發(fā)布時(shí)間：2020-08-10 16:04

【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)鋼材性能要求日益嚴(yán)格,對(duì)鋼材質(zhì)量要求也隨之不斷提高。進(jìn)一步減少鋼中夾雜物的含量,提高鋼的潔凈度,進(jìn)而提高鋼材的質(zhì)量,是鋼鐵行業(yè)的重要發(fā)展方向。在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中,鋼液從鋼包向中間包流入過(guò)程中,隨著液面的不斷下降,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)重要的流動(dòng)現(xiàn)象,那就是會(huì)形成快速旋轉(zhuǎn)的自由表面渦。這種自由表面渦不僅在鋼包出鋼時(shí)會(huì)發(fā)生,在轉(zhuǎn)爐出鋼以及中間包出鋼過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)自由表面渦一旦形成容易造成卷渣,尤其在出鋼末期當(dāng)鋼液液位高度低于漩渦的臨界高度(漩渦尖端延伸至水口上沿處的液面高度)時(shí),漩渦卷渣現(xiàn)象會(huì)非常嚴(yán)重,甚至還能卷入空氣,對(duì)鋼液造成污染。同時(shí)還會(huì)造成夾雜物上浮困難,水口易堵塞,長(zhǎng)水口以及中間包內(nèi)襯易腐蝕等危害。目前采用的防漩方法存在著金屬收得率低、鋼包結(jié)構(gòu)改動(dòng)大等缺點(diǎn)。因此,如何在提高金屬收得率的同時(shí)有效防止漩渦卷渣現(xiàn)象是潔凈鋼生產(chǎn)必須要解決的問(wèn)題。為了有效地抑制或消除鋼包出鋼過(guò)程中漩渦的形成,本文利用數(shù)值模擬的方法,研究了漩渦的形成機(jī)理、影響因素,分析了出鋼過(guò)程中鋼包內(nèi)的流場(chǎng),進(jìn)而得到了漩渦的運(yùn)動(dòng)發(fā)展規(guī)律以及漩渦的抑制機(jī)制。然后根據(jù)漩渦的抑制機(jī)制,設(shè)計(jì)出底部施加防漩力和底部吹氣兩種防漩方法,并通過(guò)數(shù)值模擬的手段對(duì)兩種方法的可行性進(jìn)行了預(yù)測(cè)。最后采用水模型實(shí)驗(yàn)對(duì)漩渦的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和抑制機(jī)制進(jìn)行了進(jìn)一步研究和驗(yàn)證,得到了與數(shù)值模擬一致的結(jié)果。同時(shí),鑒于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中底部吹氣是鋼包精煉過(guò)程中必要的環(huán)節(jié),因此吹氣設(shè)備不必另行設(shè)計(jì),便于實(shí)現(xiàn),本文最后通過(guò)水模型實(shí)驗(yàn)對(duì)底部吹氣抑制漩渦的方法進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證,得到了較好的防漩效果以及最佳的吹氣參數(shù)。通過(guò)以上的數(shù)值模擬和水模型實(shí)驗(yàn)的研究,得到主要結(jié)論如下:(1)科氏力對(duì)鋼包出鋼過(guò)程中形成的漩渦幾乎沒(méi)有作用,而是出鋼前鋼包內(nèi)存在的切向擾動(dòng)對(duì)漩渦的形成起到了主要作用。當(dāng)打開(kāi)水口時(shí),由于靜壓力差的作用鋼包內(nèi)的流體促使了漩渦的形成,即漩渦運(yùn)動(dòng)發(fā)展的能量來(lái)源是流體自身的重力。在初始時(shí)流體內(nèi)部必須存在切向的擾動(dòng),漩渦才可以形成。同時(shí)流體運(yùn)動(dòng)遵循角動(dòng)量守恒定律,使得漩渦越轉(zhuǎn)越快,最后當(dāng)液面到達(dá)一定高度時(shí),重力不能再提供足夠的能量,導(dǎo)致液面凹陷并貫穿至水口。而靠近水口的鋼包底部區(qū)域是漩渦形成的觸發(fā)區(qū)域。(2)漩渦的臨界高度隨著偏心率(水口到鋼包中心的距離與鋼包半徑的比值)的增加而明顯增加;對(duì)于中心水口鋼包,漩渦的臨界高度隨著初始切向速度的增加而增加,隨著水口直徑的增加而略有下降;對(duì)于偏心水口鋼包,漩渦的臨界高度隨著初始切向速度的增加而先增加然后幾乎不再變化,隨著水口直徑的增加而增加;無(wú)論中心水口鋼包還是偏心水口鋼包,流體的物理性質(zhì)對(duì)漩渦臨界高度的影響都不是很大。同時(shí)通過(guò)量綱分析的方法得到了漩渦的臨界高度估算公式。(3)通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)改變出鋼過(guò)程中漩渦形成時(shí)的切向速度的分布形式和減小切向速度值的大小,可以有效抑制漩渦的形成。根據(jù)此漩渦抑制機(jī)制設(shè)計(jì)出底部施加防漩力和底部吹氣兩種防漩方法。通過(guò)施加與漩渦方向相反的防漩力使鋼包內(nèi)的切向速度值明顯減小,而采用吹氣的方式主要打亂了漩渦形成時(shí)的速度場(chǎng)分布形式,兩者均降低了漩渦的臨界高度,對(duì)漩渦的形成進(jìn)行了有效抑制。(4)通過(guò)水模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了漩渦的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和抑制機(jī)制,進(jìn)一步證明了吹氣抑制漩渦的可行性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鋼包出鋼過(guò)程中進(jìn)行底部吹氣確實(shí)可以打亂鋼包內(nèi)漩渦形成時(shí)的流場(chǎng)分布形式,有效降低了漩渦的臨界高度。同時(shí),隨著吹氣流量的增加漩渦的臨界高度先明顯下降,然后幾乎不再降低。對(duì)于中心水口鋼包選擇離水口較近的吹氣孔位置進(jìn)行吹氣,漩渦的抑制效果最好;對(duì)于偏心水口鋼包選擇鋼包中心附近的吹氣孔位置進(jìn)行吹氣,漩渦的抑制效果最好。
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TF703
【圖文】：

