资源描述
钢包浇注过程的实验与数值分析 . ,1, ,2, . ,3, ,4, , ,5, . ,6. A 工业研究中心 50， 2804 坎帕纳，阿根廷 B 多孔介质集团，工程学校，布宜诺斯艾利斯大学， 50， 1063，布宜诺斯艾利斯，阿根廷 1 要 连铸过程中，钢水倒入钢包到中间包通过一个设在钢包底部的喷嘴。然而这个过程中，必须先停止钢包，使钢包完全清空，避免携 带的残渣。钢的用量在钢包中通常是很大的，使钢铁厂研究不同的方法来提高其过程。 在目前的工作中，用于水模型和数值模拟实验研究分析旋涡的形成和影响几何尺寸所需的条件及浪费钢量的流动参数。 实验和数值结果导致的结论是，没有旋涡的形成预计将发生在工业条件下钢包引流。 1 引言 在连铸过程中，钢水倒入钢包到中间包通过位于钢包底偏心位置的喷嘴。钢包是一个容器，一般为圆柱形状，直径 2约 3m。它包含钢液 100 至 200吨，其中通过 5/10径的喷嘴排出。在钢包内由渣层（厚度 5 20等）覆盖钢水 防止空气接触氧化。由于排水过程的持续，接口分开的渣钢，最终对排水喷嘴采用了一个偏转“漏斗”的形式。漏斗的形成，导致渣从钢包转到中间包。排水停止时，首先检测渣在喷嘴的痕迹，留下了未检倒出的大量的钢（ 3吨）在钢包。对漏斗形成的影响进行了一些研究分析 1般是根据水代替钢水进行物理模型实验的。在这些实验中，是从平放的圆柱形或方形容器中排水来研究不同喷嘴直径（ 8偏心率（ 下方的流体动力学的现象也是根据文献 8分析的，根据文献 1知不同的机制可能会导致变形的钢表面形成漩涡槽 或排水槽。漩涡的特点是钢包底附近的喷嘴形成高的切向速度（参见图 1 和图 2 左方案），可以在钢包底开发甚至采用高列喷嘴。漩涡的形成可以使管道中的流体具有重要的初步切向速度特别是以排放喷嘴为中心。钢包中的液体量到达喷嘴产生漩涡取决于最初的旋转速度和喷嘴偏心率。 另一方面，排水池的特点是径向流动（图 1 和图 2 右方案），浇铸过程发展的最后阶段，少量钢液停留在钢包。排水池始终是目前在该进程的结束和不依赖于以往形成的一个漩涡。左侧钢包钢液注急剧增加时，形成的排水槽约等于喷嘴的直径。在喷嘴排水槽急剧增加与漩涡冲突时，导致产生重 大比例的钢渣 1,4,6。 考虑到的这些因素可以在文献中找到，由此看来由于喷嘴偏心，没有首选旋转方向的情况下，漩涡在这种条件下是不会发生的。通常钢的数量由于降级发生炉渣转结是符合这一假设的。 在这项工作中，我们首先介绍水模型实验部分，第 2 节进行确认最后一个假设，估计在实际铸造中形成漩涡的概率。在第 3 节，我们用目前的数值模拟工业钢包引流过程，重点分析排水槽的形成和钢包底几何形状的可能影响。实验分析和数值计算结果在 4 节和 5 节中的结论提出。 2. 水模型实验 在布宜诺斯艾利斯大学工程学院， 行了水模型实验，实验装置采用的是在排水过程中流动的水（图 3）。一个圆柱形容器的直径D=20部分填充水到一个恒定高度 ，通过位于两侧的两个切管到容器的底部，切管距离容器壁 1种填充方式提供了流体切向必要的速度，促使形成涡流。水是通过直径 度 0位于容器底部的喷嘴，并以 距离为中心。 一旦灌装过程结束，速度场会随时间衰减直到液体保持静止。因此，我们可以选择初始速度场的等待时间 这时间内填充结束和开始排水。我们假设该流场基本上是切向速度和轴是对 称的，在特有的初始流量的条件下通过量化 定义为在自由表面最大的初始切向速度。 一旦喷嘴是开放的，大规模的水会流动，被收集在一个容器，它的重量是作为检测时间函数的一个精密标准。用这种方法得到喷嘴的输出的流量 Q = dm/ 临界高度 义为钢包中的水与空气在喷嘴发生冲突时的水平高度，分析了喷嘴的偏心率 =2D 和初始的切向速度。 图 4a 显示的是，通过喷嘴提出了时间演化流动率 Q 的一个实例。图中对应的排水系统的 11= 0 和最初的切向速度 , s。我们可以看出初始流量 32g/s，平稳地随时间直到 t = 28 s。观察几秒钟后，在这一时期自由表面的流体几乎仍然持平，除了喷嘴轴线附近形成一个自由表面凹陷（或压痕）。从伯努利定律发现理论计算流动速率法，实验数据显示在这个阶段排水过程中符合很粘的性质。 