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钢包浇注过程的实验与数值分析GASTNMMAZZAFERROA,1,MARCELOPIVAB,2,SERGIOPFERROA,3,PABLOBISSIOB,4,MARINAIGLESIASB,ADRIANACALVOB,5,MARCELABGOLDSCHMITA,6A工业研究中心FUDETEC,DRSIMINI250,2804坎帕纳,阿根廷B多孔介质集团,工程学校,布宜诺斯艾利斯大学,PASEOCOLN850,1063,布宜诺斯艾利斯,阿根廷1EMAILSIDGSMSIDERCACOM2EMAILMPIVAFIUBAAR3EMAILSIDFESSIDERCACOM4EMAILPABLOBISSIOCIUDADCOMAR5EMAILACALVOFIUBAAR6EMAILSIDGLDSIDERCACOM摘要连铸过程中,钢水倒入钢包到中间包通过一个设在钢包底部的喷嘴。然而这个过程中,必须先停止钢包,使钢包完全清空,避免携带的残渣。钢的用量在钢包中通常是很大的,使钢铁厂研究不同的方法来提高其过程。在目前的工作中,用于水模型和数值模拟实验研究分析旋涡的形成和影响几何尺寸所需的条件及浪费钢量的流动参数。实验和数值结果导致的结论是,没有旋涡的形成预计将发生在工业条件下钢包引流。1引言在连铸过程中,钢水倒入钢包到中间包通过位于钢包底偏心位置的喷嘴。钢包是一个容器,一般为圆柱形状,直径23M,高约3M。它包含钢液100至200吨,其中通过5/10CM直径的喷嘴排出。在钢包内由渣层(厚度5CM至20CM不等)覆盖钢水防止空气接触氧化。由于排水过程的持续,接口分开的渣钢,最终对排水喷嘴采用了一个偏转“漏斗”的形式。漏斗的形成,导致渣从钢包转到中间包。排水停止时,首先检测渣在喷嘴的痕迹,留下了未检倒出的大量的钢(3吨)在钢包。对漏斗形成的影响进行了一些研究分析17,一般是根据水代替钢水进行物理模型实验的。在这些实验中,是从平放的圆柱形或方形容器中排水来研究不同喷嘴直径(054CM至8CM)和偏心率(07)。下方的流体动力学的现象也是根据文献814来分析的,根据文献18可知不同的机制可能会导致变形的钢表面形成漩涡槽或排水槽。漩涡的特点是钢包底附近的喷嘴形成高的切向速度(参见图1和图2左方案),可以在钢包底开发甚至采用高列喷嘴。漩涡的形成可以使管道中的流体具有重要的初步切向速度特别是以排放喷嘴为中心。钢包中的液体量到达喷嘴产生漩涡取决于最初的旋转速度和喷嘴偏心率。另一方面,排水池的特点是径向流动(图1和图2右方案),浇铸过程发展的最后阶段,少量钢液停留在钢包。排水池始终是目前在该进程的结束和不依赖于以往形成的一个漩涡。左侧钢包钢液注急剧增加时,形成的排水槽约等于喷嘴的直径。在喷嘴排水槽急剧增加与漩涡冲突时,导致产生重大比例的钢渣1,4,6。考虑到的这些因素可以在文献中找到,由此看来由于喷嘴偏心,没有首选旋转方向的情况下,漩涡在这种条件下是不会发生的。通常钢的数量由于降级发生炉渣转结是符合这一假设的。在这项工作中,我们首先介绍水模型实验部分,第2节进行确认最后一个假设,估计在实际铸造中形成漩涡的概率。在第3节,我们用目前的数值模拟工业钢包引流过程,重点分析排水槽的形成和钢包底几何形状的可能影响。实验分析和数值计算结果在4节和5节中的结论提出。2水模型实验在布宜诺斯艾利斯大学工程学院,POROUSMEDIAGROUP进行了水模型实验,实验装置采用的是在排水过程中流动的水(图3)。一个圆柱形容器的直径D20CM,其部分填充水到一个恒定高度H0时,通过位于两侧的两个切管到容器的底部,切管距离容器壁1CM。这种填充方式提供了流体切向必要的速度,促使形成涡流。水是通过直径DN05CM,长度HN10CM的位于容器底部的喷嘴,并以RΕ的距离为中心。一旦灌装过程结束,速度场会随时间衰减直到液体保持静止。因此,我们可以选择初始速度场的等待时间TI,在这时间内填充结束和开始排水。我们假设该流场基本上是切向速度和轴是对称的,在特有的初始流量的条件下通过量化VΘ,定义为在自由表面最大的初始切向速度。