基于PIV技术的钢包临界卷渣行为水模型研究

基于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术,通过水模型研究临界卷渣条件下卷渣过程和钢包流场特征,解析临界卷渣从发生到结束的整个过程卷渣处流场速度的变化情况,并定量分析炉渣运动黏度对临界卷渣速度的影响.将临界卷渣速度的实验检测值与传统理论计算值进行比较和讨论.研究结果表明:临界卷渣过程从开始到结束可细分为八个不同阶段,卷渣处流场速度变化在这八个阶段中先增大后减小再增大;炉渣运动黏度对卷渣具有重要影响,炉渣运动黏度越大,临界气量和临界卷渣速度越大,并且临界卷渣速度与炉渣运动黏度的关系更具线性相关性.实验拟合得到炉渣运动黏度与临界卷渣速度的关系式.最后根据传统理论计算模型和实测结果提出实验条件下修正的临界卷渣速度表达式.      

连铸钢包浇注过程中旋涡的形成机理

连铸钢包浇注末期出现的旋涡卷渣现象会对连铸钢水质量产生重要的影响,为了有效控制生产中的旋涡卷渣现象,对钢包浇注末期旋涡的产生机理开展详细研究.依据相似原理,构建了相似比为1∶6的钢包物理模型,对钢包浇注过程中旋涡产生及卷渣过程进行研究,分析了初始液面高度、出水口尺寸与布置位置、出水口结构等因素对旋涡形成规律的影响.结果表明：旋涡形成过程与初始液面高度无关;钢包出水口尺寸和布置位置对于旋涡形成过程影响显著.随着出水口直径的增大,旋涡临界高度逐渐增加;随着偏心率的增加,旋涡临界高度逐渐降低,最佳偏心率为3/4.提出三片挡块式出水口结构,可以显著降低钢包浇注末期的旋涡临界高度,降低高度达50％左右.     

钢包卷渣临界底吹流量规律的水力学模拟研究

用水模拟钢水、油模拟钢渣,通过水力模型研究了底吹钢包中的临界卷渣流量.结果表明,临界卷渣流量随渣层厚度的增加而减小,随粘度的增加而增大,通过分析渣-钢界面的速度分布和能量平衡,对以临界流量作为卷渣发生的判定条件的准确性进行了检验.采用因次分析得到了底吹钢包临界卷渣流量的无因次表达式Qcr∝(Δρσ/ρ2s)0.35(μs/μm)0.3(Hs/Hm)-0.42,利用该表达式计算了实际钢包卷渣的临界流量,分析了影响因素,建议110 t钢包进行钢水弱搅拌净化操作时最大底吹流量为QN＝240 L/min.     

钢包底吹氩卷渣的模拟研究

根据相似原理用混合油模拟渣层、水模拟钢水,对100t精炼钢包建立了几何比例为1：3.5的水模拟试验,通过测试研究了不同底吹条件对钢包卷渣行为的影响,得到了各条件临界卷渣气量;采用软吹时,最好采用单孔工艺;当吹气量处于0.6L/min~6L/min（对应实际吹气量31.6L/min~242L/min）之间时,随着吹气量的增加,裸露区的直径也线性增加。     

100 t底吹氩钢包插入浸渍管对钢液流场影响的数值模拟

以100t单孔底吹氩钢包为原型,应用三维连续性方程、动量N-S方程及湍流κ-ε双方程模拟了底吹氩过程中钢包内的钢液流动状态。利用Mixture多相流模型对单孔吹氩（0~700 L/min）过程进行数值模拟,对比分析插入直径691.05 mm,深650 mmn浸渍管前后钢包内的流动状态和钢液表面的卷渣。结果表明,无浸渍管时,临界卷渣吹气量为102 L/min,插入浸渍管后,临界卷渣吹气量增大到217 L/min。插入浸渍圆筒可以在增加吹氩量的条件下提高钢液搅拌效果,加速钢液混匀。     

流体物理性质对乳化的影响

冶金过程中的卷渣现象是导致产品出现宏观夹杂物的主要来源，这也是在炼钢过程中应该控制炉渣乳化的主要原因。冶金过程中乳化的开始是实际具体问题以及所使用熔体性能的作用。本文主要研究了流体物理性能对乳化的影响，用水模完成了试验研究，采用油模拟炉渣、用水模拟熔体，测量了乳化需要的流体临界流动速度以及卷入的液滴直径。在不同的密度差、油粘度和界面张力条件下，研究了流体物理性能的作用，其能影响流体临界流动速度和卷入的液滴直径，油层厚度也各有不同。研究结果表明，增加密度差、油粘度、界面张力和油层厚度均可提高乳化需要的流体流动速度。卷入的油滴直径随着油粘度、界面张力和油层厚度的增加而增加。另一方面，油滴直径随着密度差的增加而减少。研究结果也表明能够采用无量纲准数作为评判乳化标准，但是，在无量纲准数中通常会缺少一些必要的变量，同时也将所研究的无量纲准数与实际钢包系统进行了比较。     