流量急剧下降，在 28s 时表明旋涡开始下沉。当临界高度 ，排出的水的比例大约 22%。同时，自由表面凹陷演变向下形成一个漩涡漏斗，通过输出产生的空气留在喷嘴。 由于波动的空气存在于喷嘴中，所以流量的平均值减小。在最后一部分排水 ，t 190s 时观察到漏斗消失：剩余的循环不足以维持漩涡槽与自由表面的流体变平，这一现象发生在 H 嘴再次注满了水，流量突然增加，突然在几秒内产生显著的排水系统。然后，排水发生在 t=198s。 图 4b 的例子是相同的条件下考虑以往的案例以较低的初始切向速度（更长的等待时间）。在这种情况下，初始循环没有大到足以产生涡流，钢包水渠与自由表面几乎持平直到 t=109s 时发生漏水槽，排出水的比例大约是 85%。 我们在类似的条件下进行实验，分析喷嘴偏心的影响，但在图 4a（ 1厘米，大的初始切向速度）的喷嘴有两 种不同的值的偏心率： = = 图 4c 证明当 =，就可以看出一个漩涡在 t=96s 时发生，临界高度 =水的比例是 86%。对于 =，流速的变化和图 4 所示是相似的，也就是说，尽管最初的流量是相当大的也不能观察到涡流。此外，当 H ，在排水系统最后的时间里排水槽出现。 图 5 给出了在临界高度 一个完整的结果，矢量量化了一个函数的初始切向速度 =0（圆）， =三角形）， =方形）。在以往的研究基础上 1们发现了喷嘴偏心延缓了漩涡的形成甚至抑制 它的最大值。因此，对于最大的离心率 =何一个考虑矢量量化值都不能观察到涡流。更详细的分析表明这些实验在其他地方也能被发现 15。 为了联系起来， 用量纲分析结果只显示一个典型全面钢水排水 8。他们得出的结论是，无量纲临界高度 0 只取决于两个流体力学参数：定义为雷诺兹数 0/v（ 最初的输出速度， v 是运动的流体粘度）和涡流数 ()。有人认为 6， 8，无论是在物理模型还是在实际铸造中达到的非常大的雷诺兹数与涡流没有关系。因此 ，涡流数成为关键的参数，建立相似准则。 图 5 中已经发现，当 =甚至 达到 10cm/s 都没有形成涡流。因此，钢包中用一个类似的偏心喷嘴， D = 200 300 10 必要的涡水槽出现时最初的切向速度应该超过 60cm/s。假设在实际操作的装罐过程中有这么大可能性的初始切向速度，可以得出结论是，一个典型的满刻度刚睡排水中没有涡槽。 考虑到以前的讨论，在下一节中，我们提出了一个完整的排水下沉现象的集中数值模拟。 3、数值计算结果 工业研究中心部门用数值来进行模拟 钢包的排水系统是以有限元模型来计算不能压缩的紊流将其程序化 16，代码在阴影部分 17。采用等参立体元素对速度场用线性插值的方法，而对压力采用恒定插值方法。这种不可压缩性的约束使惩罚强加在上面 18，用虚拟的浓度技术用来分析钢表面 19 ，这些研究方法已经被成功的运用到分析连续铸造机的钢流上面 20 在这个部分中我们对钢包得出两个不同几何数值结果。 首先，我们考虑给钢包的排水系统采用一个椭圆形的横截面，地面采用 放锥高达 283嘴的直径 图 6a 中， 我们展示了部分的模拟域，不久之后液态钢（密度： 度： 入喷嘴的自由表面（在这种情况下熔渣层没有模拟）的部分是灰色的。钢包的横截面尺寸如图 6b 所示。 然后我们假设一个圆柱钢包的倾斜度为 5，如图 7 。排放锥的高度 250径 6这种情况下一个渣层 (密度 :度 :2 g 包括在该模型。 在两个钢包附近的喷嘴的偏心率 为在上一节只分析漏水槽形成的初始条件，所以被认为无切向速度。钢包壁的功能作为边界条件 和从设备报告大量出现的实际流率而决定在喷嘴出口处固定的速率场。 我们对两个量级的演化比较感兴趣：“漏斗”的高度 钢柱”的高度 斗的高度是从钢包地板到钢表面仅仅超过了喷嘴的距离。钢柱的高度是从钢包底板至钢表面在喷嘴附近平坦的地方 (也就是说，这个地方的表面不是畸形的是由于水槽的存在 )，这些量级如图 8 所示。 随时间的演化漏斗（灰线）和钢柱（黑线）的高度均标绘在图 9 和图 10 分析的情况中，目的是在紧急时刻将钢包充满。两图中的直线所代表的高度等于喷嘴的直径 漏斗的高度从钢包底板测量出来以后，当钢 表面延伸到排放锥时它将变成负值。