隨著現(xiàn)代連鑄過程對鋼水的潔凈度的要求的逐漸提高,中間包作為一種傳統(tǒng)的鋼水分配裝置,其冶金性能日益得到人們的重視。采用常規(guī)的控流裝置的組合(如擋墻,擋壩,湍流控制器等)可以通過優(yōu)化中間包流場促進大顆粒夾雜物(大于50μm)上浮去除。而小顆粒夾雜物(小于50μm)的浮力不足,單純優(yōu)化流場并不能有效去除鋼液中的小顆粒夾雜物。中間包吹氣技術(shù)是向中間包內(nèi)鋼液中吹入惰性氣泡,通過氣泡的表面吸附和尾流捕捉效應(yīng),夾帶小顆粒夾雜物上浮,并最終被頂渣層吸附去除。本文以潔凈鋼生產(chǎn)為目的,圍繞中間包頂吹微氣泡工藝展開研究,通過水模實驗結(jié)合數(shù)值模擬,對微氣泡條件下中間包內(nèi)的傳輸現(xiàn)象進行了深入探索。研究主要分為以下幾個部分:(1)四流全尺寸中間包模型頂部吹氣的水模實驗。氣體由長水口上部的微孔通入。利用長水口內(nèi)流體的剪切作用和湍流對氣泡的破碎作用,以達到減小氣泡尺寸的目的。水模實驗主要考察了氣量,吹氣位置及吹氣端口數(shù)量三個因素對生成氣泡的平均尺寸的影響。采用一種特殊的方法對氣泡尺寸進行了準確的測量,避免了因氣泡與鏡頭距離的不同引起的測量誤差。實驗結(jié)果表明,在合適的吹氣條件下,生成氣泡的平均尺寸可低至0.675mm,達到微氣泡級別。相較于普通氣泡(3mm左右),微氣泡的停留時間更長,表面積體積比更大,更有利于小顆粒夾雜物的去除。(2)對應(yīng)水模實驗建立中間包頂吹氣的三維數(shù)學(xué)模型,研究不同尺寸的氣泡在中間包內(nèi)的運動行為。結(jié)果顯示,相比于普通尺寸的氣泡,微氣泡的擴散性更好,易跟隨流體跡線運動,導(dǎo)致其分布范圍更廣,有利于去除鋼中的夾雜物。通過與不吹氣條件下中間包流場的對比可以發(fā)現(xiàn),頂吹產(chǎn)生的微氣泡對注流區(qū)的流場幾乎沒有影響。這是由于微氣泡所受浮力較小,對周圍鋼液驅(qū)動作用有限;且由頂吹產(chǎn)生的微氣泡多位于中間包注流區(qū)內(nèi),此處流體流速快、湍動能高,不易受到氣泡上浮的影響。此外微氣泡的分布較為分散,無法通過大量氣泡的集中上浮帶動周圍鋼液形成上升流。(3)在全尺寸中間包水模實驗中,用直徑為20-100μm的空心硼硅酸鹽玻璃球模擬夾雜物,研究在吹氣中間包內(nèi)的去除情況。對一種特殊的粒子監(jiān)測系統(tǒng)進行改造和校準并應(yīng)用在本實驗中。粒子探頭基于庫爾特計數(shù)器原理設(shè)計,可在不同的吹氣條件下,對出口處夾雜物數(shù)量及尺寸分布進行在線監(jiān)測。實驗結(jié)果表明,微氣泡可以有效去除小尺寸的夾雜物。夾雜物的去除效果與吹氣參數(shù)相關(guān)。最優(yōu)化的吹氣方案是,在最靠近滑動水口的位置采用四個氣孔同時通氣,總氣量為0.2L/min。在此條件下,出口處夾雜物數(shù)量濃度僅為7.85個/ml,總體去除率高達79.56%。(4)在水模實驗中采用線性低密度聚乙烯粒子模擬渣層,通過變化吹氣條件,研究不同的微氣泡條件下,中間包內(nèi)渣-金界面的運動行為。實驗結(jié)果表明,相比于常規(guī)尺寸的氣泡,微氣泡吹氣更易維持渣層的穩(wěn)定性。在吹氣過程中,減小氣量和增加氣孔數(shù)量能夠有效地抑制渣眼的生成。通過研究不同吹氣參數(shù)下中間包渣層的運動行為,獲得了渣眼形成的臨界條件。相應(yīng)的多相流數(shù)值模擬通過耦合DPM模型和VOF模型考慮了渣-金-氣三相之間的相互作用。數(shù)值模擬所得的渣眼與水模實驗所得的渣眼形狀相似,面積相近,其中渣眼面積的相對誤差僅為17.6%,印證了數(shù)值模擬的有效性。本論文基于對氣泡動力學(xué)的深入研究,設(shè)計了全新的鋼包長水口,利用長水口內(nèi)高速流體的剪切作用和滑動水口的湍流對氣泡進行破碎,大大減小了氣泡的尺寸,達到了微氣泡吹氣的目的。在微氣泡的作用下,鋼液中夾雜物的去除率大大提高,渣層更加穩(wěn)定,為潔凈剛生產(chǎn)打下了良好的基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TF341.6
【部分圖文】：