薄板坯连铸漏斗形结晶器内卷渣行为物理模拟

针对高拉速下薄板坯连铸结晶器内的液面卷渣问题，建立了1∶1水力学模型，采用水/真空泵油模拟钢/保护渣介质，研究了连铸拉速、水口插入深度、保护渣黏度对漏斗形结晶器内液渣层变化及卷渣行为的影响。结果表明，随着拉速提高，结晶器内液面波高升高，液面高度自窄边向水口方向逐渐降低，液渣层厚度相应由薄变厚，导致结晶器窄边附近钢液裸露；结晶器内窄边至水口之间1/2处波高变化较大、液面流速最大、易发生剪切卷渣。在试验条件下，采用增加水口插入深度、降低最高拉速、适当提高保护渣黏度等方法，使液面速度小于0.486 m/s的临界流速、液面波动指数F数小于5.45,可防止结晶器内产生剪切卷渣。然而，这些手段不能避免结晶器内水口附近的旋涡卷渣，这是因为薄板坯连铸钢通量大以及漏斗形结晶器和鸭嘴形水口容易形成负压旋涡造成的。     

单嘴精炼装置真空室内卷渣水模型研究

本文针对长城特殊厂单嘴精炼装置进行了真空室内加渣精炼的卷渣水模型研究。在试验的基础上，首先讨论了真空室内卷渣现象的工艺过程，然后进一步得出了临界吹气量的表达式。研究结果为工业性生产进一步提高钢的质量打下了基础。     

中间包内吹气与卷渣行为的水模拟研究

以某钢厂中间包为原型,建立与原型尺寸为1∶3的水模型,研究中间包采用气幕挡墙时,流体流动行为及钢渣卷混现象,考察吹气量和气体在流体中行程对钢渣界面的影响规律。研究表明:正常浇铸条件下避免钢液卷渣的临界吹气量在0.14 m3/h,中间包液面出现渣眼的临界吹氩量为0.10~0.12 m3/h,超过临界吹气量后,渣眼加速扩增。     

钢包底吹氩卷渣临界条件的水模型研究

以钢厂70t钢包为原型,建立模型与原型尺寸比为1:2.75的水模型。通过水模型实验对钢包临界卷渣吹氩量进行测量,得到临界卷渣气量是450 L/min。实验测量不同吹气量下钢包液面水平流速,分析水平流速与钢包卷渣的关系,得到钢包临界卷渣的液面流速为0.652m/s、韦伯准数为6.967。讨论了采用临界卷渣韦伯准数计算临界卷渣液面流速,通过测量达到临界卷渣液面流速时的吹氩量,来确定临界卷渣吹氩量的方法。     

Prediction model for steel/slag interfacial instability in continuous casting process

In a continuous casting process, mould powder is typically adopted to cover molten steel, which prevents liquid steel from oxidation by air, preserves heat for the top layer of liquid steel, lubricates the initial shell and so on. However, mould powder may deteriorate the quality of the final product if the entrapment of mould powder forms, which is usually caused by the instability of the steel/slag interface. In the current work, a model to predict the critical point of interfacial instability for liquid–liquid stratified flow was developed based on the Kelvin–Helmholtz instability. To prove the validity of the prediction model, a water model experiment was carried out in a rectangular container. In this experiment, oil and water were used to simulate slag and molten steel respectively. The results of the water model prove that the prediction model is correct. Applying the prediction model to a steel–slag system, the critical velocity of molten steel for mould powder entrapment is 0.463–0.541?m?s^??1. When considering the most severe chemical reaction, the critical velocity decreases to 0.29?m?s^??1. The lowest critical velocity of molten steel is 0.264?m?s^??1 when the viscosity of the slag and steel/slag interfacial tension is extremely low.     

