基于分形理论模拟钢中夹杂物上浮及碰撞凝聚规律的研究

发布时间：2020-10-22 20:53

　　 钢中非金属夹杂物是影响钢材质量最重要的因素之一,因此国内外众多冶金学者针对钢中夹杂物的碰撞凝聚及上浮等去除动力学过程进行了大量的研究。炼钢过程中由于脱氧剂选择的不同,钢水中会生成大量高熔点固相夹杂物。一般情况下,固相夹杂物颗粒和钢水之间的界面张力较大,在发生多种形式的碰撞后容易凝聚形成大尺寸簇群状夹杂物(inclusion cluster)。目前大多数研究人员都将这些簇群状夹杂物简化成理想球形夹杂物,但是簇群状夹杂物的形貌结构和球形夹杂物存在很大的区别,将其简化为球形夹杂物,难以全面真实的反应其在钢水中的上浮和碰撞凝聚行为。本文以铝脱氧钢中生成的簇群状氧化铝夹杂物为研究对象,在应用分形理论建立其几何结构模型,并定量描述的基础上,对其在钢水中的上浮及碰撞凝聚过程进行了数值模拟,最后以板坯连铸结晶器为例,考虑夹杂物的形貌结构对其上浮及碰撞凝聚过程的影响,对板坯连铸结晶器内簇群状夹杂物的空间分布和运动轨迹等性质进行了讨论。具体研究内容如下：针对传统欧式(欧几里得)几何难以描述簇群状夹杂物形貌结构的问题,引入分形理论,以簇群状氧化铝夹杂物为例,分析了采用该理论研究簇群状夹杂物形貌结构的可行性。结果表明：簇群状夹杂物具有显著的分形特征,基于图像处理的盒维数法能够准确计算其分形维数：簇群状夹杂物的分形维数是定量描述其形貌结构的重要参数,分形维数越大,簇群状夹杂物的三维结构越致密；依据分形理论和簇群状夹杂物的分形结构特点,建立了其三维分形结构数学模型,从而实现了其形貌结构的定量描述。依据簇群状夹杂物的分形结构模型,可以构建不同尺寸形貌分形凝聚体来模拟实际簇群状夹杂物。为了探索钢水中簇群状夹杂物的上浮行为,引入格子Boltzmann方法,对该方法直接模拟研究钢水中分形凝聚体上浮行为的可行性进行了分析。结果表明：格子Boltzamnn方法能够准确的对分形维数等于3以及分形维小于3的分形凝聚体在钢水中的上浮行为进行直接数值模拟研究。基于簇群状夹杂物的分型结构模型,构建了不同尺寸形貌分形凝聚体来模拟实际簇群状夹杂物,使用格子Boltzmann方法对其在钢水中的上浮过程进行了直接模拟研究,结果表明：分形维数是影响钢水中簇群状夹杂物上浮速度的重要因素,簇群状夹杂物的结构疏松开放分形维数较小,其上浮速度小于等体积球形夹杂物的上浮速度。传统研究将钢水中细小夹杂物颗粒碰撞凝聚形成的分形维数较小的簇群状夹杂物处理成等体积球形夹杂物,高估了其上浮速度。分形凝聚体上浮速度数学模型可以表示为：V=N0.9468-0.9197)r2g(ρm-ρs)r2/9μm Re2。该式可以较为准确的反映出,簇群状夹杂物在钢水中的上浮速度与其形貌结构的关系。钢水中夹杂物颗粒上浮碰撞凝聚过程的模拟研究表明：钢水中不同尺寸的固相夹杂物颗粒,由于上浮速度差,大尺寸的夹杂物颗粒会小断追赶接近小尺寸的夹杂物颗粒,进而发生碰撞形成凝聚态夹杂物一起上浮。上浮碰撞凝聚过程能显著增加小尺寸夹杂物颗粒的上浮速度。固相夹杂物碰撞凝聚后形成的凝聚体的结构变的疏松开放,分形维数降低。液相夹杂物颗粒之间的碰撞凝聚过程和固相夹杂物之间存在很大的区别,液相夹杂物颗粒碰撞凝聚后,在界面张力的作用下能快速融合成一个较大尺寸液相球形夹杂物。连铸板坯结晶器内簇群状夹杂物的空间分布、运动轨迹等模拟结果表明：碰撞凝聚形成的大尺寸夹杂物易在浸入式水口内壁,水口底部及水口出口上部区域富集,因而在这些区域较易发生水口堵塞。结晶器内钢水流动存在上下两个循环区,在涡心处碰撞凝聚形成的大尺寸复杂形貌夹杂物颗粒的数密度较高,呈富集状态。板坯结晶器内直径为10μm,40μm,70μm和100μm的簇群状(Df=1.83)氧化铝夹杂物上浮至保护渣被吸收的去除率相比于同尺寸球形(Df=3)氧化铝夹杂物,分别分别降低了0.3%,0.5%,1.6%和3.3%。随着尺寸的变大,簇群状氧化铝夹杂物上浮至保护渣被吸收的去除率相比于同尺寸球形氧化铝夹杂物降低的就越多。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TF701
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 引言
2 文献综述
    2.1 钢中非金属夹杂物的研究概况
        2.1.1 钢中非金属夹杂物的分类
        2.1.2 钢中非金属夹杂物的形貌特征
        2.1.3 夹杂物控制动力学研究简述
        2.1.4 夹杂物颗粒之间的碰撞聚合长大
        2.1.5 夹杂物行为的基本数学模型
        2.1.6 杂物颗粒上浮动力学行为研究
        2.1.7 本章小结
    2.2 分形理论及其应用
        2.2.1 分形的定义
        2.2.2 分形维数
        2.2.3 分形生长模型
        2.2.4 分形理论的应用
    2.3 格子Boltzmann方法及应用
    2.4 课题背景和研究意义
    2.5 研究方法
    2.6 本课题研究范围及论文设计思路
    2.7 创新点
3 簇群状夹杂物的分形结构数学模型及定量描述
    3.1 本章研究目的
    3.2 钢中簇群状氧化铝夹杂物的形貌结构
        3.2.1 簇群状氧化铝夹杂物SEM图
        3.2.2 应用图像分析法对簇群状夹杂物三维结构的分析
    3.3 钢中复杂形貌簇群状氧化铝夹杂物的分形特征
        3.3.1 分形理论研究钢中簇群状氧化铝夹杂物几何结构的可行性
        3.3.2 利用盒维数法对簇群状夹杂物分形维数的计算
    3.4 簇群状夹杂物三维分形结构数学模型的建
    3.5 本章小结
4 为模拟分形凝聚体上浮引入格子Boltzmann方法的可行性研究
    4.1 本章研究目的
    4.2 模拟流体流动的格子Boltzmann方法
    4.3 流体中固体颗粒运动的数学模型
        4.3.1 格子Boltzmann方法中固体颗粒的表示方式
        4.3.2 夹杂物颗粒运动的数学模型
    4.4 初始条件和边界条件
        4.4.1 初始条件的设定
        4.4.2 边界条件的设定
    4.5 格子Boltzamann方法模拟钢水中分形凝聚体上浮行为的实现
    4.6 格子Boltzmann方法模拟分形凝聚体上浮行为的可行性
f=3分形凝聚体上浮行为'>        4.6.1 格子Boltzmann方法模拟钢水中D_f=3分形凝聚体上浮行为
f=3分形凝聚体（球形颗粒）上浮过程的模拟结果'>    4.7 D_f=3分形凝聚体（球形颗粒）上浮过程的模拟结果
        4.7.1 初始时刻模拟区域的流体速度分布云图
        4.7.2 上浮达到稳定时模拟区域的速度分布云图
        4.7.3 夹杂物颗粒上浮过程受力随时间的变换关系
        4.7.4 夹杂物颗粒上浮速度随时间的变化关系
f
    4.8 用格子Boltzmann方法模拟Df

