Champ d'écoulement dans un répartiteur de coulée continue avec un nouveau réchauffeur à induction unique

¹ ABSTRAIT:panier avecchauffage par inductionappareil a attiré de plus en plus d'attention dans le processus de fabrication de l'acier au cours des dernières années.Le chauffage à double induction occupera une grande capacité de répartiteur, ce qui diminuera par conséquent la production de l'aciérie.Une technologie de répartiteur de chauffage à induction unique a été mise en avant dans le présent travail.Sa caractéristique d'écoulement est étudiée par modélisation de l'eau en considérant à la fois les situations de service non isotherme et isotherme, et comparée à celle d'un réchauffeur à double induction.Les résultats montrent que la consistance d'écoulement entre les différents brins est un peu plus faible avec un chauffage à simple induction qu'avec un chauffage à double induction.Malgré cela, le boîtier optimisé peut parfaitement répondre à l'exigence industrielle avec sa fraction de volume mort de 15% et le temps de pause minimum de 92s.

MOTS CLÉS:Répartiteur avec chauffage par induction de type canal ;Chauffage à induction simple;Champ d'écoulement;

1.introduction

Le répartiteur est un récipient métallurgique important dans le processus de coulée continue pour répartir l'acier fondu entre la poche et le moule, favoriser l'élimination des inclusions non métalliques et améliorer la surface et la qualité interne des pièces moulées en conséquence [1-6].Cependant, avec la coulée, la température de l'acier fondu chutera considérablement à la fois dans la poche et dans le répartiteur en raison de la perte de chaleur, ce qui entraînera une modification de la vitesse de coulée pour un fonctionnement en douceur et l'instabilité de l'écoulement du fluide dans le répartiteur et le moule.Pour maintenir une coulée stable sous une température constante donnée, la technologie de chauffage de l'acier fondu par canon à plasma ou canal d'induction dans un répartiteur a fait l'objet de plus en plus d'attention ces dernières années.Dans cette situation, on peut s'attendre à ce que la qualité de surface et une qualité interne constante soient atteintes pour les produits de coulée.Cependant, en raison de l'installation du réchauffeur par induction, le volume effectif d'un répartiteur en déduira et les caractéristiques d'écoulement du fluide varieront par rapport à un répartiteur conventionnel.

Un répartiteur à 7 torons avec canal de chauffage par induction symétrique est en service dans une aciérie chinoise, qui est utilisé pour produire des aciers pour roulements et ressorts de haute qualité.Cependant, les pistes industrielles ont révélé que les inclusions non métalliques dans les billettes du brin 2 et du brin 6 sont plus nombreuses que les autres brins, ce qui était soupçonné d'être le résultat d'une structure de répartiteur irrationnelle lors de l'adoption du canal d'induction.Par conséquent, une optimisation structurelle a été réalisée par nos soins et un cas optimisé a été fourni sur la base du chauffage à double induction.Par rapport à la structure prototype, la fraction volumique de la zone morte du boîtier optimisé a été diminuée de 30,16 %, et le temps de séjour moyen est prolongé de 278 s.Pour augmenter le volume effectif du répartiteur et augmenter l'efficacité de la production, un appareil de chauffage à induction unique devrait être adopté dans cette aciérie.Par conséquent, dans le présent travail, la structure de ce répartiteur à 7 brins avec réchauffeur à induction unique sera optimisée par modèle physique, et les caractéristiques d'écoulement et les comportements du fluide dans celui-ci seront révélés, ce qui est bénéfique pour une meilleure application de ce navire innovant dans l'industrie.

Son schéma est illustré à la figure 1. La chambre de coulée et la chambre de décharge sont reliées par les deux canaux de chauffage, et deux éléments chauffants entourent les canaux.L'acier en fusion s'écoule de la chambre de coulée dans la chambre de décharge uniquement à travers les canaux.

Figure 1.Schéma du répartiteur [8]

3. Résultats et discussions

3.1Pour nexpérience sur isotherme

En exploitation industrielle, lorsque l'acier en fusion s'écoule à travers le canal d'induction, il sera chauffé.Différentes puissances électriques généreront divers effets de chauffage.Pour observer les effets du chauffage par induction sur l'écoulement du liquide, des expériences non isothermes avec diverses différences de température (= 0, 5, 10, 20, 30 °C) de fluide ont d'abord été effectués pour le prototype de répartiteur avec un seul chauffage par induction ( 5º d'inclinaison du canal vers le haut, 300 mm de l'exportation du canal à la surface inférieure du répartiteur).Le schéma structurel est illustré à la figure 2. En adoptant l'eau à température ambiante pour modéliser l'acier en fusion sans chauffage à l'extérieur du canal, diverses températures d'eau chaude ont été injectées à partir de l'entrée du canal.Le schéma expérimental est présenté dans le tableau 1.

