（材料加工工程专业论文）板坯连铸结晶器内熔体流动的piv分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 高效连铸主要的发展方向，在拉速提高的条件下，必须优化结晶器内流场以适应稳 定生产的需要，防止拉漏和铸坯缺陷的产生。本文将p i v ( 粒子图像测速) 技术应用于 连铸结晶器内流场研究，介绍了p i v 测试流场的基本原理以及相应的硬件系统( 激光器、 c c d 相机等) 和软件系统( 图像采集系统、图像处理系统) ，寻求到适宜大板坯连铸 模型的示踪粒子，并总结出p i v 系统用于大板坯连铸模拟的软件设置参数，对结晶器内 流场实现可视化。 针对1 6 5 0 m m 2 2 0 m m 大板坯连铸，设计了p i v 物理模拟系统，包括结晶器模型、 水循环系统、水口设计、交流片光源系统。在不同的水口出口角度、水口浸入深度、铸 造速度，不同水口内径以及凹井状况不同的条件下进行了定量分析。结果表明： ( 1 ) 在入射流的上部和下部分别存在两个大的漩涡，下部的更大一些，这两个漩涡的状态直 接影响连铸坯的质量：( 2 ) 出水口角度和浸入深度是影响流场流动模式的重要因素， 就所模拟的大板坯而言，水口浸入深度选择在i 3 0 m m 左右的是适宜的，出水口角度越大， 流股的冲击深度越深；( 3 ) 铸造速度越大，流股对结晶器窄面的冲击点也越高，此外， 较高的铸速会引起弯月面的剧烈波动，这将会引起各种缺陷；( 4 ) 水口内径和出水口 面积大小影响流场速度，凹井状况对流场也存在一定的影响。 关键词：p l v ；物理模拟；钢连铸；流场 张文肖：板坯连铸结晶器内熔体流动的p w 分析 p i v a n a l y s i so nf l o wi nt h em o l dd u r i n gc o n t i n u o u sc a s t i n go fs t e e l s l a b a b s t r a c t h i g h - e f f i c i e n c yc o n t i n u o u sc a s t i n gh a sb e c o m et h em a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h e c o n t i n u o u sc a s t i n g f l u i df l o wi nt h em o l dm u s tb eo p t i m i z e di no r d e rt oi m p r o v et h ei n t e r n a l a n ds u r f a c eq u a l i t yo ft h ec a s ta n da v o i ds t e e ll e a k i n gw h i l ei n c r e a s i n gt h ec a s t i n gs p e e d i n t h i sp a p e r ，p i v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) i su s e dt os t u d yt h ef l u i df l o wp h e n o m e n ai n c o n t i n u o u sc a s t i n go fs t e e l 研豫p a p e rd e s c r i b e sf l m d a m e n t a lp r i n c i p l eo fp a sw e l la si t s h a r d w a r e ( 1 a s e r ，c c de t c ) a n ds o f t w a r es y s t e m ( i m a g eg a t h e r i n gs y s t e m ，i m a g ep r o c e s s i n g s y s t e m ) s u i t a b l es e e d i n gp a r t i c l ea n ds o f t w a r es e t t i n gp a r a m e t e r sa r ef o u n df o rt h es l a b p h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t