板坯连铸机滑动水口出流特征的数学模拟(Ⅰ)

针对板坯水口出流的偏流等问题,用Fluent软件对板坯连铸滑动水口的出流特征进行研究,比较分析了滑板开启率、水口滑板以下区段的长度、水口出口角度和水口底部结构对水口出流偏流现象的影响.结果显示,随着滑板开启率增大及滑板以下段水口长度增加,水口出流的偏流率逐渐降低;凸底结构的水口可获得偏流率较小的出流;水口出口倾角在30°时偏流率较小;水口入口流量对偏流率无明显影响.     

板坯连铸非对称操作工艺对结晶器液面涡流的影响

利用水模拟研究了连铸操作工艺对板坯结晶器液面涡流的影响规律,分析了各参数对液面涡流的影响. 结果表明,形成涡流的原因是表面流的湍动性造成的水口两侧表面流动量不对称和操作工艺导致的水口两侧表面流不对称. 相同拉速下,液面涡流在滑板全开启时出现的次数较不全开启时减少7~9次/min;增加水口滑板下方浇管长度对调整滑板不全开启时浇管内的液流流态有利,但对降低液面涡流出现的频度效果有限;当水口出口部分堵塞时,涡流出现的频度迅速上升,滑板开启40%和60%时,单侧出口堵塞70%时的液面涡流频率是未堵塞时的2.2和2.9倍.     

连铸板坯滑动水口三维流场湍流计算模型比较

分别采用标准k-e模型、雷诺应力模型(RSM)和超声波多普勒测速(UDV)方法对滑板控制浇注流量浸入式水口内部和出口流动特征进行对比分析,并探讨湍流模型对滑板浇注系统数值模拟的适用性. 结果表明,由于滑板的节流作用,在滑板下方的水口内出现高度约为80 mm的二次流,在滑板下方100 mm处出现高度为50 mm的分离流,并在水口出口出现旋转出流,其方向由滑板堵塞侧、经水口底部向滑板开启侧旋转. 标准k-e模型计算的水口出流的旋转方向与UDV测量的旋转方向相反,RSM计算结果与实验测量结果比较吻合,具有更好的适用性. 并从分子动力理论角度、各向同性假设和历史效应等方面,分析了标准k-e模型存在的理论缺陷.     

宽板坯连铸结晶器流场的水模拟研究

采用水模拟试验,研究了宽板坯用浸入式水口的出口面积比(分别为1.2、1.5、1.8、2.1)和出口倾角(分别为0°、15°、30°)对结晶器内流场和表面波动的影响.结果表明:(1)水口出口面积比对射流在结晶器窄壁的冲击强弱影响显著,随出口面积比变大,对窄壁的冲击逐渐减弱;液面波动随水口出口面积比变大而减弱.(2)水口出口倾角对上回流强弱影响显著,随水口出口倾角变大,上回流主涡旋强度逐渐减弱,当出口倾角为向下30°时,上回流大涡旋消失;液面波动随水口倾角变大而显著减弱.(3)综合分析后认为,水口出口面积比为1.8,出口倾角为0°时,液面较活跃,且下涡心位置较高,有利于钢液中夹杂物上浮及凝固壳的生长.     

常见的钢包滑动水口漏钢原因分析及改进措施

在对滑动水口常见的3种漏钢原因分析的基础上,采取措施改进滑动机构的结构,提高滑板砖的质量,规范相应的操作方法,使上水口砖与上滑板砖之间的漏钢率降低为零,滑板砖之间的漏钢由原来的0.05%降低至0.02%以下,避免了下滑板砖与下水口砖之间的漏钢,滑板砖的平均安全连浇炉数由2炉上升到2.7炉.     

板坯结晶器内钢液非均匀流的数值模拟

利用Fluent软件,对板坯连铸结晶器内钢液流态进行数值模拟,研究了拉速对结晶器中随机偏流的影响.结果显示,拉速的改变会明显改变结晶器流场,拉速越大,水口出流,左右两侧出流越趋于不均匀,其两边液面回流的流速和流量偏差越大,自由液面波动加剧,易在水口浇管周围出现漩涡.     

连铸结晶器漩涡现象的物理模拟

利用物理模型考察了操作参数对结晶器内漩涡产生频率的影响. 结果表明: 漩涡呈单个或成对形式在水口一侧间歇性出现,是由于两个相向表面流相互剪切而形成的;漩涡的出现频率随拉速的增加而增加,随水口浸入深度的增加而减小,随水口张角的减小而增大;通过改进水口设计可以阻止漩涡的形成.     

水口出口结构对大方坯连铸结晶器内流体流动的影响

基于相似理论,采用0.6:1的缩小水模型研究了采用不同出口结构的水口浇注时连铸大方坯结晶器内钢液、液渣以及气泡的运动行为.结果表明,使用直通型水口浇注时,液面波动较小,液渣层分布均匀,气泡和流股的冲击深度较深,气泡上浮困难,不宜采用吹氩工艺;使用双侧孔水口浇注时,液面波动合理,液渣分布较均匀,流股及气泡冲击深度较浅,流股冲击深度较直通型水口小30 mm左右:采用四侧孔水口浇注时,液面波动均匀,液渣分布均匀且活跃,气泡和流股冲击深度很浅,气泡容易上浮,四侧孔水口适用于浇注内部质量要求较高的钢种.     

