連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面卷渣行為的實(shí)驗(yàn)研究及理論分析.pdf

1、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

2、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，本文通過引入波動理論，以液液兩相流動的界面波為切入點(diǎn)，聯(lián)合伯努利方程及兩相流的運(yùn)動及動力學(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

3、，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，輕相液池中會形成若干與液池相連接的長條狀液滴，臨界吹氣量下

4、，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)

5、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、動力學(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

6、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，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