然而，我们关注的部分是闯入喷嘴钢表面的部分。对于第一钢包，当灰色曲线达到一个值 283放锥的深度）时将发生那个椭圆形截面进入喷嘴钢表面。当灰色曲线到达 250个值时，对于钢包将重现圆形截面将进入喷嘴表面。尽管是不同的钢包和不同尺寸的排放锥，当 达一个临界的高度 当黑色曲线线接近图上直线时），这两种情况的进入将会发生。 4、结果分析 一般情况下钢包浇铸的条件是固定的，没有任何一个钢包在浇铸时是旋转的，所以在钢包引流开始时没有显着的剩余切线速度这个 假设是相当合理的。除此之外，喷嘴在工业钢包上是及其重要的，水模型实验的结果表明在这种情况之下涡流是不会形成和发生的。在钢包的浇铸期间缺少涡流就会导致钢铁在钢铁厂的生产数量下降 22，否则就会浪费大量的钢铁。 当发生涡流缺少的问题，在工业条件下像机器一样下排水槽出现堵塞，在这个原因上，临界条件的值近似等于排气出口的直径，再一次证明这个结论不仅是取自于文献资料而且在实验和模拟的仿真上也得到了验证。 数值结果表明，临界高度不会受到钢包倾斜度的影响，然而在钢包中剩余的大量的残渣会随着钢板倾斜角度而急剧减少。从几何学的 方面考虑，当钢板按照水平（倾斜角 =0）方向随着残渣钢铁的流出倾斜角度时，我们就可以计算出给定的从钢包中流出的残渣钢铁的量。图 11 显示不同钢铁长的工业钢包。 从图可以看出，随着钢包从 0倾斜到 2，被浪费的钢铁的量急剧减少。此时，当钢包没有倾斜时，留在钢包内的钢铁数量大约是流出的 40%。当倾斜度从 2增加到 5的过程仍然是收集钢铁非常重要的过程，但是倾斜度的曲线下降了，最终曲线显示，当倾斜度大于 5时，没有很好的办法去获得。 值得注意的是，这些结果仅仅在钢包倾斜时才有效。通过几次加热，钢包会明显的变形，这 时钢铁的量就会下降。 5、结论 从实验和数值的角度对钢包引流过程进行了分析。通过对水模型进行试验分析，得出了漩涡的形成条件。通过有限元素法对不同工业钢铁内部的涡流进行了建模和数值分析。 跟参考文献 1， 7 的结果一致，实验分析表明，高度偏心的喷嘴位置，在排水过程中是没有旋涡的，这样，工业条件下只会因为漏水槽的形成而形成残渣。 实验和数值分析表明，排水槽发生时，在钢包钢柱高度约等于喷嘴直径。这一结果是与其他文献 1， 4， 6 分析的水平钢包的地板板的结果是一致的。 偏心喷嘴不同截面的钢包上的计算结果表明，临界高度不仅取 决于喷嘴直径而且不依赖于钢板的水平角度。因此，残留在盛钢桶内的钢量急剧减少使得钢包倾斜 2至 5。 鸣谢 这项研究的经费是由 明， 尼古拉斯（阿根廷）， 尔达斯港（委内瑞拉）和泰纳瑞斯集团公司（ ，意大利，阿根廷和 西哥）。 参考文献 1. 铁研究 , 1994, 65, 8 2. 源科技技术讨论会议程 . 发展钢包炼钢业和连铸 , 安大略 , 1990, 66 3. 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G. . 817/01, 阿根廷 , 2001. 图 1 图 2 图 3 图 4 图 5 图 6 图 7 图 8 图 9 图 10 图 11 图片说明： 图 1、流动模式的计划，并简化为一个漩涡 槽（左）和排水槽（右）。 图 2，由于漩涡槽（左）和排水槽（右）的形成表面变形的图 图 3，圆柱钢包的水模型 图 4，流量 Q，由于时间的因素钢包引流（ a） =0，大的 b） =0，小的 c） =的 图 5，临界高度 根据一个初始切向速度 对不同偏心率的喷嘴 ，圆， =0；倒三角形， =方形， = 图 6，椭圆形钢包与地面的倾斜度为 （ a）数值领域（ b） 钢包尺寸。 图 7，圆柱形钢包与地面的倾斜度为 5。（ a）数值领域（ b） 钢包尺寸。 图 8，漏斗（灰色 的箭头）和钢柱（黑色的箭头）高度。 图 9，椭圆形钢包，时间演化的漏斗（灰色曲线）和钢柱（黑色曲线）的高度。 图 10，圆柱形钢包，时间演化的漏斗（灰色曲线）和钢柱（黑色曲线）的高度。 图 11，钢包在地板上的倾斜角度得到一个函数值，从几何角度考虑的到理论值。
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