【摘要】：隨著現(xiàn)代連鑄鋼水潔凈度控制水平不斷提高,結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面保護(hù)渣卷渣問題對連鑄坯質(zhì)量的影響越來越突出。結(jié)晶器內(nèi)復(fù)雜的流動(dòng)狀況及不同形式的卷渣機(jī)制至今仍然處于定性或半定量認(rèn)識(shí)階段,然而現(xiàn)代連鑄生產(chǎn)卻要求對結(jié)晶器內(nèi)工藝條件進(jìn)行更精確的控制。在特定的物性條件及工藝環(huán)境下,揭示和把握不同形式卷渣行為產(chǎn)生的機(jī)制及動(dòng)力學(xué)演變過程,指導(dǎo)生產(chǎn)過程更為合理的工藝調(diào)整,是目前提高連鑄坯質(zhì)量的一項(xiàng)重要措施。本文以某鋼廠較大吹氬量的板坯結(jié)晶器為研究背景,針對該工藝環(huán)境下較為可能出現(xiàn)的剪切、氣泡沖擊、乳化等卷渣形式,通過理論分析及模型實(shí)驗(yàn)的手段對其進(jìn)行定量化研究。本文的主要研究成果如下:針對由鋼液表面回流引起的剪切卷渣形式,本文通過引入波動(dòng)理論,以液液兩相流動(dòng)的界面波為切入點(diǎn),聯(lián)合伯努利方程及兩相流的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)邊界條件,求導(dǎo)了有限空間的粘性KHI(Kelvin-Helmholtz Instability)模型的臨界狀態(tài)判斷準(zhǔn)則。通過設(shè)計(jì)小型水力學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論模型的正確性,利用PIV(Particle Image Velocimetry)方法測量不同物性條件下界面破碎的臨界流速。比較及評價(jià)不同卷渣模型對臨界流速的預(yù)測,并將理論模型推廣到實(shí)際結(jié)晶器內(nèi)的鋼渣界面。鋼渣系統(tǒng)中,發(fā)生剪切形式卷渣的鋼水臨界速度為0.26m/s~0.54m/s。通過水力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了氣泡簇對液液界面的沖擊現(xiàn)象,總結(jié)了氣泡沖擊卷渣的形成過程:氣泡簇在沖擊液液界面后,輕相液池中會(huì)形成若干與液池相連接的長條狀液滴,臨界吹氣量下,該長條狀液滴在氣泡簇液相流股的拖曳作用下脫離液池形成卷渣。在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,通過臨界卷渣時(shí)的受力平衡建立了氣泡沖擊卷渣的理論模型,分析了該卷渣形式的動(dòng)力學(xué)原因及求解其臨界判斷準(zhǔn)則。在對比模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果后,對模型的偏差進(jìn)行修正,修正后的理論模型在應(yīng)用到鋼渣系統(tǒng)后,得到了特定工藝條件下結(jié)晶器鋼渣界面不產(chǎn)生氣泡沖擊卷渣時(shí)能承受的最大臨界吹氣量:11NL/min~93NL/min。通過CCD攝像機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并利用專業(yè)圖像處理軟件分析了乳化過程中氣泡及物性環(huán)境對乳化程度的影響。界面張力、黏度比、密度差的增大都有利于減小乳化液滴的尺寸,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸得到了描述乳化液滴數(shù)量直徑的定量化模型。分析了乳化液滴在連續(xù)相中存在的形態(tài)及其所產(chǎn)生的乳化層對液液界面特性的影響,并評價(jià)了不同吹氣及物性條件下其對結(jié)晶器中卷渣可能產(chǎn)生的影響。通過方程分析法利用兩相流的N-S方程以及運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)邊界條件推導(dǎo)出液液兩相流界面行為完全相似的相似準(zhǔn)則。然后在相似原理的基礎(chǔ)上聯(lián)合求導(dǎo)到的相似準(zhǔn)則和描述臨界卷渣狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得與卷渣行為相關(guān)的無量綱準(zhǔn)數(shù)群。通過聯(lián)合該無量綱準(zhǔn)數(shù)群及弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù),求得約束條件較少的結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面保護(hù)渣卷渣行為相似的方法,最后通過比較生產(chǎn)調(diào)研鋼渣界面特征及水模中的液面狀況對該相似方法進(jìn)行驗(yàn)證。在相似原理的基礎(chǔ)上,建立了結(jié)晶器流場及鋼渣界面卷渣行為相似的連鑄結(jié)晶器水模實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研究了不同物性條件下鋼渣界面特征參數(shù)的相互關(guān)系。通過分析無/有吹氣條件下的主要影響因素對界面特征參數(shù)的影響,得到了判斷結(jié)晶器內(nèi)卷渣臨界狀態(tài)的特征參數(shù)。通過該特征參數(shù)可計(jì)算得:常規(guī)連鑄板坯結(jié)晶器中,無吹氣條件下,為防止剪切卷渣的出現(xiàn),應(yīng)控制的F數(shù)范圍為3.5N/m~6.2N/m;而在吹氣條件下,為防止因乳化產(chǎn)生的抽吸卷渣,最大吹氣量范圍為2.3NL/min~7.1NL/min。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TF777
【圖文】：

圖 1.1 連鑄結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動(dòng)行為[12].1 Flow behavior of molten steel in continuous casting m內(nèi)流場不僅影響結(jié)晶器內(nèi)的鋼渣界面，同時(shí)長、鋼水潔凈度等有較大影響，不合理的結(jié)面及內(nèi)部質(zhì)量狀況上。通常與結(jié)晶器內(nèi)部鋼入式水口流出的鋼液流股對結(jié)晶器窄邊有一定窄邊鑄坯的生長不均勻，影響坯殼傳熱，導(dǎo)可能會(huì)導(dǎo)致漏鋼事故出現(xiàn)。② 結(jié)晶器表面液導(dǎo)致彎月面區(qū)域的不均勻傳熱，從而產(chǎn)生縱產(chǎn)生的常用方法即在特定的工藝環(huán)境（拉速調(diào)整水口結(jié)構(gòu)及插入深度，從而獲得相對較合或液面波動(dòng)[14-17]。而近幾年電磁攪拌、電磁得的進(jìn)步，使得結(jié)晶器內(nèi)流場的控制更加多要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：① 對流股的制動(dòng)作用，

F值定義[44]

圖 1.7 無量綱數(shù)對液體中氣泡形狀的影響[94]Fig.1.7 Effect of dimensionless number on bubble shape in the liquid[94]另外，氬氣泡簇對鋼液流動(dòng)的影響與吹氣量亦有重要關(guān)系，文獻(xiàn)[95]總結(jié)了鋼中吹氣量對氬氣泡簇速度場分布的影響：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為氣泡簇半徑，Qg為吹氣量，H 為氣泡簇距離吹氣起點(diǎn)的垂直距， 為水平界面的含氣率，vl為液體速度，vg為氣體速度。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2790969