连铸结晶器内钢渣界面卷渣行为的实验研究及理论分析

发布时间：2020-08-12 20:13

【摘要】：随着现代连铸钢水洁净度控制水平不断提高,结晶器内钢渣界面保护渣卷渣问题对连铸坯质量的影响越来越突出。结晶器内复杂的流动状况及不同形式的卷渣机制至今仍然处于定性或半定量认识阶段,然而现代连铸生产却要求对结晶器内工艺条件进行更精确的控制。在特定的物性条件及工艺环境下,揭示和把握不同形式卷渣行为产生的机制及动力学演变过程,指导生产过程更为合理的工艺调整,是目前提高连铸坯质量的一项重要措施。本文以某钢厂较大吹氩量的板坯结晶器为研究背景,针对该工艺环境下较为可能出现的剪切、气泡冲击、乳化等卷渣形式,通过理论分析及模型实验的手段对其进行定量化研究。本文的主要研究成果如下:针对由钢液表面回流引起的剪切卷渣形式,本文通过引入波动理论,以液液两相流动的界面波为切入点,联合伯努利方程及两相流的运动及动力学边界条件,求导了有限空间的粘性KHI(Kelvin-Helmholtz Instability)模型的临界状态判断准则。通过设计小型水力学实验验证理论模型的正确性,利用PIV(Particle Image Velocimetry)方法测量不同物性条件下界面破碎的临界流速。比较及评价不同卷渣模型对临界流速的预测,并将理论模型推广到实际结晶器内的钢渣界面。钢渣系统中,发生剪切形式卷渣的钢水临界速度为0.26m/s~0.54m/s。通过水力学实验研究了气泡簇对液液界面的冲击现象,总结了气泡冲击卷渣的形成过程:气泡簇在冲击液液界面后,轻相液池中会形成若干与液池相连接的长条状液滴,临界吹气量下,该长条状液滴在气泡簇液相流股的拖曳作用下脱离液池形成卷渣。在实验现象的基础上,通过临界卷渣时的受力平衡建立了气泡冲击卷渣的理论模型,分析了该卷渣形式的动力学原因及求解其临界判断准则。在对比模型计算结果与实验结果后,对模型的偏差进行修正,修正后的理论模型在应用到钢渣系统后,得到了特定工艺条件下结晶器钢渣界面不产生气泡冲击卷渣时能承受的最大临界吹气量:11NL/min~93NL/min。通过CCD摄像机记录实验现象,并利用专业图像处理软件分析了乳化过程中气泡及物性环境对乳化程度的影响。界面张力、黏度比、密度差的增大都有利于减小乳化液滴的尺寸,通过实验数据的回归得到了描述乳化液滴数量直径的定量化模型。分析了乳化液滴在连续相中存在的形态及其所产生的乳化层对液液界面特性的影响,并评价了不同吹气及物性条件下其对结晶器中卷渣可能产生的影响。通过方程分析法利用两相流的N-S方程以及运动、动力学边界条件推导出液液两相流界面行为完全相似的相似准则。然后在相似原理的基础上联合求导到的相似准则和描述临界卷渣状态的实验数据求得与卷渣行为相关的无量纲准数群。通过联合该无量纲准数群及弗鲁德准数,求得约束条件较少的结晶器内钢渣界面保护渣卷渣行为相似的方法,最后通过比较生产调研钢渣界面特征及水模中的液面状况对该相似方法进行验证。在相似原理的基础上,建立了结晶器流场及钢渣界面卷渣行为相似的连铸结晶器水模实验平台,研究了不同物性条件下钢渣界面特征参数的相互关系。通过分析无/有吹气条件下的主要影响因素对界面特征参数的影响,得到了判断结晶器内卷渣临界状态的特征参数。通过该特征参数可计算得:常规连铸板坯结晶器中,无吹气条件下,为防止剪切卷渣的出现,应控制的F数范围为3.5N/m~6.2N/m;而在吹气条件下,为防止因乳化产生的抽吸卷渣,最大吹气量范围为2.3NL/min~7.1NL/min。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF777
【图文】：

图 1.1 连铸结晶器内的钢液流动行为[12].1 Flow behavior of molten steel in continuous casting m内流场不仅影响结晶器内的钢渣界面，同时长、钢水洁净度等有较大影响，不合理的结面及内部质量状况上。通常与结晶器内部钢入式水口流出的钢液流股对结晶器窄边有一定窄边铸坯的生长不均匀，影响坯壳传热，导可能会导致漏钢事故出现。② 结晶器表面液导致弯月面区域的不均匀传热，从而产生纵产生的常用方法即在特定的工艺环境（拉速调整水口结构及插入深度，从而获得相对较合或液面波动[14-17]。而近几年电磁搅拌、电磁得的进步，使得结晶器内流场的控制更加多要表现在两个方面：① 对流股的制动作用，

F值定义[44]

图 1.7 无量纲数对液体中气泡形状的影响[94]Fig.1.7 Effect of dimensionless number on bubble shape in the liquid[94]另外，氩气泡簇对钢液流动的影响与吹气量亦有重要关系，文献[95]总结了钢中吹气量对氩气泡簇速度场分布的影响：0.2 0.50.55swarm gr Q H(1.10.63 1.570.55g Q H (1.10.31 0.282.57glv Q H (1.10.37 0.437.3ggv Q H (1.1其中，rswarm为气泡簇半径，Qg为吹气量，H 为气泡簇距离吹气起点的垂直距， 为水平界面的含气率，vl为液体速度，vg为气体速度。

【参考文献】

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本文编号：2790969