f l o wv i s u a l i z a t i o ni nt h em o l d i sw e l la c h i e v e d p h y s i c a lm o d e ls y s t e mf o rc o n t i n u o u sc a s t i n go fs l a bw i t ht h es i z eo f16 5 0 m m x2 2 0 m mi s d e s i g n e d ，i n c l u d i n gm o l dm o d e l ，w a t e rc i r c u l a t i o ns y s t e m ，a c ( a l t e r n a t i n gc u r r e n t ) s h e e tl i g h t s y s t e m n l ei n f l u e n c eo fn o z z l ea n g l e ，n o z z l ed i a m e t e r , i m m e r s e dd e p t ho fn o z z l e ，p i t s t r u c t l ：n eo fn o z z l ea n dt h ec a s t i n gs p e e do nt h ef l o wb e h a v i o ra r ei n v e s t i g a t e dq u a n t i t a t i v e l y t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a t ：( 1 ) t h e r ea r et w ol a r g er e - c i r c u l a t i o n sa b o v ea n db e l o wo ff l u i d j e ti nt h em o l ds e p a r a t e l y ，a n dt h eb e l o wv o r t e xi sl a r g e rt h a nt h ea b o v eo n e t h es l a bq u a l i t y i sc l o s e l yr e l a t e dw i t ht h e s et w ov o r t e x e s ( 2 ) t h ea n g l ea n di m m e r s e dd e p t ho fn o z z l ea r e t w oi m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ef l o wi nt h em o l d a sf o rt h es i m u l a t i n gm o d e l ，t h e s u i t a b l ei m m e r s e dd e p t hi sc h o s e na b o u t1 3 0 m m t h eb i g g e rt h ea n g l ei s ，t h el o w e rt h e i m p a c t i n gp o i n to i lt h en a l t o wf a c e ( 3 ) t h eh i g h e rt h ec a s t i n gs p e e di s ，t h eh i g h e rt h e i m p a c t i n gp o i n to ft h ej e ts t r e a mo nt h en a r r o wf a c e f u r t h e r m o r e ，h i g h e rc a s t i n gs p e e dw i l l b r i n gs e r i o u sf l u c t u a t i o nt om e n i s c u s ，a c c o r d i n g l yi tw i l l l e a dt ov a r i o u sd e f e c t s ( 4 ) t h e d i a m e t e ra n dt h eo u t l e ta r e aa sw e l la st h ep i ts t r u c t u r eo ft h en o z z l eh a v ec e r t a i ne f f