薄板坯连铸浸入式水口结构数值模拟

使用有限元计算方法开展薄板坯连铸浸入式水口流场的研究 ,分别对水口不同浸入深度的流场分布、水口出口不同角度的流场分布进行计算。结果发现 :水口的浸入深度在 30 0mm时较为合理 ;水口的出口角度以R1 5、60°、45°为宜     

出口结构对水口与流体之间相互作用的影响

作为功能耐火材料的连铸用浸入式水口使用条件苛刻,不仅要经受钢液、保化渣的侵蚀,而且受到高温流体的冲击.为了研究高温状态下水口的应力状态,本文通过流固耦合技术,采用有限元计算了流体与具有不同结构的浸入式水口之间的作用,结果表明:(1)具有梯形出口的水口内壁上角点速度最大,而且出现明显尖峰,该处的边缘曲线出现拐点,造成速度的突变,应力增大.(2)半圆形出口与梯形出口相比,速度峰值变化缓慢,高峰值速度区增加,建议水口结构设计时采用平滑过渡出口,减少附加惯性应力,增加产品使用的可靠性.     

板坯连铸电磁制动下结晶器内金属流场的研究

以水银为实验工质,通过物理模拟实验研究电磁制动下,板坯结晶器内钢水流动规律. 实验通过超声多普勒测速仪获取不同电磁制动方式[单条型电磁制动(EMBr-Ruler)和流动控制结晶器(FC Mold)]、水口浸入深度和结晶器宽度下的液流特征. 结果表明,在EMBr-Ruler或FC Mold II电磁制动下,结晶器窄壁处形成"液流通道",不利于结晶器内快速形成向下的活塞流. 水口出口距下区磁场越近或被磁场所覆盖,则通道效应减弱; 结晶器宽度增大,亦可降低该通道内液流的冲击效果. FC Mold II下,液面流速和湍流度比EMBr-Ruler时低[液面水平流速最大值分别为0.155 (Case 1)和0.134 m/s (Case 2)],且加大水口浸入深度,可降低液流撞击结晶器窄壁的水平流速[其最大值0.071 (Case 2)和0.068 m/s (Case 3)]. 结晶器宽度的变化不改变水口浸入深度对结晶器流场的影响规律.     

复合结构长水口热应力有限元分析

为解决免预热长水口的破裂问题,在其内孔复合了低导热率隔热层,并对其热应力进行了研究.首先通过对结构和边界条件的简化,建立了长水口的二维轴对称模型,然后采用有限单元法研究了隔热层厚度及材料热导率对其热应力的影响.结果表明:无隔热层长水口所受热应力在浇钢初期变化剧烈,这是造成其破损的重要原因.隔热层可大幅度降低此热应力且使之变化平缓,但其厚度不宜超过2 mm.隔热层厚度保持为2 mm时,长水口颈部最大热应力随其导热系数的减小呈抛物线规律下降.长水口本体导热系数在10～30W/(m·K)之间变化时,对无隔热层长水口颈部最大热应力基本没有影响;但复合结构长水口颈部最大热应力随导热系数的增加呈对数关系下降.将复合结构长水口试用于生产,未出现破裂现象.     

连铸用浸入式水口内钢液流动行为

连铸结晶器内钢液流动的控制直接影响板坯及其产品的表面及内部质量。尽管结晶器内钢液流动缘于水口钢液流动,然而很少有人研究浸入式水口内的钢液流动。本研究中,用易熔合金模型和熔钢模型通过透明浸入式水口直接观察浸入式水口内钢液流动状况。其次,测量了商用结晶器弯月面排出的氩气。在易熔合金模型实验中,位势流和塞流的出现均与氩气流速、熔融金属流速及水口直径有关。减小氩气流速、增加熔融金属流速和减小水口直径会导致水口内弯月面高度上升。通过透明石英玻璃水口观察钢水流动。位势流和塞流的出现也都与氩气流速有关。通过对结晶器弯月面净氩气流速的测量,熔钢系统中,从上滑板吹入的氩气约20％被带入水口中。因此得出结论：在传统板坯结晶器中,钢水一定充满浸入式水口,并且在普通操作中,钢流一定像塞流。     

PIV用于板坯连铸结晶器流场的实验研究

将粒子图像测速技术应用于板坯连铸结晶器内流场研究.结合1550mm×160 mm板坯结晶器内腔尺寸,采用1:0.5水模型进行实验,研究了拉速、浸入深度、水口倾角等参数对结晶器流场的影响.结果表明,结晶器液面波动、流股对结晶器窄面的冲击及同流区涡心位置与以上3种参数直接相关.随着拉速增加,结晶器内的流速随之增大,液面波动明显,上下部回流区延伸范围增加,涡心位置下移:采用较大的水口浸入深度和水口倾角,射流在结晶器窄面的冲击位置下移,可以有效稳定液面,避免卷渣.     

