧的温度差较大，中间包内整体温 度分布不均匀；加热位置位于挡墙内侧时，中间包死区比例明显降低，达到 29.2%，平均停留时间约增加 57 s，出水口温度明显 上升（约 7 ℃），中间包内温度分布更均匀. 关键词    中间包；等离子加热；物理模拟；温度分布；死区比例 分类号    TF777 Physical simulation of tundish heated by plasma WANG Yong1,2) ，ZHAO Meng-jing1,2) ，YANG Shu-feng1,2) 苣 ，LI Jing-she1,2) ，ZHANG Guan-xu1,2) ，XI Xiao-Jun1,2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Key Laboratory of Special Melting and Preparation of High-End Metal Materials, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: yangshufeng@ustb.edu.cn ABSTRACT    This study proposes a model to increase the heating efficiency of tundish plasma heating and improve the flow of molten steel in a tundish during production. A physical model was simulated based on the tundish prototype of a steel plant, and the temperature field and flow field of molten steel in the tundish with and without plasma heating at different plasma heating positions were analyzed. The  research  results  showed  that  in  the  tundish  without  plasma  heating,  the  proportion  of  the  dead  zone  was  high,  reaching  36%. Moreover,  the  dead  zone  was  mainly  concentrated  in  the  upper  area  outside  the  weir  in  the  tundish.  When  the  heating  position  was located outside the weir, it was found that there was little difference in the proportion of the dead zone between the tundish with and without plasma heating. The temperature near the heating position increased sharply, and the temperature difference of molten metal between the inside and outside of the weir was large. Moreover, the overall temperature distribution in the tundish was not uniform. When the heating position was located inside the weir, the proportion of the dead zone significantly decreased, reaching 29.2%. Further, the average residence time increased by about 57 s. The temperature of the outlet of the tundish increased significantly (about 7 ℃), and the temperature distribution in the tundish was uniform. KEY WORDS    tundish；plasma heating；physical simulation；temperature distribution；proportion of the dead zone 连铸是钢铁生产的一个重要环节，合适并且 稳定的钢液温度对保持连铸工序的正常和稳定运 行具有重要意义[1–2] . 然而在整个连铸过程中，中间 包存在不同程度的热损失，特别是浇铸初期、钢包 收稿日期: 2020−03−25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（52074030, 51734003） 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1：68−75，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, Suppl. 1: 68−75, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s16; http://cje.ustb.edu.cn