e c t so n t h ef l o wi nt h em o l d k e yw o r d s ：p i v ；p h y s i c a ls i m u l a t i o n ；c o n t i n u o u sc a s t i n g ；f l o wf i e l d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 狙丑遂 导师签名：继亟 玉坦妄年乙月上2 日 大连理工人学硕士学位论文 1 前言 1 1 引言 钢的连铸过程是在一种连续状态下，钢液释放显热和潜热，并逐渐凝固成一定形状 铸坯的工艺过程。而连续铸钢作为近5 0 年来快速发展起来的成型技术，对钢铁生产的发 展和质量的提升起到了关键的推动作用 2 】。 以钢的连续浇铸成形替代摸铸成形是一项意义重大的技术革新。连续浇铸技术的应 用，彻底改变了钢冶炼车间的生产流程和物流控制，不但可以提高成材率8 1 0 ，节 约能源2 5 5 0 ，而且为车间生产的连续化、自动化和信息技术的应用，以及为大幅度 改善环境和提高产品质量提供了条件。目前，连铸比高低已成为衡量一个国家钢铁工业 技术水平的重要指标之一。 世界上先进的主要产钢国家的连铸比已达到9 5 以上【3 】。自1 9 9 0 年以来，我国连铸 坯产量开始快速增长，表1 1 给出了1 9 9 0 - - 2 0 0 4 年间的中国钢产量、连铸坯产量和连铸比 的增长情况。从1 9 9 5 年开始，我国连铸坯的年增长量超过了粗钢的年增长量，是钢产量 高速增长的技术动力。2 0 0 4 年上半年中国连铸坯产量达到了1 1 9 6 m r 。其中钢铁业的连 铸比达到了9 64 5 ，并呈现出继续增长的趋势1 4 j 。 表1 1 1 9 9 0 2 0 0 4 年间中国连铸的快速发展 t a b 1 1d e v e l o p m e n to f c o n t i n u o u sc a s t i n gi nc h i n af r o m1 9 9 0t o2 0 0 4 张文肖：板坯连铸结晶器内熔体流动的p i v 分析 续表 注，钢铁行业连铸比一至酉纂善誓当靠藉淼x 。 近2 0 年来，我国的连铸技术发展迅猛在成熟生产技术的应用、新技术的开发、应 用基础研究等方面都发展很快，连铸机保有量和连铸坯产量已占世界第一。与我国钢铁 工业在世界上的地位样，我国是一个连铸生产大国，但不是一个连铸技术大国 3 。我 国钢铁生产现状与国际先进产钢国仍然存在较大差距，集中表现在如下几个方面： ( 1 ) 在品种、质量方面：随着社会工业化和现代化的发展，市场对钢材的品种、 质量提出了更高的要求。 ( 2 )在工艺、技术装备方面：目自0 ，我国在生产工艺、装备水平上达到国际先进 水平的大型企业仅有少数几家，全行业工艺、技术装备落后。 ( 3 ) 在技术经济指标方面：与发达国家相比，吨钢能耗高，综合成材率低。 不仅要看到我国在连铸方面取得的长足进步，又要看到我们和国际先进水平之间的 差距，使我国钢连铸技术向着进一步高效率、节能和近终成形方面发展。最终把我国从 钢铁大国转变为钢铁强国，推动整个国民经济的发展。 1 2 研究结晶器内熔体流动的意义 结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，也是连铸机心脏设备之一。它的功能是将连 续不断地注入其内腔的高温钢水通过水冷铜壁强制冷却，导出其热量，使之逐渐凝固成 为其有魇要求的断面形状和坯壳厚度的铸坯。并使这种芯部仍为液态的铸坯连续不断地 从结晶器下口拉出，为其在以后的二次冷却区域内完全凝固创造条件t 5 1 。结晶器冶金是 去除夹杂物、改善钢材质量的最后的机会，它的运行状况直接影响着连铸机的生产率和 铸坯质量，同时流场又直接影响到温度场的分布，进而决定了铸坯的内部质量和组织结 构【6 】。有统计表n t 7 1 ，铸坯近8 0 的表面缺陷起源于结晶器。而结晶器内的流动状况与结 晶器的尺寸、浸入式水口参数、拉速等直接有关【8 。因此，研究现场操作条件下结晶器内 流场状态对提高连铸生产率和钢产品质量至关重要。 图1 1 描述了发生在钢连铸过程中结晶器内的基本现象【9 】。假若改善浸入式入水口系 统的流线，将会提高铸件的内部和表面质量。流场对凝固过程的作用表现在【i 1 o 】： ( 1 )结晶器内钢液的流动，对钢液中央杂物的上浮和液面保护渣的卷入存在着较 大的影响。