旋流中间包夹杂物聚合行为的数值模拟

旋流中间包是在注流区内设置旋流室,使钢液经长水口从旋流室底部沿着切线方向流入中间包内时重力势能转化为旋转动能,夹杂物跟随钢液在旋流室内旋转流动,更容易碰撞聚集长大。使用商业软件Fluent中的PBM模型模拟中间包内夹杂物跟随钢液流动过程中碰撞聚合长大的行为。模拟结果显示:考虑夹杂物之间的碰撞聚合,夹杂物聚合长大明显,夹杂物的数量密度减小,夹杂物平均直径增大。对比两种中间包,无旋流室中间包夹杂物平均直径从3.93μm增大到4.25μm,增大8.12%;旋流中间包夹杂物平均直径从3.93μm增大到4.35μm,增大10.68%,旋流中间包更有利于夹杂物的碰撞长大。     

钢液中非金属夹杂物团聚的机理分析

 为更加准确地通过水模模拟非金属夹杂物在钢液中的运动行为和去除率,在理论分析的基础上提出了新的相似关系—润湿相似。通过夹杂物在中间包内去除的水模型实验,验证了润湿相似的重要性。对夹杂物团聚机理进行了分析研究。结果表明：在一定的湍动条件下,颗粒的浓度和非金属夹杂物在钢液中的不润湿性所导致的疏液作用是使颗粒发生碰撞团聚的主要因素。     

薄板坯连铸单流中间包流场的数学模拟

采用数值计算的方法模拟单流中间包内钢液流动行为。计算模拟了无控流装置,应用挡渣墙坝,以及导流隔墙时中间包内钢液流动分布、温度场。结果表明：中间包无控流装置易在中间包中下部形成贯穿流,不利于新旧钢液混合以及夹杂物去除;导流隔墙可使钢液充分上扬,夹杂物易为覆盖渣俘获,有利于夹杂物去除;加装控流装置后,湍动能在到达控流装置前加强,有利于小粒径夹杂聚合上浮;而湍动能在经过控流装置后减弱,有利于钢液平稳流入结晶器;导流隔墙与堰坝组合均可使中间包内钢液充分混合,温度均匀,进出口温差减小。     

中间包内流体流动及夹杂物去除的研究

采用湍流流动的数学模型方法,对板坯中间包内的钢液流动及夹杂物去除率进行了模拟研究。系统分析了在中间包内设置控流设备对钢液流动状态、平均停留时间以及夹杂物颗粒排除率的影响。结果表明,设置挡墙和坝后,中间包内有效防止了短路流,延长了平均停留时间,夹杂物整体排除率明显提高,大大改善了中间包的冶金效果。     

中包扩容提升钢液纯净度生产实践

影响钢洁净度因素之一为钢中非金属夹杂物的数量、尺寸、成分和形貌.夹杂物的形核、长大和去除与钢液的流动、夹杂物颗粒间的碰撞密切相关.研究发现,在整个中间包浇注过程中,夹杂物颗粒间碰撞长大和去除过程一直处于非稳态,达到平衡所需时间为2440s,目前中间包平均停留时间仅为514s,随着碰撞过程的进行,小尺寸夹杂物颗粒逐渐碰撞...     

T型中间包湍流控制器对夹杂物去除的影响

通过水力学模拟试验和数值模拟试验,研究湍流控制器对夹杂物上浮去除的影响,并比较了有无湍流控制器时中间包内夹杂物颗粒的运动轨迹。湍流控制器使从大包注入的钢液返流到达自由表面,从而消除中间包底部流,发展表面流,有利于夹杂物的去除。其中湍流控制器+挡坝的结构对促进夹杂物去除效果最好。     

连铸中间包控流装置优化数值模拟研究

针对板坯连铸机的中间包采用商业软件建立三维数学模型,计算不同中间包控流装置条件下中间包内的流场,分析不同方案对钢液流动状态和平均停留时间的影响,分析采用优化方案时钢中夹杂物的情况。结果表明,中间包控流装置的优化方案与原方案相比中间包的死区体积减少10.61%,中间包内开始出现示踪剂时间延长4.31%,均有利于中间包内钢液的混合和夹杂物上浮去除,同时采用优化方案钢中夹杂物水平能够满足生产工艺的要求。     