王勇等：中间包等离子加热的物理模拟 69 交换和浇铸末期等非正常浇铸期，都不可避免地 (a) InletHeating position 产生较大的温降)控制中间包的钢水温度或过 热度是提高生产率、改善凝固组织、提高产品质 量最有效的方法之一.因此，中间包内的温度控制 成为提高铸坯质量的一个关键环节.借助外部热 源补偿中间包钢水温降、精确控制最佳过热度的 Turbulence inhibitor 九tet 方法也越来越受到人们重视-剧 (b) 中间包加热技术有很多种形式，其中包括电 弧、电渣、等离子和感应加热等以等离子加热 技术能量集中，温度高、加热响应快，能将中间包 钢水的目标温度控制在±5℃范围内，可以直接加 热，调节方便、易于操作、对钢水清洁无污染，逐 图1中间包结构图.(a)整体结构：(b)主视图 渐受到研究者们的关注（目前国内对于如何 Fig.1 Tundish structure:(a)overall structure;(b)main view 优化中间包等离子加热技术，提高其加热效率的 Fr的定义： 研究较少，因此有必要对中间包等离子加热进行 2 Fr= (2) 模拟研究.中间包内温度场和流场的变化通常可 8L 以采用物理模拟-0的方法进行研究，刘崇林等2四 式中，u为特征流速，ms；g为重力加速度，ms2; 采用水模拟的方法对不同控流装置下中间包内的 L为特征尺寸，m 流场进行分析，发现采用组合挡坝结构能明显减 中间包模型与原型之间各物理参数的关系： 少死区比例，优化中间包内部流场.吴光辉等2运 Lm/L =A=0.25 (3) 用水模拟实验，从改变通道结构和内部控流装置 4m/4=0.5=0.5 (4) 角度解决了通道式感应加热7流中间包各流一致 式中，入为几何相似比 性差的问题.本文以某厂双流板坯中间包为研究对 从中间包到结晶器的流量： 象，采用物理模拟研究有无等离子加热和不同等 品m (5 离子加热位置对中间包内部流场及其温度场的变 Qm=元4 化情况，得到该中间包的最优加热位置，可为中间 4 Q=π (6) 包等离子加热的工业实践提供理论参考和指导. 4 1实验 由以上两式之比得： 2m=1250r (7) 1.1实验原理 物理模型模拟钢液流动的特征参数如表2所 中间包结构图如图1所示，根据相似原理等比 示，根据铸坯断面以及拉速确定中间包原型的水 例缩小中间包原型，相似比为1：4，由此可以得到 口流量，然后根据相似原理计算出模型所需流量， 实验模型的中间包主要参数，表1为中间包原型 通过控制模型流量实现与实际拉速相近的目的. 和有机玻璃模型的主要参数， 按1=1/4得到模型的有效容积Vm=100.7L,则当 保证湍流流动范围的原型与模型相似只要保 Qm=3.68Lmin时，模型的理论平均停留时间理论为： 证Fr相等即可： Vm100.7 Frm=Fr (1) 理论 20m2x3.68×60=821s (8) 式中，m为模型参数，r为原型参数 式中，'m为模型的有效容积，L 表1中间包原型与模型的主要参数 Table 1 Main parameters of tundish prototype and model mm Bottom Bottom Inlet Working liquid Classification Top Top Height Surface height Insertion depth width width length length diameter ofoverflow of long nozzle level height Prototype 1405 857 6621 6073 90.0 1555 1215 250.0 1115 Water model 351 214 1655 1518 22.5 389 304 62.5 279

交换和浇铸末期等非正常浇铸期，都不可避免地 产生较大的温降[3–6] . 控制中间包的钢水温度或过 热度是提高生产率、改善凝固组织、提高产品质 量最有效的方法之一. 因此，中间包内的温度控制 成为提高铸坯质量的一个关键环节. 借助外部热 源补偿中间包钢水温降、精确控制最佳过热度的 方法也越来越受到人们重视[7–8] . 中间包加热技术有很多种形式，其中包括电 弧、电渣、等离子和感应加热等[9–12] . 等离子加热 技术能量集中，温度高、加热响应快，能将中间包 钢水的目标温度控制在±5 ℃ 范围内，可以直接加 热，调节方便、易于操作、对钢水清洁无污染，逐 渐受到研究者们的关注[13–16] . 目前国内对于如何 优化中间包等离子加热技术，提高其加热效率的 研究较少，因此有必要对中间包等离子加热进行 模拟研究. 中间包内温度场和流场的变化通常可 以采用物理模拟[17–20] 的方法进行研究，刘崇林等[21] 采用水模拟的方法对不同控流装置下中间包内的 流场进行分析，发现采用组合挡坝结构能明显减 少死区比例，优化中间包内部流场. 吴光辉等[22] 运 用水模拟实验，从改变通道结构和内部控流装置 角度解决了通道式感应加热 7 流中间包各流一致 性差的问题. 本文以某厂双流板坯中间包为研究对 象，采用物理模拟研究有无等离子加热和不同等 离子加热位置对中间包内部流场及其温度场的变 化情况，得到该中间包的最优加热位置，可为中间 包等离子加热的工业实践提供理论参考和指导. 1    实验 1.1    实验原理 中间包结构图如图 1 所示，根据相似原理等比 例缩小中间包原型，相似比为 1 : 4，由此可以得到 实验模型的中间包主要参数，表 1 为中间包原型 和有机玻璃模型的主要参数. Fr 保证湍流流动范围的原型与模型相似只要保 证 相等即可： Frm=Frr （1） 式中，m 为模型参数，r 为原型参数. Fr 的定义： Fr = u 2 gL （2） 式中，u 为特征流速，m·s−1 ；g 为重力加速度，m·s−2 ； L 为特征尺寸，m. 