相對較高的中間包液位，避免宏觀夾雜物被吸入結(jié)晶器，從而保證了鑄坯的質(zhì)量穩(wěn)定。??Ｔｏｚａｋｉ［４８１等人通過增加熔池深度，將用于生產(chǎn)鋁鎮(zhèn)靜鋼的中間包容量從６５ｔ增加到８５ｔ，??并進行了工業(yè)試驗。連鑄坯檢測結(jié)果（圖２．２）顯示，在穩(wěn)態(tài)操作和非穩(wěn)態(tài)操作條件??下，鋼中氧化鋁簇狀夾雜物指數(shù)均有一定程度的降低。??Ｖ）????ｇ?Ａｌ?ｋｉｌｌｅｄ?ｓｔｅｅｌ?ｏ?ｓｔｅａｄｙ??？?ｕｎｓｔｅａｄｙ??．ｃ?６?－??ｋ?５－??１４－??〇ｍ?３－?？??５?２＇??＇Ｓ?Ｉ?－??Ｘ?〇??Ｉ?Ｉ???－〇?６５?ｔｏｎ?８５ｔｏｎ??？５?ｔｕｎｄｉｓｈ?ｔ?ｕｎｄｉｓｈ??圖２．２中間包容積對氧化鋁簇狀夾雜物指數(shù)的影響１４８１??Ｆｉｇ．?２．２?Ｔｈｅ?ｉｎｄｅｘｅｓ?ｏｆ?ａｌｕｍｉｎａ?ｃｌｕｓｔｅｒｓ?ｕｎｄｅｒ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｖｏｌｕｍｅｓ?ｏｆ?ｔｕｎｄｉｓｈ??除了中間包的容量，其寬長比（Ｗ／Ｌ）也影響著夾雜物的去除率。王國承等人［４９］??以某廠３０噸單流中間包為原型，以１：３的幾何相似比建立模型，通過數(shù)值模擬，研究??寬長比對中間包流體流動特性的影響。在建模過程中，通過改變中間包的幾何尺寸，??得到寬長比從０．１８至０．３０的共六種中間包三維數(shù)學(xué)模型。采用湍流樓型結(jié)合組分傳??輸模型，得出了中間包內(nèi)流體的停留時間分布。結(jié)果表明，增加中間包的寬度可以有??效抑制短路流的生成。如圖２．３所示，隨著中間包的寬長比從０．１８增加至０．３，流體??的最小停留時間從丨丨３ｓ增加值丨８０ｓ

鐘良才［５８１等人以單流板坯連鑄中間包為研宂對象，建立了幾何相似比為１：２．５的??冷態(tài)物理模型。通過水模實驗，研究了不同結(jié)構(gòu)的湍流控制器對中間包流體流動特性??的影響。如圖２．５所示，他們通過變化湍流控制器的尺寸和頂檐，共設(shè)計了五種５種??不同類型的湍流控制器，其中ＴＩ?３是由ＴＩ２的一邊長度增加１５ｍｍ而得到的水平截面??－１３－??