中间包等离子加热工业试验

控制中间包内钢水温度变化是提高生产率和产品质量的有效方法之一。中间包等离子加热能够弥补浇注过程中钢水温降,稳定钢水温度,提高铸坯质量。对某厂中间包等离子加热进行工业试验研究。采用三中空石墨电极等离子加热装置对中间包内钢水进行加热。通过两组中间包等离子加热试验,探究等离子加热对中间包内钢液温度变化和钢液成分及夹杂物特征的影响。结果表明,等离子加热中间包内钢水升温效果明显,升温速率可实现0.8 ℃/min,同时也能够使钢水温度保持稳定;等离子加热后中间包内钢水全氧含量下降,氮含量基本不变,碳含量略有升高;加热后钢液中夹杂物的数密度明显降低,分别下降了7.43%和19.68%。中间包等离子加热可稳定中间包内钢液过热度,促进了氧化物夹杂的上浮去除,提高了铸坯质量。     

钢中夹杂物的分形维数及其与形貌特征的关系

 利用Matlab图像处理功能计算了钢中夹杂物SEM图像的边缘、二维和三维分形维数,并讨论了边缘分形维数与夹杂物颗粒微观凝聚机制和三维分形维数与其融入顶渣中动力学之间的关系。结果表明：边缘分形维数可定量地表征夹杂物边界轮廓线的曲折复杂程度;对非润湿夹杂物颗粒来说,其边缘分形维数越大,表明气泡易于在其表面生成,从而更加有力于夹杂物的碰撞凝聚长大;夹杂物颗粒的三维分形维数越小,更有利于夹杂物融入渣中而被去除;分形维数是一个影响不规则夹杂物颗粒碰撞、凝聚和去除的重要参数。     

应用格子 Boltzmann方法直接数值模拟研究钢中夹杂物上浮及碰撞行为

采用格子Boltzmann方法对钢液中夹杂物上浮及上浮过程中的碰撞行为进行直接数值模拟研究.结果表明,不同尺寸夹杂物颗粒上浮速度的模拟结果和理论值基本一致,表明本文所采用的数值算法能够精确有效地对钢液中固相夹杂物颗粒运动行为进行研究.当钢液中直径为80μm的夹杂物颗粒位于直径为40μm的下方并一起上浮时,直径为80μm的夹杂物颗粒会逐渐追赶上直径为40μm的夹杂物颗粒并发生碰撞形成大尺寸凝聚体,凝聚体的上浮速度显著大于二者单独上浮时的上浮速度.对于直径为40μm的夹杂物来说,形成凝聚体后的上浮速度比单独上浮时的上浮速度增加300%.实际炼钢过程中,采取必要的措施增加夹杂物颗粒之间上浮过程中的碰撞凝聚,对于提高夹杂物颗粒的上浮速度,尤其是小尺寸夹杂上浮去除速度,提高钢液的洁净度具有重要的意义.      

连铸中间包底吹氩物理模拟和工业实践

通过实验室物理模拟和工业应用实践,研究了透气砖底吹氩对本钢中间包内流体流动行为和去除钢中夹杂物行为的影响.物理模拟研究结果表明,底吹氩可以显著改善中间包内钢水的流动特征,延长钢水在中间包内的停留时间,提高中间包内钢水的混合程度,减少死区体积分率;吹气位置越靠近中间包水口侧对流体特征参数的改变效果更佳;吹氩形成的微气泡群可以显著改善中间包内流体的运动轨迹,流体运动的路线更加曲折,并且全程流动靠近液体表面.工业实践表明,底吹氩形成的“气幕挡墙”对夹杂物效果去除效果明显,与不吹氩相比,铸坯中夹杂物指数从7.33～8.98 mg/（10 kg）降低至4.21～4.33 mg/（10 kg）,且大颗粒夹杂物数量明显减少,没有发现尺寸大于30～50μm的夹杂物.     

梅钢2号连铸机中间包气幕挡墙的水模研究

以相似原理为基础，用水模拟钢液研究中间包内的钢水流动特征，通过测定模型中间包内停留时间曲线（RTD），计算其平均停留时间及死区、活塞区和混合区的体积。试验表明，在中间包内通入气体后，能有效地延长钢水在中间包内的平均停留时间，有利于钢中夹杂物的上浮排除。     

中间包夹杂物运动行为的数模研究

利用数学模型研究了中间包内钢水中夹杂物运动的规律,采用自编的计算机软件,对马钢板坯和异型坯中间包夹杂物的运动进行了仿真计算,结果表明,中间包内夹杂物直径＞100um时,都能在中间包内上浮,而＜5um的小颗粒夹杂则很难在中间包内上浮,90％以上都随着钢水流出中间包。加入挡墙后,直径＞50um的夹杂物都能在中间包内上浮排出。大大提高了钢水的清洁度。本文提供了一种研究中间包夹杂物运动的方法,并认可采用挡墙控制钢水流动,可有效地排除钢水中的夹杂物。     