中间包模型与原型之间各物理参数的关系: Lm/Lr = λ = 0.25 （3） um/ur = λ 0.5 = 0.5 （4） 式中， λ 为几何相似比. 从中间包到结晶器的流量： Qm = π L 2 mum 4 （5） Qr = π L 2 r ur 4 （6） 由以上两式之比得： Qm = λ 2.5Qr （7） 物理模型模拟钢液流动的特征参数如表 2 所 示，根据铸坯断面以及拉速确定中间包原型的水 口流量，然后根据相似原理计算出模型所需流量， 通过控制模型流量实现与实际拉速相近的目的. Qm 按 λ=1/4 得到模型的有效容积 Vm=100.7 L，则当 =3.68 L·min−1 时，模型的理论平均停留时间 t理论为： t理论 = Vm 2Qm = 100.7 2×3.68 ×60 = 821 s （8） 式中，Vm 为模型的有效容积，L. Inlet Heating position (a) Weir Dam Turbulence inhibitor Outlet (b) 图 1    中间包结构图. （a）整体结构；（b）主视图 Fig.1    Tundish structure: (a) overall structure; (b) main view 表 1 中间包原型与模型的主要参数 Table 1  Main parameters of tundish prototype and model mm Classification Top width Bottom width Top length Bottom length Inlet diameter Height Surface height of overflow Insertion depth of long nozzle Working liquid level height Prototype 1405 857 6621 6073 90.0 1555 1215 250.0 1115 Water model 351 214 1655 1518 22.5 389 304 62.5 279 王    勇等： 中间包等离子加热的物理模拟 · 69 ·

70 工程科学学报.第42卷，增刊1 表2主要工艺参数及流量 加热效率取60%.模型中输人的能量由输入的饱 Table 2 Main process parameters and flow rate 和蒸汽的焓和其质量流量计算得到，如下式所示， Slab section/mm2 Casting speed/(mmin)/(Lmin)/(Lmin) 蒸汽质量流量取6kgh,通过计算得到模型与原 210×700 0.8 117.6 3.68 型的等离子加热数相差不大，可以保证模型蒸汽 加热与原型等离子加热之间的相似性] 本实验采用的是高温水蒸气模拟等离子气体 9=0.73HW (10) 进行加热.为了保证水模型中的蒸汽加热和中间 包等离子加热的相似性，建立实际过程等离子加 式中，0.73为蒸汽热量的利用率，H为饱和蒸汽的 热功率和水模拟实验中功率之间的关系，提出了 焓，W为蒸汽的质量流量 量纲一的等离子加热数4.其中应考虑流体的性 1.2实验设备 质以及中间包的几何因素，如模型或中间包中流 本实验模拟系统由上水系统、示踪剂加人系 体黏度，被加热区域面积和流体深度等，如下式所 统、数据采集系统和排水系统四部分组成，具体包 示.保证模型和原型的等离子加热数相同或相近 括大包、有机玻璃中间包模型、长水口、中间包内 即可保证加热的相似) 控流装置（湍流抑制器、挡墙等）、示踪剂加入装 NPH aLD 置、电导探头、电导率仪、蒸汽发生器和数据记录 Augdr vav (9) 仪(DJ800数据采集系统、温度记录仪)等，装置示 式中，N阳为量纲一的等离子加热数，表征的是热 意如图2. 量传递的能力与整个系统热量传递的阻力之比： 本实验利用高温蒸汽发生器产生的高温高压 q为输人的能量，W;A为加热区域面积，m子；μ为黏 水蒸气模拟实际生产中的高温等离子加热钢水 度，kgms;d为中间包液体深度，m;a为流体 其中，在高温蒸汽出口安装质量流量计监测高温 热扩散系数，m2s；LD为加热区域长度，m;vav为 蒸汽的质量流量和温度.利用电导率仪和DJ800 流体平均流速，ms 数据采集系统监测测量中间包内电导率变化情 模型与原型的等离子加热数以及所需要的参 况，以评价中间包内流场变化.本实验中，在中间 数如表3所示，原型中，等离子加热功率取500kW, 包内不同位置安装T型热电偶来测量中间包内温 表3模型与原型的等离子加热参数 Table3 Plasma heating parameters of model and prototype Power Classification Heating zone Viscosity/ Depth/ Thermal diffusivity/Heating zone Average velocity of Plasma heating input/W area/m2 (kg-m.s) (m2.s-) length/m liquid/(m-s) number Model 3354 0.018 0.001 0.279 1.43×107 0.110 0.035 44773.1 Prototype 300000 0.300 0.006 1.115 7.7×107 0.600 0.045 44901.4 Water supply Steam generator Ladle Temperature recorder Tracer injection Doint Tundish Thermocouple Computer model DJ800 data collection Conductivity system meter 图2实验设备示意图 Fig.2 Schematic diagram of experimental equipment

