钢包出钢过程中漩涡的形成及其防治研究

发布时间：2020-08-10 16:04

【摘要】：随着科学技术的发展,人们对钢材性能要求日益严格,对钢材质量要求也随之不断提高。进一步减少钢中夹杂物的含量,提高钢的洁净度,进而提高钢材的质量,是钢铁行业的重要发展方向。在连铸生产过程中,钢液从钢包向中间包流入过程中,随着液面的不断下降,会产生一个重要的流动现象,那就是会形成快速旋转的自由表面涡。这种自由表面涡不仅在钢包出钢时会发生,在转炉出钢以及中间包出钢过程中也会出现。当自由表面涡一旦形成容易造成卷渣,尤其在出钢末期当钢液液位高度低于漩涡的临界高度(漩涡尖端延伸至水口上沿处的液面高度)时,漩涡卷渣现象会非常严重,甚至还能卷入空气,对钢液造成污染。同时还会造成夹杂物上浮困难,水口易堵塞,长水口以及中间包内衬易腐蚀等危害。目前采用的防漩方法存在着金属收得率低、钢包结构改动大等缺点。因此,如何在提高金属收得率的同时有效防止漩涡卷渣现象是洁净钢生产必须要解决的问题。为了有效地抑制或消除钢包出钢过程中漩涡的形成,本文利用数值模拟的方法,研究了漩涡的形成机理、影响因素,分析了出钢过程中钢包内的流场,进而得到了漩涡的运动发展规律以及漩涡的抑制机制。然后根据漩涡的抑制机制,设计出底部施加防漩力和底部吹气两种防漩方法,并通过数值模拟的手段对两种方法的可行性进行了预测。最后采用水模型实验对漩涡的运动规律和抑制机制进行了进一步研究和验证,得到了与数值模拟一致的结果。同时,鉴于实际生产过程中底部吹气是钢包精炼过程中必要的环节,因此吹气设备不必另行设计,便于实现,本文最后通过水模型实验对底部吹气抑制漩涡的方法进行了进一步验证,得到了较好的防漩效果以及最佳的吹气参数。通过以上的数值模拟和水模型实验的研究,得到主要结论如下:(1)科氏力对钢包出钢过程中形成的漩涡几乎没有作用,而是出钢前钢包内存在的切向扰动对漩涡的形成起到了主要作用。当打开水口时,由于静压力差的作用钢包内的流体促使了漩涡的形成,即漩涡运动发展的能量来源是流体自身的重力。在初始时流体内部必须存在切向的扰动,漩涡才可以形成。同时流体运动遵循角动量守恒定律,使得漩涡越转越快,最后当液面到达一定高度时,重力不能再提供足够的能量,导致液面凹陷并贯穿至水口。而靠近水口的钢包底部区域是漩涡形成的触发区域。(2)漩涡的临界高度随着偏心率(水口到钢包中心的距离与钢包半径的比值)的增加而明显增加;对于中心水口钢包,漩涡的临界高度随着初始切向速度的增加而增加,随着水口直径的增加而略有下降;对于偏心水口钢包,漩涡的临界高度随着初始切向速度的增加而先增加然后几乎不再变化,随着水口直径的增加而增加;无论中心水口钢包还是偏心水口钢包,流体的物理性质对漩涡临界高度的影响都不是很大。同时通过量纲分析的方法得到了漩涡的临界高度估算公式。(3)通过分析发现改变出钢过程中漩涡形成时的切向速度的分布形式和减小切向速度值的大小,可以有效抑制漩涡的形成。根据此漩涡抑制机制设计出底部施加防漩力和底部吹气两种防漩方法。通过施加与漩涡方向相反的防漩力使钢包内的切向速度值明显减小,而采用吹气的方式主要打乱了漩涡形成时的速度场分布形式,两者均降低了漩涡的临界高度,对漩涡的形成进行了有效抑制。(4)通过水模型实验进一步验证了漩涡的运动规律和抑制机制,进一步证明了吹气抑制漩涡的可行性。通过实验发现,钢包出钢过程中进行底部吹气确实可以打乱钢包内漩涡形成时的流场分布形式,有效降低了漩涡的临界高度。同时,随着吹气流量的增加漩涡的临界高度先明显下降,然后几乎不再降低。对于中心水口钢包选择离水口较近的吹气孔位置进行吹气,漩涡的抑制效果最好;对于偏心水口钢包选择钢包中心附近的吹气孔位置进行吹气,漩涡的抑制效果最好。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF703
【图文】：