合理的流场分布有助于钢中央杂物的上浮，防止卷渣现象的发生。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 )结晶器内钢液的流动，对初生 坯壳的形成及坯壳内钢液的温度分布存在 着较大的影响。平整光滑的界面有助于在 四周各个方向形成均匀的坯壳，而且减少 对已形成坯壳的热冲击力，同时也使得润 滑剂填充到坯壳和模型壁间的润滑间隙， 这对于润滑和热量传输是重要的。由于润 滑剂禁止带入到熔融的钢中，因此流场必 须补偿自由表面上热量的散失并保证熔化 润滑剂：另一方面，在结晶器的入口区域， 在被称为大涡的下方，应尽可能保证在铸 型方向上统一速度分布，这样有助于热量 向坯壳传输，坯壳才能向各个方向均匀生 长，同时稳定生长还会减少或分散坯壳中 的非金属夹杂物。 ( 3 )两相区内钢液的流动对凝固过 图1 1 发生在钢连铸结晶器内的基本现象 程的溶质再分配存在着较大的影响。两相 f i g 1 1 t h e b a s i cp h e n o m e n o nh a p p e n e d i n 区是一个固液共存区域，选分结晶现象的 ”m ”c a s t i n g 瞰默”1 存在导致了固、液相间溶质的再分配，溶质浓度在随着固相分数( f 。) 的变化而变化的 同时，也随着流动速度的变化而变化。 由于钢连续铸造过程是在高温状态下进行的，熔体流动对钢的连续铸造、中间包冶 金、液体金属净化、材料加工制备等工艺过程和产品质量都有重大影响。在结晶器和中 间包过程中发生的流动现象根本无法实际观测，而钢液的流动又十分重要，无论是液态 金属过热的散失，凝固坯壳的形成与生长，弯月面的结晶和自由表面波动，保护渣的分 布与传输，夹杂物的上浮，气泡的运动，凝固裂纹形成、溶质偏析以及所能达到的铸造 速度等均受其流动模式的制约；连铸过程中，进入结晶器内的高温钢水由于具有很大的 动能，所以凝固壳包围的液态金属中存在着强烈的流动，这种流动不仅对卷渣、卷气、 温度分布、凝固传热和凝固壳厚度分布的均匀性都有着重要影响，更重要的是直接和间 接地影响板桎质量。 但是，在实际的铸造中，由于液体金属的不透明性，高温等因素，对金属液体凝固 过程中的观察和研究显得异常困难，甚至是不可能。因此，在研究铸型中的流动，特别 是钢的铸造中，广泛地采用数值模拟和物理模拟。 张文肖：板坯连铸结晶器内熔体流动的p i v 分析 总之，对连铸结晶器内流场的研究，可以促使我们认识和解析结晶器内的熔体流动 规律，掌握其与铸坯质量的关系，进一步完善钢连铸技术，有的放矢的控制熔体流动， 从根本上促进实现铸坯内、外部质量的控制。 1 3 浸入式水口( s e n ) 浸入式水口( s u b m e r g e de n t r yn o z z l e ，简称s e n ) 是钢液从中间包流入结晶器的通 道。所谓浸入式水口，就是水口浸入到结晶器内的钢液面以下进行浇注的管道。浸入式 水口除了具有保护钢流、防止钢液的二次氧化的功能外，还可以改变注流在结晶器内的 流动状态，防止注流冲刷凝固层造成漏钢和拉裂，减小注流的冲击深度，促进夹杂物在 结晶器内上浮，并分散注流带入的热量，有利于坯壳的均匀生长【l “。因此，优化设计浸 入式水口，改善结晶器内的流场，已成为当前冶金领域的研究热点之一。 在连铸技术不断完善的过程中，高效连铸技术必然成为优化当代连铸生产的重要发 展方向。高效连铸的核心是高速连铸技术。但高拉速又给连铸工艺带来新的问题：一方 面使钢液在结晶器内的钢液流速和弯月面湍动加剧，造成凝固坯壳不稳定，流股冲击深 度加大，夹杂物难以上浮，同时还易造成卷渣和钢液面裸露，产生新的夹杂物，从而降低 钢水的洁净度。更为严重的是，将液面上的熔融保护渣卷入到钢水中，形成铸坯中的大 颗粒夹杂物，甚至引起漏钢和质量事故烈。另一方面随着拉速的提高，结晶器内原有 的热平衡被打破，结晶器内温度升高，热流对凝固坯壳的冲刷加剧，结晶器的坯壳减薄， 易造成铸坯鼓肚和漏钢。因此，要实现高速连铸，就必须改变原有的钢液流动方式分布， 使之适合予高速连铸工艺的需要。目前，解决此问题的主要措施是结晶器浸入式水口结 构的优化和电磁制动技术的采用【2 】，本文主要对前者进行探讨。 1 4 流动显示技术及流场测量方法 物理模拟是研究结晶器以及其它冶金反应器的有效手段，但是建立了合适的模型 后，还要借助合适的测试方法来实现流场测量。