本实验采用的是高温水蒸气模拟等离子气体 进行加热. 为了保证水模型中的蒸汽加热和中间 包等离子加热的相似性，建立实际过程等离子加 热功率和水模拟实验中功率之间的关系，提出了 量纲一的等离子加热数[14] . 其中应考虑流体的性 质以及中间包的几何因素，如模型或中间包中流 体黏度，被加热区域面积和流体深度等，如下式所 示. 保证模型和原型的等离子加热数相同或相近 即可保证加热的相似[23] . NPH = q Aµgdf √ αLD νav （9） 式中，NPH 为量纲一的等离子加热数，表征的是热 量传递的能力与整个系统热量传递的阻力之比； q 为输入的能量，W；A 为加热区域面积，m 2 ；μ 为黏 度 ，kg·m−1·s−1 ；df 为中间包液体深度，m；α 为流体 热扩散系数，m 2 ·s−1 ；LD 为加热区域长度，m；vav 为 流体平均流速，m·s−1 . 模型与原型的等离子加热数以及所需要的参 数如表 3 所示，原型中，等离子加热功率取 500 kW， 加热效率取 60%. 模型中输入的能量由输入的饱 和蒸汽的焓和其质量流量计算得到，如下式所示， 蒸汽质量流量取 6 kg·h−1，通过计算得到模型与原 型的等离子加热数相差不大，可以保证模型蒸汽 加热与原型等离子加热之间的相似性[23] . q = 0.73HW （10） 式中，0.73 为蒸汽热量的利用率，H 为饱和蒸汽的 焓，W 为蒸汽的质量流量. 1.2    实验设备 本实验模拟系统由上水系统、示踪剂加入系 统、数据采集系统和排水系统四部分组成，具体包 括大包、有机玻璃中间包模型、长水口、中间包内 控流装置（湍流抑制器、挡墙等）、示踪剂加入装 置、电导探头、电导率仪、蒸汽发生器和数据记录 仪（DJ800 数据采集系统、温度记录仪）等，装置示 意如图 2. 本实验利用高温蒸汽发生器产生的高温高压 水蒸气模拟实际生产中的高温等离子加热钢水. 其中，在高温蒸汽出口安装质量流量计监测高温 蒸汽的质量流量和温度. 利用电导率仪和 DJ800 数据采集系统监测测量中间包内电导率变化情 况，以评价中间包内流场变化. 本实验中，在中间 包内不同位置安装 T 型热电偶来测量中间包内温 Water supply Steam generator Ladle Temperature recorder Tracer injection point Tundish Computer model Thermocouple DJ800 data collection Conductivity system meter 图 2    实验设备示意图 Fig.2    Schematic diagram of experimental equipment 表 2    主要工艺参数及流量 Table 2    Main process parameters and flow rate Slab section/mm2 Casting speed/(m·min−1) Qr /(L·min−1) Qm/(L·min−1) 210×700 0.8 117.6 3.68 表 3 模型与原型的等离子加热参数 Table 3 Plasma heating parameters of model and prototype Classification Power input/W Heating zone area/m2 Viscosity/ (kg·m−1·s−1) Depth/ m Thermal diffusivity/ (m2 ·s−1) Heating zone length /m Average velocity of liquid / (m·s−1) Plasma heating number Model 3354 0.018 0.001 0.279 1.43×10−7 0.110 0.035 44773.1 Prototype 300000 0.300 0.006 1.115 7.7×10−7 0.600 0.045 44901.4 · 70 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1

王勇等：中间包等离子加热的物理模拟 .71· 度分布情况，并通过无纸记录仪对中间包内的温 1#和2#测温点位于中间包两个出口处，3#和4#测 度变化进行实时监测 温点位于中间包两个挡墙底部，5#测温点位于出 1.3实验方案 水口上部，其中每隔20s采集一次温度数据，连续 本实验在中间包两个不同位置进行加热，其 采集45min. 中两侧加热位置对称.A1方案，加热位置距离中 实验时首先在大包中注水，待大包中水达到一 间包中心225mm(挡墙内侧)，如图3所示.A2方 定液面高度时，打开大包长水口阀门向中间包中 案，加热位置距离中间包中心522.5mm(挡墙外 注水.待中间包内水达到工作液面时，将两个出水 侧)，如图4所示.每个位置处输入相同的蒸汽流 口阀门打开，并将两个出水口流量调节至3.68Lmin, 量，以表征不同加热位置对流场及温度场的影响. 然后调节钢包长水口的阀门使中间包液面稳定在 具体实验方案如表4所示.为保证准确性，每组实 工作液面处.