Figure 2 Schémas structurels du répartiteur avec chauffage à induction simple

Tableau 1. Schéma de l'expérience non isotherme.

Les paramètres caractéristiques du fluide pour différents cas sont présentés dans le tableau 2, et les courbes RTD sont illustrées dans la figure 3.

Table2.Paramètres caractéristiques des cas expérimentaux non isothermes.

Figure 3.Courbes RTD de l'expérience non isotherme à différentsT: (a)cas P0,T= 0°C ;(b)P1, 5 °C;(c)P2, 10 °C;(d)P3, 20 °C;(e)P4, 30 °C.

Du tableau 2, pour le cas P0 (= 0 °C),n'est que de 35 s, la fraction de volume mort atteint 54,58 %, ce qui signifie qu'un demi-fluide du répartiteur s'écoule lentement.La raison peut être expliquée par les courbes RTD de la figure 3(a) comme suit : les concentrations maximalesC/C₀des brins 2 et 6 dans le cas où P0 dépasse tous les deux 5,0 et présente des formes acérées, ce qui suggère que la plupart des traceurs s'écoulent directement vers la sortie 2 et la sortie 6, formant un \"flux de court-circuit\".Comparaison du cas P0 avec le cas prototype de chauffage à double induction A0 de la référence [8], la zone morte du premier, et les écarts typesetsont tous plus grands que ces derniers, indiquant que peu importe le prototype de chauffage à double induction ou de chauffage à simple induction, leurs champs d'écoulement sont tous deux irrationnels dans la condition sans différence de température.

Pour le cas P1 (= 5 °C), la sommeest de 45 s et ledes 2^sdbrin est de 44 s.En outre, il existe une grande différence entre les courbes RTD des différents brins.Cependant, la fraction de zone morte de l'ensemble du répartiteur n'est que de 3,66 %, beaucoup plus petite que le cas P0.Avec l'augmentation de l'écart de température, le temps de pause minimum et le temps de pointe des boîtiers P2 à P4 sont évidemment allongés et la zone morte disparaît.

En comparant les cas P1 à P4, les courbes RTD de sept brins deviennent plus cohérentes avec l'augmentation de, et les écarts types (S) dans le tableau 2 sont généralement décroissants.

Pour expliquer les phénomènes ci-dessus, la trajectoire d'encre des cas P0 et P3 a été illustrée sur les figures 4 et 5, respectivement.

Figure 4.Trajectoire de dispersion de l'encre dans le cas P0

Figure 5.Trajectoire de dispersion de l'encre dans le cas P3

Pour le cas P0, l'encre noire s'écoule d'abord le long du canal incliné (figures 4a).A 78 s, une partie de l'encre se disperse à la surface du bain, tandis que l'autre s'écoule directement vers la sortie2, formant un \"flux de court-circuit\".Dans cette situation, les inclusions non métalliques de ce brin n'auront pas assez de temps pour flotter et s'enlever.D'après les figures 4(c) et (d), l'encre ne pouvait presque pas s'écouler près de la sortie4, alors qu'elle était la plus concentrée des deux côtés du répartiteur, suggérant que la région près de la sortie4 est la principale source de zone morte.D'après le tableau 2, leatteint 54,58 %, représentant plus de la moitié du volume des paniers.De plus, leetprésentent respectivement 122,40 et 101,94, ce qui indique une grande différence dans la caractéristique d'écoulement entre les différents brins.Par conséquent, l'optimisation de la structure interne du prototype de répartiteur avec un chauffage à induction unique dans les conditions de= 0 est grandement nécessaire.

D'après la figure 5, la trajectoire de l'encre dans le cas P3 est très distincte du cas P0, elle s'écoule d'abord vers la surface du bain avec l'eau chaude du canal (figure 5 (a)) à cause de la flottabilité thermique, puis s'accumule dans l'ensemble du répartiteur surface (figure 5 (b)), aucun flux de court-circuit ne se génère dans ce cas.Après cela, le flux chaud descend progressivement vers chaque sortie.Comme un long temps est parcouru de la surface au fond du répartiteur, le temps de séjour du liquide est considérablement augmenté.De plus, le flux chaud s'enfonce totalement, donc le volume mort de ce boîtier disparaît.