    4.9 本章小结
5 基于分形结构模型用格子Boltzmann方法对簇群状夹杂物上浮行为模拟
    5.1 本章研究目的
    5.2 钢水中球形夹杂物和簇群状夹杂物上浮过程差异的对比分析
    5.3 簇群状夹杂物上浮速度模型
    5.4 增大钢水中簇群状夹杂物上浮速度的可行性
    5.5 本章小结
6 钢水中夹杂物颗粒上浮碰撞凝聚过程的直接模拟研究
    6.1 本章研究目的
    6.2 应用格子Boltzmann方法模拟研究钢水中固相夹杂物颗粒上浮碰撞凝聚过程
        6.2.1 固相夹杂物颗粒间碰撞凝聚过程的受力分析
        6.2.2 钢水中固相夹杂物颗粒上浮碰撞凝聚模型
        6.2.3 夹杂物颗粒上浮碰撞凝聚过程中模拟区域钢水速度场
        6.2.4 固相夹杂物颗粒上浮碰撞凝聚过程中上浮速度的变化规律
    6.3 基于VOF模型模拟对液相夹杂物颗粒之间凝聚过程的研究
        6.3.1 研究方法—VOF（流体体积）模型
        6.3.2 基本假设和研究区域
        6.3.3 边界条件和计算方法
        6.3.4 液相夹杂物颗粒之间凝聚模拟结果
    6.4 本章小结
7 簇群状夹杂物在板坯结晶器中碰撞凝聚及运动行为的模拟
    7.1 本章研究目的
    7.2 复杂形貌夹杂物颗粒之间的碰撞凝聚过程
    7.3 板坯结晶器内氧化铝夹杂物颗粒碰撞凝聚数值模拟
        7.3.1 板坯连铸结晶器模型结构简图
        7.3.2 模型假设条件
        7.3.3 水流动数学模型
        7.3.4 复杂形貌氧化铝夹杂物数密度输运方程
        7.3.5 板坯连铸结晶器内簇群状氧化铝夹杂物的分形维数
        7.3.6 初始条件和边界条件
    7.4 数值计算方法
    7.5 模拟结果与讨论
        7.5.1 连铸板坯结晶器内钢水流场模拟结果
        7.5.2 浸入式水口出口中心对称面上的夹杂物颗粒数密度分布
        7.5.3 结晶器内不同尺寸夹杂物颗粒的数密度分布
    7.6 连铸板坯结晶器内簇群状夹杂物运动轨迹及上浮去除率的分析
        7.6.1 簇群状氧化铝夹杂物运动控制方程
        7.6.2 形貌结构对夹杂物运动轨迹的影响
        7.6.3 簇群状和球形两种形貌夹杂物上浮去除率对比
    7.7 本章小结
8 结论
参考文献
简历及在学研究成果
学位论文数据集