硅灰石对ZrO_2-CaO-SiO_2体系抗钢水侵蚀性的影响

以锆酸钙、α-Al2O3微粉和硅灰石为原料制备ZrO2-CaO-SiO2体系的浸入式水口材料,通过改变硅灰石的含量(其质量分数分别为0、2%、4%、6%和8%),利用静态坩埚法研究了该体系材料的抗钢水侵蚀性能。结果表明:ZrO2-CaO-SiO2体系浸入式水口材料对钢水的抗侵蚀能力较强,且硅灰石含量对其抗侵蚀能力的影响不大;但其抗钢水渗透能力随硅灰石含量的增大而逐渐增强,当硅灰石质量分数为6%时,材料的抗钢水渗透能力最强。     

折叶涡轮桨搅拌器流型及温度分布数值模拟

采用MIXSIM对折叶涡轮桨搅拌器搅拌槽内流体流型及紊流状态下的温度分布进行模拟.结果显示:随Re数的增大,流体流型由径向流逐渐向轴向流发展;在温度变化趋于稳定时,温度在搅拌轴两侧基本呈对称分布,且分别存在一个低温区域.     

基于透过率场分布的推进剂羽流烟雾面积测试方法

为表征推进剂装药羽流烟雾的空间分布特征,提出了一种基于烟雾透过率分布的烟雾面积测试方法,即将火药装药燃烧流场烟雾的光学特性(透过率)与烟雾的物理特性(面积参数)同步进行测量,进而分析基于透过率的羽流烟雾分布区域的空间及时域特性。首先利用图像传感器对光学背景板前方的羽流烟雾图像进行采集,然后计算测试区域的烟雾透过率场分布,最后以特定透过率区间作为烟雾区域的判别条件,提取烟雾区域并计算烟雾区域面积;对Al-CMDB推进剂装药羽流烟雾在工作后0.6~2.5s内的烟雾分布面积特性进行了分析。结果表明,透过率区间在[0,30%]的烟雾区域在测试区域中部的烟雾面积明显大于左、右两个区域;在发动机开始工作后0.60~0.76s内,透过率在[30%,70%]区间的烟雾区域面积明显大于其他两个透过率区间的面积;在0.76s之后,透过率在[70%,100%]区间的烟雾面积逐步增大;在1.6s后不存在透过率小于70%的烟雾区域。该方法可有效测试特定透过率区间内的羽流烟雾空间分布以及其面积随时间变化的特性,也可用于发射药身管武器膛口烟雾面积特性分析。     

水口倾孔倾角对异型坯结晶器流场和液面波动的影响

基于湍流与多相流模型的耦合,分析了三侧孔水口的侧孔倾角对异型坯结晶器内流场和自由液面波动的影响.结果表明,采用侧开孔型水口时,随着水口侧孔向上倾角的增大,冲击点位置向上移动,结晶器内表面流速和液面波高相应增大;水口倾角由-3°增加到15°时,结晶器z方向表面流速由0.18 m/s增加到0.24 m/s,z方向由0.10 m/s增加到0.21 m/s:水口倾角由-3°增加到15°时,结晶器z方向波高差由3.6 mm增加到5.3mm,x方向由3.3 mm增加到6.9mm.     

自吸式文丘里洗涤器引射特性及其影响因素

以自吸式文丘里洗涤器为研究对象, 基于伯努利方程分析了影响其引射量的主要因素, 并通过实验对各因素进行分析验证。结果表明, 自吸式文丘里洗涤器的引射量主要取决于吸液口两侧的静压差、截面积、高度差以及液体在流动通道内的阻力系数。当文丘里洗涤器不引射液体时, 液体流动通道出口截面上的静压力与喷嘴壁面处的压力相等, 远高于喷嘴出口中心和出口平均压力;当文丘里洗涤器引射液体时, 气液两相的动量交换作用, 会在气液界面处产生额外的压力增量, 并以压力波的形式向整个截面传递, 导致有效的吸液压差进一步降低。当吸液压差较小时, 液体的流通面积和阻力系数对引射量的影响明显, 通过增大外套管与喷嘴面积比同时增大喷管出口直径的方法, 一方面能够增大液体流通面积, 另一方面也减小了液相流动阻力, 对于改善液体引射量是有 效的。     

底吹钢包两相区两段模型

在考虑雷诺应力的基础上，建立了底吹钢包中气液两相区流体流动的两段模型。这一模型可用于计算近喷嘴处和浮羽流区各截面处两相流的平均速度、速度分布、流股直径和平均含气率等．数值计算表明：理论含气率与实验值符合很好．计算还表明：平均含气率和平均速度随高度的增大而减小，但流股直径随高度的增大而增大．另一方面，平均速度随初始供气量的增大而增大，而抽引比则随供气量增大而减小．通过两段模型可很好地描述喷嘴处气液流的行为．