3.2PourIsotherme expérimental

Comme cela a été décrit dans la référence [8], lorsque le chauffage par induction du répartiteur fonctionne pendant une période de temps, la différence de température de l'acier fondu à l'intérieur et à l'extérieur du canal d'induction diminue jusqu'à disparaître.À ce moment-là, l'acier fondu dans le répartiteur deviendra un écoulement isotherme.De plus, l'opération de chauffage par induction est généralement utilisée pour certaines nuances d'acier spéciales telles que les aciers à roulement et à ressort pour une considération économique.Pour les nuances d'acier normales, la fonction de chauffage des canaux ne fonctionnera pas.Dans cette situation, le flux d'acier fondu à travers le canal est également isotherme.Par conséquent, pour l'optimisation structurelle d'un répartiteur avec chauffage par simple induction, l'expérience isotherme du modèle d'eau est nécessaire.

Sur la base des résultats du réchauffeur à double induction [8], le cas du réchauffeur à simple induction est conçu comme suit : le canal d'induction est défini comme horizontal et est élevé à 340 mm de la surface inférieure du répartiteur, les deux barrages chaque côté du répartiteur sont répartis symétriquement entre les sorties, dam1 est à la position 375mm à la sortie2, dam2 est à 240mm à la sortie3.Les hauteurs des barrages sont respectivement disposées en 0, 340, 420 et 500 mm, et le schéma expérimental est répertorié dans le tableau 3. Les paramètres caractéristiques du débit sont présentés dans le tableau 4, et leurs courbes RTD sont présentées dans la figure 6.

Table3.Schéma de l'expérience isotherme

Table4.Paramètres caractéristiques d'écoulement dans l'expérience isotherme

Figure 6Courbes RTD de l'expérience isotherme dans différents cas : (a)G1 ;(b)G2 ;(c)G3 ;(d)G4

D'après le tableau 4, le temps de séjour moyen du cas G1 est augmenté de 292 s et la fraction de zone morte est diminuée de moitié par rapport au cas P0, indiquant que l'élévation du canal d'induction est favorable à l'amélioration du champ d'écoulement.Cependant, le canal d'induction ne peut pas être trop haut en raison des limites de surface liquide du répartiteur et de l'acier de résidence.

En comparant les cas G2 à G4, le temps de séjour moyen s'allonge, et la fraction de zone morte et la concentration maximale diminuent avec l'augmentation de la hauteur du barrage, suggérant que le haut barrage est bénéfique pour l'optimisation du champ d'écoulement de ce répartiteur.C'est parce que le fluide s'écoule vers le haut plutôt que directement vers la sortie2 et la sortie6 à cause du guide du barrage haut.Dans cette situation, l'écoulement à courte circulation est éliminé.Les paramètres d'écoulement du cas G3 sont proches de ceux du cas G4, ainsi le cas G3 est considéré comme optimal, compte tenu de la production réelle et de la quantité d'acier résiduel.

D'après les courbes RTD de la figure 6, la différence entre les différents brins est relativement importante car l'ensemble de chauffage à induction unique rend le champ d'écoulement asymétrique des deux côtés de la chambre de décharge du répartiteur.

4. Conclusions

Les caractéristiques de débit d'un répartiteur de coulée innovant avec un réchauffeur à induction unique de type canal sont révélées par la méthode du modèle d'eau, basée sur les conditions de travail isothermes et non isothermes du répartiteur, et la conception optimale du contrôle du débit est mise en avant.Les conclusions suivantes sont tirées :

Dans la situation non isotherme, le fluide du canal de chauffage s'écoule directement vers la surface du liquide, ce qui est potentiellement favorable à l'élimination des inclusions non métalliques dans l'acier.Plus la différence de température à l'intérieur et à l'extérieur du canal de chauffage est grande, plus le débit ascendant est évident.Lorsque la différence de température atteint 10 °C, la zone morte du répartiteur est totalement éliminée, et le temps de séjour minimum du fluide et le temps de séjour moyen atteignent respectivement 353 s et 1067 s, beaucoup plus long que dans la condition d'absence de différence de température .

Dans la situation isotherme, l'élévation du canal d'induction et l'ensemble des doubles barrages en répartiteur peuvent réduire la fraction de zone morte, et le barrage haut a un avantage sur le barrage bas.La fraction de zone morte des cas G3 et G4 est réduite de 45,57 % dans le répartiteur prototype et de 54,58 % dans le cas P0 à moins de 16 %.Compte tenu de la hauteur de surface du liquide et de la quantité d'acier résiduel dans le répartiteur, le cas G3 (hauteur du canal d'admission 340 mm, hauteur des deux barrages 420 mm) peut être considéré comme le choix optimal pour une production réelle.

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