流场显示技术是研究各种复杂流动的有 效方法，其任务是使流体传输现象的过程可视化，显示出来的流动图形既便于直接观察， 也可用照相或摄影的方法记录下来。流动显示技术已有一百年的历史，它是随着流体力 学的发展而发展起来的 ”】。结晶器中的许多流动现象，如注流冲击、卷渣、夹杂物上浮、 回流等，都可以通过流场显示进行研究。 常规的流动显示技术，例如有染色线流动显示技术，气泡流动显示技术等等，这些 方法是利用染色的液体或是在流体中不断产生气洲1 3 】，来动态显示流场中的流动结构， 但这些方法只能对流场作一些定性的研究。 大连理工大学硕士学位论文 激光多普勒测速仪( l d a ) ：激光多普勒测速是用激光作为光源，基于多普勒效应，采 用光外差技术，测量流体的速度、湍流强度、雷诺切应力等。使用激光多普勒测速仪测 量结晶器内流场分布的研究为数不多，这大概和仪器价格昂贵有关【1 4 1 。 高速摄影法：这种方法是把高速运动变化过程的空间信息和时间紧密联系在一起进 行图像记录的一种测试方法。4 1 0 4 幅秒以上的称为高速摄影，高速摄影能将瞬变、 高速过程连续记录下来，给人们以直观形象和生动可靠的结果，并运用图像分析设备进 行定量计算。采用此方法可研究结晶器流场的流动状态，分析结晶器流场中射流的状态、 流股的运动形式、夹杂物的运动轨迹及卷渣等。 p i v 粒子图像测速技术：7 0 年代末发展起来的粒子图像测速p i v ( p a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r y ，简称p i v ) 技术，可同时测量一个断面的二维或三维速度矢量分布，而且 具有较高的测量精度。应用p i v 技术关键有三：一是有性能优良的脉冲激光系统；二是 有高精度的c c d 摄像机；三是有大容量、高速度的图像处理系统【h 】。本研究即采用p i v 测量技术。 这些定性或定量研究流场的方法，不同程度实现了流场的可视化，可为优化水口结 构和工艺参数等提供有效的信息。 1 5 国内外关于结晶器内流场的研究动态 钢连铸过程中，结晶器内的熔体流动对钢坯的内部和外部质量及凝固组织具有重大 影响，因此，国内外许多学者一直致力于结晶器内流场的研究。 1 5 1 国外对流场的研究 g u p t a 和l a h i r i 利用高速摄影技术，分别在不同的模型比例、水口直径、出水口 角度和铸造速度条件下，观察了水模型中弯月面的波动情况，结果发现波动幅度和出口 速度里抛物线规律，无量纲波幅与由入口速度决定的弗劳德数成线性趋势 1 6 - 1 8 。 h o n e y a n d s 和h e r b e r t s o n 利用全比例水模型，观察各种水口流动形式和表面波的摆动 机制，他们发现尽管水口完全对称，稳定状态下的流动还是存在很强烈的摆动。而且随 着铸造速度的提高，出水口角度的减小，波幅增大，他们认为振动主要是由出水口的射 流冲击和模型内循环流动之间的相互作用形成的。另外，还讨论了产生振动的各种原因。 结果表明在一定范围内，水模型和真实的连铸生产中，振动频率和置换率呈线性关系， 这说明斯特劳德数是恒定的【。 在数值模拟研究铜液流场方面，b g t h o m a s 基于k e 紊流方程，利用两维数值模 拟的方法进行了研究。考察了水口角度，铸造速度，模型宽度，紊流参数对流场的影响， 结果与利用水模型进行定量物理模拟的结果相一致。其中t h o m a s 得出了一个重要结论， 张文肖：板坯连铸结晶器内熔体流动的p i v 分析 即如果模型高度小于3 米，模型的底部就会干涉循环流动【捌。b r u m m a y e r 利用商业软件 优化浸入式水口并减少模型中的中间流 1 0 2 1 】。g r e e c h 模拟了在模型中的多相流，并考察 了选用不同的紊流模型时形成的凝固坯壳【1 0 捌。b g r i m m 进一步发展了钢稳态模型中的 数值模拟，这个模型注意到了弯月面的波幅，钢渣的运动及凝固过程【捌。a t h e o d o r a k 和g b e r g e l e s 探讨了利用稳态的n a v i e r s t l k e s 方程，对水模型进行了数值模拟，研 究了弯月面的波动及钢渣两相界面流【2 4 , 2 5 j 。 即使是采用数值模拟，也往往需要采用物理水模拟来验证数值模拟的效果。因此水 模拟渐渐成为选用数值模拟的评价标准，而且对于一些情况如果没有经验值，就无法建 立准确的数值模型。