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摘要：本文是以原有的驱流器为研究对象，利用自动输送技术与气体驱动技术，设计改进的一个高效气动驱流器，它能防止连铸结晶器保护渣自动加渣时管路物料的脉冲和反冲现象，减少了出口处扬尘和对环境的污染，并且提高了驱流器的驱流能力。
关键词：气动 高效 驱流器
1 概述
连铸结晶器保护渣是连铸生产过程中必不可少的材料之一。在浇注過程中保护渣给料是否均匀和是否符合炼钢工艺要求，直接影响着钢坯质量和结晶器的寿命。但是目前的保护渣给料多数是由人工完成，往往由于人为因素带来加料不均匀、渣料浪费严重、粉尘严重污染环境等弊端，同时稍有疏忽就可能造成结晶器损坏和影响钢坯质量，造成了企业的损失。连铸结晶器保护渣自动给料[1]机
实现了由自动加料代替了人工加料，能满足连铸工艺的
要求，达到了稳定钢坯的质量，安全可靠和洁净环境的目的[2][3]。
在该给料装置中，是通过气动驱流器来把物料通过管路输送到结晶器表面的，工作原理如图1所示，但该驱流器在使用时，由于管路阻力随工况的不同一直变化，导致保护渣在属性过程管路中产生脉冲，甚至发生反冲现象；使得出料口有扬尘，并且驱流能力不高。基于这些问题，本文对该驱流器的关键部位喷嘴进行改进设计。
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图1 驱流器工作原理示意图
2 拉瓦尔喷嘴的设计
原驱流器喷嘴为一个压缩管，为提高进气速度和压力，将喷嘴由压缩管改成拉瓦尔喷嘴的形式，使在一开始就得到一个比较理想的气体速度和压力。拉瓦尔喷嘴是一个收缩—扩张型喷嘴。通过此喷嘴能够使具有一定压力及较低速度的气体产生超音速流[4]，如图2所示拉瓦尔喷嘴的结构示意图。
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图2 拉瓦尔喷嘴结构示意图
用一维等熵流动来研究其内部流动[5][6]。由一维恒定等熵流动的基本方程组可以得出喷管内表面直径的变化规律：d=dc×■（1）
A=Ac×■■+[1+■M■（x）]■（2）
式中：dc，Ac——喉口直径，截面积；d，A——任意截面的直径，截面积；M（x）——任意截面的马赫数；γ——绝热指数，空气一般取1.4。
2.1 收缩段的设计
收缩段的作用是将气流从低速即小于马赫数加速到音速即马赫数左右。因为收缩段的初始部分气流速度比较低，所以从恒截面的中心管到收缩段必然有个过渡。按理想从恒截面的中心管到圆锥形收缩段应当逐渐过渡，然而假定锥角不太大，来流马赫数又比较低，则实际上收缩段可以与恒截面的中心管相交。交接处要圆滑一些，避免喷头内应力集中，使气流平缓。
2.1.1 收缩段长度l2
由经验，一般取l2=（0.5-1）d1。
2.1.2 收缩段壁面设计
采用维托辛斯基曲线[7]设计拉伐尔喷管收缩段：
d=■ （3）
式中：d——收缩段任意截面直径；d1——进口截面直径；dc——喉口截面直径；l2——收缩段长度；x——任意截面到进口截面的长度。
2.2 喉部的设计
理论上讲，只要喉口上部和下部的截面积变化足够平缓，喉口的长度可以为零，但是这样的喷头难于制作。为了方便收缩段与扩张段的加工，喉口应有一定的长度。一般恒截面喉口的长度不超过喉口直径。因为随喉口长度增大，喉口有效截面积减少，反而会造成喷出系数减少。
2.2.1 喉口直径dc
dc可以由公式（1）代入进口截面参数M（1）求得，则：
dc=d1×
（■）-1（4）
2.2.2 喉口长度lC
由经验可知，lC一般不大于喉口直径，取lC=0.8dc。
2.3 扩张段的设计
2.3.1 出口截面直径d2
由公式（1）代入出口截面的M（2）和喉口直径dc可得：
d2=
dc×■（5）
2.3.2 扩张段长度l3