一旦喷嘴是开放的,大规模的水会流动,被收集在一个容器,它的重量是作为检测时间函数的一个精密标准。用这种方法得到喷嘴的输出的流量QDM/DT。临界高度HC,定义为钢包中的水与空气在喷嘴发生冲突时的水平高度,分析了喷嘴的偏心率Ε2RΕ/D和初始的切向速度。图4A显示的是,通过喷嘴提出了时间演化流动率Q的一个实例。图中对应的排水系统的H011CM的水柱通过一个集中喷嘴偏心率Ε0和最初的切向速度,VΘ25CM/S。我们可以看出初始流量QI≈32G/S,平稳地随时间直到T28S。观察几秒钟后,在这一时期自由表面的流体几乎仍然持平,除了喷嘴轴线附近形成一个自由表面凹陷(或压痕)。从伯努利定律发现理论计算流动速率法,实验数据显示在这个阶段排水过程中符合很粘的性质。流量急剧下降,在TC≈28S时表明旋涡开始下沉。当临界高度HC86CM时,排出的水的比例大约22。同时,自由表面凹陷演变向下形成一个漩涡漏斗,通过输出产生的空气留在喷嘴。由于波动的空气存在于喷嘴中,所以流量的平均值减小。在最后一部分排水,T≈190S时观察到漏斗消失剩余的循环不足以维持漩涡槽与自由表面的流体变平,这一现象发生在H≈DN。喷嘴再次注满了水,流量突然增加,突然在几秒内产生显著的排水系统。然后,排水发生在T198S。图4B的例子是相同的条件下考虑以往的案例以较低的初始切向速度(更长的等待时间)。在这种情况下,初始循环没有大到足以产生涡流,钢包水渠与自由表面几乎持平直到T109S时发生漏水槽,排出水的比例大约是85。我们在类似的条件下进行实验,分析喷嘴偏心的影响,但在图4A(H011厘米,大的初始切向速度)的喷嘴有两种不同的值的偏心率Ε05,Ε09。图4C证明当Ε05时,就可以看出一个漩涡在T96S时发生,临界高度16厘米,排水的比例是86。对于Ε09时,流速的变化和图4所示是相似的,也就是说,尽管最初的流量是相当大的也不能观察到涡流。此外,当H≈DN时,在排水系统最后的时间里排水槽出现。图5给出了在临界高度HC的一个完整的结果,矢量量化了一个函数的初始切向速度Ε0(圆),Ε05(倒三角形),Ε09(正方形)。在以往的研究基础上18,我们发现了喷嘴偏心延缓了漩涡的形成甚至抑制它的最大值。因此,对于最大的离心率Ε09任何一个考虑矢量量化值都不能观察到涡流。更详细的分析表明这些实验在其他地方也能被发现15。为了联系起来,GUTHRIE利用量纲分析结果只显示一个典型全面钢水排水8。他们得出的结论是,无量纲临界高度HC/H0只取决于两个流体力学参数定义为雷诺兹数REVOUTH0/V(VOUT是最初的输出速度,V是运动的流体粘度)和涡流数KVVQR/VOUTDN/2。有人认为6,8,无论是在物理模型还是在实际铸造中达到的非常大的雷诺兹数与涡流没有关系。因此,涡流数成为关键的参数,建立相似准则。图5中已经发现,当Ε09时甚至VΘ值达到10CM/S都没有形成涡流。因此,钢包中用一个类似的偏心喷嘴,D200CM,H0300CM,DN10CM,有必要的涡水槽出现时最初的切向速度应该超过60CM/S。假设在实际操作的装罐过程中有这么大可能性的初始切向速度,可以得出结论是,一个典型的满刻度刚睡排水中没有涡槽。考虑到以前的讨论,在下一节中,我们提出了一个完整的排水下沉现象的集中数值模拟。3、数值计算结果工业研究中心部门用数值来进行模拟FUDETEC。钢包的排水系统是以有限元模型来计算不能压缩的紊流将其程序化16,代码在阴影部分17。采用等参立体元素对速度场用线性插值的方法,而对压力采用恒定插值方法。这种不可压缩性的约束使惩罚强加在上面18,用虚拟的浓度技术用来分析钢表面19,这些研究方法已经被成功的运用到分析连续铸造机的钢流上面2021。在这个部分中我们对钢包得出两个不同几何数值结果。首先,我们考虑给钢包的排水系统采用一个椭圆形的横截面,地面采用25的倾斜度。排放锥高达283MM,喷嘴的直径DN7MM。在图6A中,我们展示了部分的模拟域,不久之后液态钢(密度75GCM3,粘度0053GCM1S1)进入喷嘴的自由表面(在这种情况下熔渣层没有模拟)的部分是灰色的。钢包的横截面尺寸如图6B所示。
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