出钢,挡渣塞,下渣量,下渣

渣：转炉的出钢后期一直到出钢结束阶段，如图１．５（ｂ）所示。逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑１邋一挡渣帽；２—前期渣；３—滑板挡渣装置；４一后期渣逡逑Ｓｌａｇ－ｇｕａｒｄ邋ｃａｐ；邋２—Ｓｌａｇ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｆｉｒｓｔ邋ｓｔａｇｅ；邋３—Ｓｌｉｄｅ邋ｓｌａｇ－ｂａｆｆｌｅ；邋４—Ｓｌａｇ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｌａ图１．５前期和后期下渣阶段转炉的倾动角度［４８］邋（ａ）前期下渣（ｂ）后期下Ｆｉｇ邋１．５邋Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ邋ｔｏｐｐｌｅｄ邋ａｎｇｕｌａｒ邋ｄｕｒｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｐｏｕｒｉｎｇ邋ｏｕｔ邋ｓｌａｇ邋ｌ４８）逡逑（ａ）邋ｓｌａｇ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｆｉｒｓｔ邋ｓｔａｇｅ邋（ｂ）邋ｓｌａｇ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｌａｓｔ邋ｓｔａｇｅ逡逑

转炉出钢,下渣,挡渣塞,过程

第一章序言逡逑等［５１＿５５］。而图丨．６显示了使用挡渣塞和不使用挡渣塞前后转炉出钢过程中的下逡逑渣量［５Ｑ］。图１．７显示了转炉出钢到钢包的下渣总量中，前期渣量大体占３０％，逡逑中期渣量约占３０％，后期渣量约占４０％［４８’５（）］。由此也可以看出在转炉出钢过逡逑程中，由漩涡效应引起的下渣情况是挡渣装置也无法避免的。逡逑逦邋出铜逡逑期渣Ｔ丨．．．丨逦漩满效应逦后期渣逡逑＾逦挡Ｓ塞自动逦挡渣塞启动逡逑５３＇邋３？＇逦４７＊；邋；５０－逦Ｓ９．；：（保持角度）Ｓ９邋？逡逑Ｉ逦ＩＩ逦Ｉ逦？逡逑ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦：逦／ｆｌ逡逑４０％逦！逦！逦！逦＼逦＾逦Ａ逡逑ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ／逦ｇ逡逑

结构图,漩水,控流装置,中间包

此方法就是局部性降低水口附近的包底位置，使临界高度部分以至全部逡逑藏入该降低部位之内，从下部躲避漩涡，从而达到减少下渣和提高钢水收得逡逑率的双重目的。连铸中间包便于采取这种形式，如图１．１２所示｜６５］。逡逑１邋一稳定段；２—浇注段；３—长水口；邋４一隔堰；５—上浮段；６—水流段；７—浸入式水口逡逑１—Ｓｔａｂｌｅ邋ｓｅｃｔｉｏｎ；邋２—Ｔｅｅｍｉｎｇ邋ｓｅｃｔｉｏｎ；邋３—Ｌｏｎｇ邋ｎｏｚｚｌｅ；邋４—Ｗｅｉｒ；邋５—Ｆｌｏａｔｉｎｇ邋ｓｅｃｔｉｏｎ；逡逑６—Ｏｕｔｆｌｏｗ邋ｓｅｃｔｉｏｎ；邋７—Ｓｕｂｍｅｒｓｅｄ邋ｎｏｚｚｌｅ逡逑图１．１２中间包防漩涡的改进结构［６５］逡逑Ｆｉｇ邋１．１２邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ邋ｖｏｒｔｅｘ邋ｆｏｒ邋ｔｕｎｄｉｓｈ丨６、丨逡逑０邋０逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．１３下藏法防漩钢包［５６］邋（ａ）钢包结构图（ｂ）钢包侧视

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