扩张段的长度一般由经验公式得到：l3=■（6）
式中：θ——扩张角度，一般取（5°～6°）。
2.3.3 扩张段曲面设计
传统的设计方法有特征线法，Foelsch法以及lao设计方法。但在实际加工中均存在很大困难，所以一般是采用做一个弧度为0.5的弧线来代替。本次设计也是采用做一个弧度为0.5的弧线来代替。
2.4 稳定段的设计
稳定段又称为安定段，其目的是使进入喷嘴的气流均匀或降低紊流度，稳定段的长度理论上是喉口直径的10倍左右，即l1=10dc，直径即为进口直径d1。
3 工作分析
改进后的驱流器由拉瓦尔喷嘴，吸入室，收缩室、扩压室以及压力控制阀组成。工作气体经过拉瓦尔喷嘴变成超音速气流而喷射到吸入室内，使吸入室处于负压状态，抽吸保护渣；工作气体和保护渣在吸入室里相互混合并进行动量和能量的交换，气体速度降低，保护渣流速增加；在扩压段速度下降，压力增加，直到扩压室的出口处。在这过程中，工作气体通过拉瓦尔喷嘴将压力能转变成动能进行抽吸保护渣，在吸入式混合，混合物料流通过扩压器又将动能转变成压力能从而实现物料的输送。
4 小结
改进后的驱流器在使用时大大减少了由于管路阻力随工况的不同一直变化产生的脉冲和反冲现象；减少了出料口的扬尘，改善了保护渣对环境的污染；解决了原驱流器驱流能力不高的缺点，提高了连铸结晶器保护渣自动给料的效率和钢坯的质量，满足了使用的要求。
参考文献：
[1]梅金波，叶俊辉，朱萃汉等.连铸结晶器保护渣自动给料机的开发与应用[J].钢铁，2004.
[2]陈宏郧主编.管道物料输送与工程应用[M].化学工业出版社，2003.
[3]华建社主编.传输原理.西北工业大学出版社[M].2005.
[4]朱俊华主编.射流泵及其它类型泵.北京机械工业出版社[M].1982.
[5]吴子牛主编.空气动力学[M].清华大学出版社.2007.
[6]易中，吴萱，周丽珍.低速空气动力学[M].冶金工业出版社.2005.
[7]张也影主编.流体力学.高等教育出版社[M].1986.
作者简介：吴丽华（1982-），女，山东青岛人，助理讲师，从事机械专业的教学与科研工作。
关键词：气动 高效 驱流器
1 概述
连铸结晶器保护渣是连铸生产过程中必不可少的材料之一。在浇注過程中保护渣给料是否均匀和是否符合炼钢工艺要求，直接影响着钢坯质量和结晶器的寿命。但是目前的保护渣给料多数是由人工完成，往往由于人为因素带来加料不均匀、渣料浪费严重、粉尘严重污染环境等弊端，同时稍有疏忽就可能造成结晶器损坏和影响钢坯质量，造成了企业的损失。连铸结晶器保护渣自动给料[1]机
实现了由自动加料代替了人工加料，能满足连铸工艺的
要求，达到了稳定钢坯的质量，安全可靠和洁净环境的目的[2][3]。
在该给料装置中，是通过气动驱流器来把物料通过管路输送到结晶器表面的，工作原理如图1所示，但该驱流器在使用时，由于管路阻力随工况的不同一直变化，导致保护渣在属性过程管路中产生脉冲，甚至发生反冲现象；使得出料口有扬尘，并且驱流能力不高。基于这些问题，本文对该驱流器的关键部位喷嘴进行改进设计。
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图1 驱流器工作原理示意图
2 拉瓦尔喷嘴的设计
原驱流器喷嘴为一个压缩管，为提高进气速度和压力，将喷嘴由压缩管改成拉瓦尔喷嘴的形式，使在一开始就得到一个比较理想的气体速度和压力。拉瓦尔喷嘴是一个收缩—扩张型喷嘴。通过此喷嘴能够使具有一定压力及较低速度的气体产生超音速流[4]，如图2所示拉瓦尔喷嘴的结构示意图。
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图2 拉瓦尔喷嘴结构示意图
用一维等熵流动来研究其内部流动[5][6]。由一维恒定等熵流动的基本方程组可以得出喷管内表面直径的变化规律：d=dc×■（1）