渣：轉(zhuǎn)爐的出鋼后期一直到出鋼結(jié)束階段，如圖１．５（ｂ）所示。逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑１邋一擋渣帽；２—前期渣；３—滑板擋渣裝置；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圖１．５前期和后期下渣階段轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)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

第一章序言逡逑等［５１＿５５］。而圖丨．６顯示了使用擋渣塞和不使用擋渣塞前后轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程中的下逡逑渣量［５Ｑ］。圖１．７顯示了轉(zhuǎn)爐出鋼到鋼包的下渣總量中，前期渣量大體占３０％，逡逑中期渣量約占３０％，后期渣量約占４０％［４８’５（）］。由此也可以看出在轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)逡逑程中，由漩渦效應(yīng)引起的下渣情況是擋渣裝置也無(wú)法避免的。逡逑邐邋出銅逡逑期渣Ｔ丨．．．丨邐漩滿效應(yīng)邐后期渣逡逑＾邐擋Ｓ塞自動(dòng)邐擋渣塞啟動(dòng)逡逑５３＇邋３？＇邐４７＊；邋；５０－邐Ｓ９．；：（保持角度）Ｓ９邋？逡逑Ｉ邐ＩＩ邐Ｉ邐？逡逑ｉ邐ｉ邐ｉ邐ｉ邐：邐／ｆｌ逡逑４０％邐！邐！邐！邐＼邐＾邐Ａ逡逑ｉ邐ｉ邐ｉ邐ｉ／邐ｇ逡逑

此方法就是局部性降低水口附近的包底位置，使臨界高度部分以至全部逡逑藏入該降低部位之內(nèi)，從下部躲避漩渦，從而達(dá)到減少下渣和提高鋼水收得逡逑率的雙重目的。連鑄中間包便于采取這種形式，如圖１．１２所示｜６５］。逡逑１邋一穩(wěn)定段；２—澆注段；３—長(zhǎng)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逡逑圖１．１２中間包防漩渦的改進(jìn)結(jié)構(gòu)［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）邐（ｂ）逡逑圖１．１３下藏法防漩鋼包［５６］邋（ａ）鋼包結(jié)構(gòu)圖（ｂ）鋼包側(cè)視

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