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 张佳丽,谌伦建,张如意;煤焦分形维数及其对比热容的影响研究[J];燃料化学学报;2005年03期

2 张亚衡,周宏伟,谢和平;粗糙表面分形维数估算的改进立方体覆盖法[J];岩石力学与工程学报;2005年17期

3 刘志军;周景新;张丹;;分形维数的能动作用[J];四川理工学院学报(自然科学版);2006年03期

4 王圃;池年平;;絮凝体分形维数影响因素的研究[J];水处理技术;2006年09期

5 孙丽霞;罗果萍;张学锋;;高炉矿焦床层孔隙分形维数的计算机模型研究[J];包钢科技;2008年02期

6 徐科;陈鲲鹏;杨朝霖;周鹏;高阳;;最优尺度分形维数在热轧带钢表面缺陷识别中的应用[J];冶金设备;2008年02期

7 秦宣云;谷成玲;崔彩虹;郑洲顺;岳书霞;;高速压制粉末散体空间的分形维数及导热的分形模型[J];湖北民族学院学报(自然科学版);2008年02期

8 谷成玲;秦宣云;郑洲顺;崔彩虹;;高速压制粉末散体空间分形维数及热传导[J];吉首大学学报(自然科学版);2008年05期

9 林道云;胡小芳;;基于Matlab的断面分维求算方法研究[J];煤炭技术;2009年12期

10 林道云;胡小芳;;水泥断口表面形貌的分形维数定量表征研究[J];材料导报;2009年S1期

相关硕士学位论文 前10条

1 李玲;预混料载体分形维数与抗分级能力关系的研究[D];华中农业大学;2012年

2 张海鑫;复杂网络的分形维数研究[D];西南大学;2014年

3 高国明;地震波和图像的分形维数及震源识别研究[D];广西师范大学;2013年

4 王亮;破碎材料线体分形维数关系实验研究[D];沈阳理工大学;2015年

5 廖娜;有机粉状载体表面分形维数与其承载能力关系研究[D];华中农业大学;2008年

6 张晓燕;基于分形维数的眼睛检测算法研究[D];南京理工大学;2009年

7 孙栓辉;数字化铁谱磨粒的图像分形维数研究[D];中南大学;2010年

8 朱凯;分形维数在皮革分类中的应用研究[D];四川师范大学;2010年

9 姚宇飞;基于分形维数的叶片识别方法研究[D];北京林业大学;2011年

10 池年平;基于分形维数絮凝检测指标的研究[D];重庆大学;2006年

本文编号：2852080

boshi