连铸中间包内夹杂物上浮规律的研究

 引入湍流涡旋的Kolmogoroff尺度作为区分钢液中夹杂物粒径大小的标准。对中间包内不同粒径夹杂物的上浮规律进行了理论分析,为中间包内夹杂物去除的实验研究提供了理论依据。采用不同的模拟介质对中间包内夹杂物的去除做了研究,验证了理论分析的正确性。     

钢中非金属夹杂物的碰撞行为研究

钢中非金属夹杂物去除的主要方法是期待夹杂物粒子凝聚长大上浮。本文主要分析了夹杂物的碰撞和上浮机理,在显微条件下观察钢中夹杂物碰撞凝聚的运动过程,总结了钢中夹杂物的运动规律。     

四流圆坯中间包的结构优化研究

为净化钢液,提高夹杂物在中间包内的上浮率,通过水模型实验,对4流中间包不同挡墙形式下包内流场及夹杂物去除情况进行了模拟研究.结果表明:现用挡墙控流下的中间包同一侧两流之间的流体流动特性存在很大差异,与内侧相比,外侧流的最短停留时间、峰值时间长、死区体积大,造成中间包内钢液温度不均匀,夹杂物不能有效地上浮去除.改进后的挡墙能很好地解决各流间的同步性,死区比例比原型降低6.65 %,对夹杂物的去除效果增强.工业试验表明,改进后的挡墙在降低总氧和夹杂物方面均优于原挡墙.     

耐材壁面夹杂物碰撞研究

分析了钢液流经连铸水口时钢液中夹杂物与耐材质吸附杆壁面之间的碰撞行为,建立了夹杂物碰撞模型。分析结果表明,回弹系数一定时,同尺寸夹杂物与壁面碰撞,垂直于壁面方向上夹杂物速度越大,最大压缩距离越大,回弹距离也越大,碰撞后越易回弹至钢液中;当回弹系数、夹杂物初速度一定时,不同尺寸的夹杂物与壁面碰撞,夹杂物的尺寸越小,对应的最大压缩距离越小,回弹距离也越小,夹杂物越易碰撞吸附在壁面。R=20μm Al_2O_3夹杂物与光滑壁面已附着夹杂物碰撞,当夹杂物速度一定时,压缩距离越大,壁面夹杂物临界接触域尺寸越大,壁面夹杂物越易脱落、滚动;与粗糙壁面附着夹杂物碰撞,当夹杂物速度方向与耐材壁面的夹角β0.51°时,壁面夹杂物不会脱落、滚动。分析结果对研究连铸水口内耐材壁面对钢液中夹杂物的吸附具有指导意义。     

六流中间包温度场优化数值模拟研究

通过对六流连铸机不同结构中间包内钢液温度场的数值模拟,提出了采用导流隔墙的改进方案。这种导流隔墙的应用,有利于均匀钢液温度,促使夹杂物上浮。     

20t 3流T形中间包流场优化

依据相似原理利用水模型试验测定了20 t 3流T形中间包不同试验方案下的RTD曲线,通过分析各方案的RTD曲线和混合模型计算结果,得出中间包挡墙最佳优化方案;优化后中间包钢液混匀时间由近250 s降低至约100 s,平均停留时间由500 s以上提高到1 000 s以上,包内死区体积比由近60%降至约20%,实测各流钢液温度差由5.33℃降至1.17℃,50μm以上铸坯大型夹杂物均不超过6.5 mg/10 kg;钢中小粒径夹杂物尺寸基本不超过6μm。生产实践表明,中间包新挡墙设置有利于均匀钢液温度以及增大夹杂物碰撞上浮去除的几率。     

钢液中球状夹杂物颗粒受力情况的数值模拟

通过理论分析和数值模拟的方法,研究了1873 K钢液中球状夹杂物颗粒运动过程中的受力情况.静止钢液和湍流场中,夹杂物颗粒所受的压力梯度力、虚拟质量力、Saffman力及Magnus力较小,可以忽略不计.静止钢液和均匀湍流场中,随着夹杂物颗粒尺寸的变大,颗粒所受Brown力逐渐衰减,当夹杂物颗粒直径大于20μm时颗粒所受Brown力基本不会对其运动造成影响,可以忽略不计.小于10μm的夹杂物颗粒布朗运动较为剧烈,单位质量夹杂物颗粒所受Basset力和Brown力较大,成为主导夹杂物颗粒运动的主要作用力;尺寸较大的夹杂物颗粒(直径D>50μm),Basset力、质量力和Stokes力共同作用影响夹杂物颗粒的运动、碰撞和去除.