A=Ac×■■+[1+■M■（x）]■（2）
式中：dc，Ac——喉口直径，截面积；d，A——任意截面的直径，截面积；M（x）——任意截面的马赫数；γ——绝热指数，空气一般取1.4。
2.1 收缩段的设计
收缩段的作用是将气流从低速即小于马赫数加速到音速即马赫数左右。因为收缩段的初始部分气流速度比较低，所以从恒截面的中心管到收缩段必然有个过渡。按理想从恒截面的中心管到圆锥形收缩段应当逐渐过渡，然而假定锥角不太大，来流马赫数又比较低，则实际上收缩段可以与恒截面的中心管相交。交接处要圆滑一些，避免喷头内应力集中，使气流平缓。
2.1.1 收缩段长度l2
由经验，一般取l2=（0.5-1）d1。
2.1.2 收缩段壁面设计
采用维托辛斯基曲线[7]设计拉伐尔喷管收缩段：
d=■ （3）
式中：d——收缩段任意截面直径；d1——进口截面直径；dc——喉口截面直径；l2——收缩段长度；x——任意截面到进口截面的长度。
2.2 喉部的设计
理论上讲，只要喉口上部和下部的截面积变化足够平缓，喉口的长度可以为零，但是这样的喷头难于制作。为了方便收缩段与扩张段的加工，喉口应有一定的长度。一般恒截面喉口的长度不超过喉口直径。因为随喉口长度增大，喉口有效截面积减少，反而会造成喷出系数减少。
2.2.1 喉口直径dc
dc可以由公式（1）代入进口截面参数M（1）求得，则：
dc=d1×
（■）-1（4）
2.2.2 喉口长度lC
由经验可知，lC一般不大于喉口直径，取lC=0.8dc。
2.3 扩张段的设计
2.3.1 出口截面直径d2
由公式（1）代入出口截面的M（2）和喉口直径dc可得：
d2=
dc×■（5）
2.3.2 扩张段长度l3
扩张段的长度一般由经验公式得到：l3=■（6）
式中：θ——扩张角度，一般取（5°～6°）。
2.3.3 扩张段曲面设计
传统的设计方法有特征线法，Foelsch法以及lao设计方法。但在实际加工中均存在很大困难，所以一般是采用做一个弧度为0.5的弧线来代替。本次设计也是采用做一个弧度为0.5的弧线来代替。
2.4 稳定段的设计
稳定段又称为安定段，其目的是使进入喷嘴的气流均匀或降低紊流度，稳定段的长度理论上是喉口直径的10倍左右，即l1=10dc，直径即为进口直径d1。
3 工作分析
改进后的驱流器由拉瓦尔喷嘴，吸入室，收缩室、扩压室以及压力控制阀组成。工作气体经过拉瓦尔喷嘴变成超音速气流而喷射到吸入室内，使吸入室处于负压状态，抽吸保护渣；工作气体和保护渣在吸入室里相互混合并进行动量和能量的交换，气体速度降低，保护渣流速增加；在扩压段速度下降，压力增加，直到扩压室的出口处。在这过程中，工作气体通过拉瓦尔喷嘴将压力能转变成动能进行抽吸保护渣，在吸入式混合，混合物料流通过扩压器又将动能转变成压力能从而实现物料的输送。
4 小结
改进后的驱流器在使用时大大减少了由于管路阻力随工况的不同一直变化产生的脉冲和反冲现象；减少了出料口的扬尘，改善了保护渣对环境的污染；解决了原驱流器驱流能力不高的缺点，提高了连铸结晶器保护渣自动给料的效率和钢坯的质量，满足了使用的要求。
参考文献：
[1]梅金波，叶俊辉，朱萃汉等.连铸结晶器保护渣自动给料机的开发与应用[J].钢铁，2004.
[2]陈宏郧主编.管道物料输送与工程应用[M].化学工业出版社，2003.
[3]华建社主编.传输原理.西北工业大学出版社[M].2005.
[4]朱俊华主编.射流泵及其它类型泵.北京机械工业出版社[M].1982.
[5]吴子牛主编.空气动力学[M].清华大学出版社.2007.
[6]易中，吴萱，周丽珍.低速空气动力学[M].冶金工业出版社.2005.
[7]张也影主编.流体力学.高等教育出版社[M].1986.
作者简介：吴丽华（1982-），女，山东青岛人，助理讲师，从事机械专业的教学与科研工作。