Ｉ??Ｖ＞＾ｌ——＾７??ｉ??圖２．４不同的中間包結(jié)構(gòu)示意圖［５６］??Ｆｉｇ．?２．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｔｕｎｄｉｓｈ?ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ?１５６１??由于從長水口注入屮間包的鋼液速度較快，Ｒ?guī)в泻軓姷耐膭幽埽瑢χ虚g包底部??產(chǎn)生強烈的沖擊作用，可導(dǎo)致耐火材料侵蝕，生成大顆粒的夾雜物。湍流控制器位于??鋼包長水口的正下方，可冇效緩解入流鋼液對屮Ｎ包底部的沖山？，降低鋼液的湍動能。??通常，制造湍流控制器所采用的耐火材枓具有良好的致密性和化學(xué)穩(wěn)定性，可以有效??的抵抗鋼液的沖擊和侵蝕。Ｂｏｌｇｅｒ等人｜５７］的研宂表明，采用湍流控制器后，注流區(qū)鋼??液流速明顯減慢，湍流強度有效降低。入流鋼液經(jīng)湍流控制器后形成反向丨：升流，有??助于促進夾雜物的上浮去除。??鐘良才［５８１等人以單流板坯連鑄中間包為研宂對象，建立了幾何相似比為１：２．５的??冷態(tài)物理模型。通過水模實驗
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王國棟;;鋼鐵行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展方向[J];鋼鐵;2015年09期

2 姜曉東;;關(guān)于中國鋼鐵產(chǎn)能過剩的若干思考與建議[J];鋼鐵;2013年10期

3 鐘良才;郝瑞朝;陶立群;許寧輝;;單流板坯連鑄中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J];東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2012年05期

4 楊金艷;凌晨;湯建忠;倪超;肖良辰;;非金屬夾雜物對鋼簾線盤條抗拉強度及斷裂行為影響[J];金屬熱處理;2012年02期

5 徐匡迪;肖麗俊;干勇;劉瀏;王新華;;新一代潔凈鋼生產(chǎn)流程的理論解析[J];金屬學(xué)報;2012年01期

6 ;Study on Process Technology of Gas Bubbling Curtain Substituting Dam in the Tundish of Slab Casting[J];Journal of Iron and Steel Research(International);2011年S2期

7 ;Optimization of flow control devices in a single-strand slab continuous casting tundish[J];International Journal of Minerals Metallurgy and Materials;2011年03期

8 文光華;黃永鋒;唐萍;祝明妹;;鋼包長水口形狀對中間包內(nèi)鋼液流動特性的影響[J];重慶大學(xué)學(xué)報;2011年03期

9 李嬌;李京社;楊樹峰;梁新維;張興利;;不同擋墻擋壩組合對兩流中間包內(nèi)流場的影響[J];煉鋼;2011年01期

10 畢學(xué)工;李宏玉;劉光明;金焱;;基于RTD曲線連鑄中間包優(yōu)化設(shè)計數(shù)值模擬[J];武漢科技大學(xué)學(xué)報;2010年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 張美杰;中間包氣幕擋墻的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其夾雜物去除的數(shù)學(xué)物理模擬研究[D];武漢科技大學(xué);2006年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 樊安源;鋼包長水口對小氣泡形成及中間包內(nèi)鋼液流動特性的影響[D];重慶大學(xué);2015年

2 劉學(xué);鋼中MnS夾雜物析出行為研究[D];東北大學(xué);2012年

3 余其紅;鋼水及其鑄坯非金屬夾雜研究[D];武漢科技大學(xué);2007年

本文編號：2841202