由此看来，在目前用数值模拟和物理模拟来研究流场，以便清楚金 属传输中的问题时，水模型试验起着越来越重要的作用【。 但是，以前进行的大多数水模型研究只是对钢液的流场进行了定性的分析，很难获 得精确的定量结果。还有的一些观测方法，象s z e k e l y 和y a d o y a 还有t h o m a s 等曾运 用p i t o t 管或是热膜风速测定法来观测速度【2 6 j ，f s h e n 等利用d o p p l e r 仪进行速度测 型2 。”。这些精度高、分辨率好的单点测量技术难以获得流场的整体结构和瞬态图像，即 使能做到，由于确定整个流场的速度要求专业化而且太费时，因此不能通用 2 6 ，2 8 j 。 p 用于连铸模拟，国外已进行了这方面的研究。美国的d o n gx u 等人较早地利用 白炽卤光灯作为光源，自行设计片光系统，用倒置的金字塔状的模型模拟凝固界面，对 铝合金的连铸结晶器内的流场进行了p w 物理模拟。由于是连续光源，通过软件调节 c c d 相机的跨帧时间间隔来调节两幅图像的间隔，但是这个间隔还是相对较大的，最 后利用时均速度来处理，并对流场对凝固组织和结构进行了讨论1 2 6 , 2 9 】；德国的h a n s j u r g e no d e n t h a l 等人对薄板坯的全比例水模型进行了大量的p i v 测量，在不同的铸速等条 件下，采用双曝光激光系统作为光源，通过调节曝光时间间隔来控制两幅图像的之间的 时间间隔。并对示踪粒子、图像记录、图像处理、相关算法进行了探讨，同时用商业软 件c f x 基于k e 模型进行了数值模拟，结果与水模型的实验结果相符，从而验证了数 值模拟的有效性【l 。英国的m j l a w s o n 和m r d a v i d s o n 分别用l d a 系统、p i v 系统 和c f x 4 软件进行了模拟，研究了在低的斯特劳德数s t 情况下，流场分别与模型宽度、 水口直径及模型几何比例的关系【3 。他们的模拟都取得了较理想的结果。 1 52 国内流场的研究 在国内连铸结晶器内流场研究方面，针对不同的水口设计参数、工艺参数及工况条 件，也已做了大量工作。 大连理工大学硕士学位论文 大部分是利用商业化软件对连铸过程结晶器内流场进行了模拟。例如，文光华、马 范军等人利用流场计算软件p h o e n i c s ，分析了拉速、水口出口角度、浸入深度、水口出 口面积比等参数对高速板坯连铸结晶器内的流场的影响，还研究了工艺参数对液面紊动 能和窄面冲击压力的分布影响。并在此基础上提出了适应高速板浇铸的合理水口结构尺 寸 2 , 3 1 】。张乔英等人针对邯钢板坯采用正交试验方法对影响钢液流动的主要因素进行了 研究和分析，并得出了浸入式水口的最佳工艺参数【3 2 】。仇圣桃在p h o e n i c s 商业软件包的 基础上开发了数值解析程序，建立了基于板坯连铸过程流场、温度场和凝固的三维耦合 数学模型，描述连铸板坯凝固过程中的流体动力学特点以及流动、传热和凝固现象之间 的交互作用 3 3 】。 孙于萍用f l u e n t 流体力学的三维计算软件，对板坯连铸结晶器内钢液的流场进行了 模拟研究，并得到实际工况下，板坯1 2 5 0 n m x2 0 0 m m 合理的工艺参数口。 于会香以宝钢一连铸板坯结晶器为研究对象，采用c f x 商业软件计算了结晶器内的 流动情况【35 1 。包燕平针对薄板坯连铸结晶器中钢液的紊流动特征，同样利用此商业软件 模拟了结晶器内钢液液面形状及速度场，分析了浸入式水口形状、拉速等工艺参数对薄 板坯连铸结晶器流场的影响。 谭利坚，沈厚发等人应用s o l a v o f 方法研究了板坯连铸结晶器自由表面的形状及 钢水流动行为，计算得出了具有实际物理意义的液位波动值【3 7 】。 杨秉俭针对连铸结晶器中钢液的紊流流动特点，利用有限元求解实际工况条件下的 板坯连铸结晶器中的三维紊流流动，并用水模拟试验结果验证了所用模型和计算方法的 可靠性，为凝固壳厚度的模拟计算和板坯质量控制奠定了基础田j 。王霄等用有限元计算 方法开展了薄板坯浸入式水口流场的研究，分别对水口不同浸入深度、水口倾角的流场 分布进行计算【j 。 贺友多等用自编的程序软件计算了结晶器内的流场，并率先开展了联立求解三维流 场和温度场的研究工作，分析了水口结构参数和工艺参数对结晶器内流场和温度场的影 响 4 0 1 。 