待工作液面稳定后，开启蒸汽发生器 验方案至少重复三次 向中间包内吹入高温水蒸汽同时开始记录温度数 本实验使用的高温水蒸气为0.6MPa下的饱 据.5min后，在长水口入口处加入100mL饱和 和高温水蒸气，蒸汽温度约为150~158℃，其中蒸 KCI溶液，同时开启DJ8O0数据采集系统监测出水 汽出口位置距离工作液面为50mm,加热时间为 口电导率变化(40min).再过5min后，停止吹入 10min,测温位置分别为挡墙位置处和出水口位置 高温水蒸汽.流场显示实验中，在加热5min后加 处，以评价中间包横向温度分布情况，同时在挡墙 入100mL高锰酸钾溶液，同时开启摄像仪，待高 位置或者出水口位置处的不同液面深度处测温， 锰酸钾溶液充满整个中间包时，停止摄像 以表征中间包纵向方向上温度分布情况.不同位 2实验结果与分析 置处的测温方案如图3和4所示.加热位置在中 间包挡墙内侧时，1#和2#测温点位于中间包两个 2.1 RTD曲线分析 出口处，3#和4#测温点位于中间包两个挡墙底部， 采用刺激-响应的方法测定中间包内的流场 5#测温点位于挡墙中部.加热位置在挡墙外侧时， 情况，加入100mL的饱和KC1溶液作为示踪剂， Temperature measurement (different positions and depths)Heating Temperature measurement (different positions and depths) Dosition Work surface 图3A1测温方案示意图 Fig.3 Schematic diagram of temperature measurement in scheme Al Temperature measurement Temperature measurement (different positions and depths) Heating (different positions and depths) position ork surface 图4A2测温方案示意图 Fig.4 Schematic diagram of temperature measurement in scheme A2

度分布情况，并通过无纸记录仪对中间包内的温 度变化进行实时监测. 1.3    实验方案 本实验在中间包两个不同位置进行加热，其 中两侧加热位置对称. A1 方案，加热位置距离中 间包中心 225 mm（挡墙内侧），如图 3 所示. A2 方 案，加热位置距离中间包中心 522.5 mm（挡墙外 侧），如图 4 所示. 每个位置处输入相同的蒸汽流 量，以表征不同加热位置对流场及温度场的影响. 具体实验方案如表 4 所示. 为保证准确性，每组实 验方案至少重复三次. 本实验使用的高温水蒸气为 0.6 MPa 下的饱 和高温水蒸气，蒸汽温度约为 150～158 ℃，其中蒸 汽出口位置距离工作液面为 50 mm，加热时间为 10 min，测温位置分别为挡墙位置处和出水口位置 处，以评价中间包横向温度分布情况，同时在挡墙 位置或者出水口位置处的不同液面深度处测温， 以表征中间包纵向方向上温度分布情况. 不同位 置处的测温方案如图 3 和 4 所示. 加热位置在中 间包挡墙内侧时，1#和 2#测温点位于中间包两个 出口处，3#和 4#测温点位于中间包两个挡墙底部， 5#测温点位于挡墙中部. 加热位置在挡墙外侧时， 1#和 2#测温点位于中间包两个出口处，3#和 4#测 温点位于中间包两个挡墙底部，5#测温点位于出 水口上部，其中每隔 20 s 采集一次温度数据，连续 采集 45 min. 实验时首先在大包中注水，待大包中水达到一 定液面高度时，打开大包长水口阀门向中间包中 注水. 待中间包内水达到工作液面时，将两个出水 口阀门打开，并将两个出水口流量调节至 3.68 L·min−1 ， 然后调节钢包长水口的阀门使中间包液面稳定在 工作液面处. 待工作液面稳定后，开启蒸汽发生器 向中间包内吹入高温水蒸汽同时开始记录温度数 据. 5 min 后，在长水口入口处加入 100 mL 饱和 KCl 溶液，同时开启 DJ800 数据采集系统监测出水 口电导率变化（40 min）. 再过 5 min 后，停止吹入 高温水蒸汽. 流场显示实验中，在加热 5 min 后加 入 100 mL 高锰酸钾溶液，同时开启摄像仪，待高 锰酸钾溶液充满整个中间包时，停止摄像. 2    实验结果与分析 2.1    RTD 曲线分析 采用刺激−响应的方法测定中间包内的流场 情况，加入 100 mL 的饱和 KCl 溶液作为示踪剂， Temperature measurement (different positions and depths) Temperature measurement (different positions and depths) Heating position 5# Work surface 3# 1# 4# 2# 图 3    A1 测温方案示意图 Fig.3    Schematic diagram of temperature measurement in scheme A1 Temperature measurement (different positions and depths) Temperature measurement (different positions and depths) Heating position 5# Work surface 3# 1# 4# 2# 图 4    A2 测温方案示意图 Fig.4    Schematic diagram of temperature measurement in scheme A2 王    勇等： 中间包等离子加热的物理模拟 · 71 ·