浇注钢包环出钢口四孔透气塞吹氩控制下渣工艺北大核心CSCD

针对浇注钢包环出钢口四孔透气塞吹氩控制下渣工艺,建立了某钢厂130 t钢包三维DPM-VOF耦合数学模型以计算浇注钢包下渣过程,并通过冷态实验验证了该模型的有效性。利用该模型研究了不同偏心率对下渣行为的影响,揭示了该工艺控制下渣的行为规律,并分析了吹氩流量对控制下渣的影响。结果表明,随着偏心率的增大,不同浇注高度下的最大切向速度减小,汇流漩涡临界高度降低。环出钢口四孔透气塞吹入氩气后,气泡流股的汇聚有效地减弱了水口上方钢液的周向旋转速度,大幅降低了汇流漩涡下渣临界高度。4个气泡流股的气液两相流会抑制流向水口钢液的径向流动速度,由排流沉坑引起的下渣也得到明显抑制。随着吹氩流量的增加,下渣临界高度呈降低趋势。就本研究而言,控制下渣的最佳吹氩流量为30 L/min。     

上水口环形吹氩对中间包内渣眼形成的影响

 中间包上水口环形吹氩可以在塞棒周围形成清洗钢液的环形气幕，同时部分氩气泡随钢液进入上水口内，可以减少非金属夹杂物在水口内壁的黏附，起到防止水口堵塞的作用。然而，不合理的吹氩量会导致中间包内液面渣层受过强的气液羽流冲击而形成渣眼，使得钢液裸露并发生二次氧化，严重影响铸坯质量。采用标准 k ε 湍流模型研究中间包内流体流动，采用DPM模型和VOF模型耦合方法，研究上水口环形吹氩条件下渣眼的形成及演化规律。结果表明，上水口环形吹氩在塞棒周围形成较强的上升流，塞棒上部邻近区域存在多个涡流区；在钢液涡流的影响下，中间包液渣下层远离塞棒区域，上层向塞棒区域迁移；随着吹氩量的增大，平均湍动能增大，塞棒附近钢液速度逐渐增大，钢渣界面钢液速度先增大后减小，渣眼边缘钢液速度先增大后减小然后再增大，速度与垂直方向夹角逐渐减小；增大吹氩量，中间包熔池液面形成以塞棒为中心的渣眼，渣眼面积逐渐增大。试验条件下不产生渣眼的临界吹氩量为4.2 L/min，对应的钢渣界面最大速度为0.247 m/s，与垂直方向夹角为70°。     

CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3渣系脱磷行为

利用Factsage软件计算了Al2O3含量对CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3四元渣系熔点和黏度的影响,并通过实验研究了在1 400℃时,CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3四元渣系对高磷铁水脱磷行为的影响.结果表明:渣中Al2O3的质量分数在3％～6％之间时,随着A12O3含量的增加,渣系的熔化温度迅速降低,进一步增加渣中的A12O3含量,渣系的熔化温度逐渐增加;Al2O3对CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3渣系的黏度影响不大;渣中Al2O3的质量分数在3％～6％之间变化时,渣系脱磷能力变化不是很大,脱磷率维持在91％左右,进一步增加渣系中A12O3的量,脱磷率逐渐下降;Al2O3对脱磷率产生影响可能是其改变了炉渣中液相所占比例,进而影响磷从铁水中向液相渣的传质过程.     

连铸夹渣类缺陷的成因分析和控制措施

分析了产生冷轧板卷夹渣类缺陷的连铸工序因素。结果表明,150 t转炉-吹氩站-LF-CAS或RH-(900～1 020) mm×210 mm连铸流程生产低碳铝镇静钢时,水口插入深度130～155 mm时热轧板缺陷指数远低于水口插入深度125 mm和160 mm时缺陷指数;浇铸时钢包水口自开和烧氧打开钢中平均总氧含量T[O]分别为15×10^-6和25×10^-6;通过下渣检验仪控制钢包至中间包的下渣量,热轧夹渣类缺陷指数显著降低。通过控制中间包钢水量,改进中间包水口结构;优化浸入式水口插入深度,提高钢包自开率和下渣检测使用率,采用低钠结晶器保护渣,使热轧板夹渣翘皮指数由原先的3.45降到0.73。     

高温液态熔渣飞行及碰撞过程研究

对离心粒化后高温熔渣的飞行过程建立数学模型,通过Runge-Kutta方法对建立的数学模型进行离散求解。结果表明,熔渣液滴沿x方向飞行距离与液滴直径和初始速度成正比;由于空气绕流阻力和重力作用,熔渣液滴速度先降低后增加。对熔渣液滴撞壁后过剩反弹能进行分析,获得了熔渣液滴的临界撞击速度。结果表明,临界撞击速度为区间,存在上界和下界,且上界和下界同时随直径增加而降低。对初始速度为10、12和14 m·s?1三种粒化工况进行实验,结果表明,由于熔渣液滴从粒化盘抛出时速度小于粒化盘边缘线速度,熔渣液滴实际下降距离大于其理论值;三种工况下熔渣液滴撞击速度在临界撞击速度区间内,均未产生粘结。