在物理水模型研究方面，岳峰，包燕平针对1 0 5 0 m m x1 5 0 m m 断面的结晶器，建立了水 模型，利用波高测量仪研究浸入式水口结构、拉速、浸入深度等工艺操作参数对结晶器 液面波动、流股冲击深度及结晶器钢液面保护渣卷入情况的影响，比较不同水口结构参 数及操做参数对结晶器内流场的影响，从而找出结构参数与工艺参数间配合最佳的工况 【4 1 1 张文肖：板坯连铸结晶器内熔体流动的p i v 分析 唐学林和钱忠东等人为了研究结晶器内钢液涡流现象的形成机理，采用大涡模拟 方法对此涡流现象进行模拟，研究了水口插入深度、出口角度等与“湍动涡”在液面停 留时间的关系；分析了“湍动涡”和“偏动涡”的形成机理f 4 2 j 3 1 。 东北大学的雷洪、朱苗勇等人对结晶器内的流场进行了大量的研究。利用物理模型 考察了操作参数对结晶器内漩涡产生频率的影响，探讨了漩涡出现的规律及形成机制； 并利用开发的三维流场计算软件，研究了操作参数对武钢二炼钢板坯连铸机结晶器内钢 液流动的影响，并对流场结构参数进行了优化【8 12 1 。 陈永范通过大板坯连铸结晶器的水模型实验，研究了结晶器宽度、拉速、浸入式水 口倾角、水口浸入深度及水口吹气量等工艺参数分别变化时结晶器内流场的特性】。 在国内，利用p i v 水模型进行连铸结晶器内的模拟研究还没有发现相关报导。但在 其它的研究领域中，如在水洞、风洞、发动机、管道、河流等各种水和空气中已进行了 试验测试【4 ”。 大连理工大学从八十年代开始一直从事电磁铸造、电磁场控制连铸过程、熔体流动 和凝固及铝液净化技术的研究。本研究室早在1 9 9 2 年就与大连重型机器厂合作，采用 示踪法和高速摄影法进行钢薄板连铸超薄水口结构优化设计的研究，为超薄水口结构的 优化设计提供了依据。 1 6 本论文的研究目标和主要工作内容 本论文主要针对大板坯连铸结晶器内的流场进行p l v 物理模拟，实现流场结构的优 化，主要工作有： ( 1 ) 掌握p i v 物理模拟系统的基本原理和结构，并探索出用于大板坯连铸结晶器 内流场模拟的激光和相机系统参数； ( 2 ) p i v 物理模拟系统的实验设计，包括水口设计，模型设计，水循环系统设计 以及交流片光源系统的设计； ( 3 ) 连铸过程中不同操作参数条件下的p i v 物理模拟； ( 4 ) 对所模拟的流场结果进行分析和讨论。 大连理一l 大学硕士学位论文 2p i v 物理模拟系统 流动显示的任务是使流体传输的过程可视化，通过各种流动显示与测量实验，了解 复杂的流动现象，探索其物理机制和运动规律，发现新的流动现象【l 引。 本章阐述了进行物理模拟所基于的相似准则，p i v 进行流场测试的基本原理和方法 以及软硬件系统组成。 2 1 物理模拟和相似准则 物理模拟是利用相似准则，在不同规模上再现某个现象，分析其物理特性和线性尺 度的影响，并可对所研究的问题进行直接实验【1 】。 模型相似包括几何相似、运动相似、动力相似，其实只要保证几何和动力相似则 就保证了运动相似【4 6 1 。几何相似，模型几何尺寸和实际尺寸比为1 ：1 ，几何相似中重 要的一点是边界条件相似，对钢在结晶器内的流动进行模拟，由于钢的凝固梯度相对 较小，可以近似利用光滑界面模拟：动力相似，由于模型结构相似，都是研究由水口 喷出后在熔池内的流场分布，钢液的源动力主要来自浸入式水口钢液的惯性流和重力。 这和物理模拟是相同的。 相似准则，一般而言，主要考虑r e 准则、f r 准则、s t 数、n e 数。 在对结晶器内流场进行模拟研究时，常用水来模拟钢液，因为水的运动粘度与钢液 的运动粘度相当。2 0 。c ( 室温条件下) 的水和1 6 0 0 c 的钢液的物理性能见表2 1 6 i 。 表2 1 水和钢液的物理性能 t a b 2 1t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so f w a t e ra n ds t e e l 2 0 。c 水 9 9 80 0 7 31 0 1 0 4 1 6 0 00 9 1 0 钢液在重力作用下从中间包经浸入式水口流入结晶器，构成一个典型的有限空间射 流。根据相似理论，钢液的流动实际具有粘性的流体流动，影响其流动状态的作用力主 要有惯性力、重力、粘滞力。只要保证原型与模型的r e 数( 系统的惯性力和粘性力的 张文肖：板坯连铸结晶器内熔体流动的p i v 分析 比，表征系统的粘滞流动) 和f r 数( 系统的惯性力和重力或浮力的比，它表征由重力 引起的流动) 同时相等，即满足下列等式就可以保证模型和原型之间的物理相似川。 o k ) 。，( 厅) 卅， ( r c ) 。( n ) 。 根据流体力学原理【1 , 4 7 1 当流体流动的r e 数大于第二临界值时，流体的湍动程度及 流速分布几乎不再受r e 数的影响，此时流体的流动状态不再变化，且彼此相似，与r e 数不再相关，也就是说，流体流动进入“第二自模化区”，在进行模型研究时，只要模 型与实物中的流体流动处于同自模化区，模型与实物中的r e 即使不相等，也能做到 速度分布相似，这给模型研究带来很大方便。流体的自模化区的临界值通常为1 0 3 一1 0 4 ， 大部分区域r e 均大于1 0 3 ，因此相似流动只要满足研究重力和惯性力关系的f r 准则。 即保证原型( 下标p ) 与模型( 下标m ) 的弗劳德数f r 相等 1 l 。 即丢= 丢 v 一流动速度 g 一重力加速 l 一特征长度 p i v 物理模拟的可靠性取决于原型和模型的相似性，在进行物理模拟实验研究时， 要完全满足相似原理是难以做到的，通常需要一些简化进行一些假设：忽略结晶器内凝 固壳的存在，即也忽略了凝固前沿产生的体积收缩引起的钢液流动；结晶器内钢液按均 相介质处理；忽略振动对流动的影响。 2 2p l v 测量技术 p i v 流场测量技术突破传统单点测量的限制，可瞬时无接触测量流场中个截面上 的二维速度分布，且具有较高的测量精度，是当今比较先进的流场测试手段。 p i v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 即粒子图像测速，是7 0 年代末由固体力学散 斑法发展起来的粒子图像测速技术 1 3 】，是在传统流动显示基础上，利用图形图像处理技 术发展起来的一种新的流动测量技术。它综合了单点测量技术和显示测量技术的优点， 克服了两种测量技术的弱点而形成的，既具备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获 得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。目前它的精度已达到了( n 衄) 级，清晰度也 很高，速度测量范围也很宽，以双y a g 脉冲激光源为光源组成的p i v 系统为例，其测 速范围在o 0 1 到1 2 0 0 m s 之间，足以适应一般流场研究的需要【2 8 1 。总之，p i v 是一种非 大连理工大学硕士学位论文 接触的测量方法，可以实现定性定量测量，且具有很高的精度和分辨率，可视化很强， 随时反映流场的结果，操作简单，且具有很好的用户界面。p i v 作为最先进的流体测量 技术，结合了当今最先进的激光技术、计算机技术和数字图像处理技术。因此，到目前 为止，它是一种比较理想的测量流场的方法【4 8 l 。图2 1 是p i v 流场测量的示意图【l o 】。其 图2 ip i v 流场测量示意图 f i g 2 1i n v e s t i g a t i o no f m o l df l o w su s i n gt h ep 基本原理是：在流场中散布示踪粒子，并用双脉冲激光片光源在限定的时i 司a t 。d p i v 内， 入射到所测流场区域中，照亮粒子，而两束光的时间差t 。d p i v 可以由软件来确定；与 此同时相机在垂直片光方向通过连续两次曝光，捕捉这两束激光，通过调节曝光延时， 使第一束激光落在第一帧上，第二束激光落在第二帧上，这样粒子的图像就被记录在c c d 相机上，并通过图像采集板传输到计算机，最后软件采用自相关法逐点处理记录的图像， 最终获得流场速度分布【1 0 , 4 5 1 。 p l v 系统通常包括三个关键部分： 一是直接反映流场流动的示踪粒子，示踪粒子的选择直接影响流场测试的结果。 二是成像系统。双脉冲激光片光源、透镜和照相机构成p l y 的成像系统，用于照射 动态为立场的片光源由脉冲激光通过透镜形成，拍摄粒子场照片的相机垂直于片光，曝 光脉冲要尽可能短，曝光间隔能够随流场速度及其分辨率的不同而进行调节，如果设定 张文肖：扳坯连铸结晶器内熔体流动的p i v 分析 的时间间隔太小，速度向量则很小，无法确切表征速度场，耜反，时间间隔太大，则两 帧图象中粒子的相关性减弱，会把三维压入二维，同样也不能正确表达速度场。选择的 时间间隔是否合适，可以得到的流场来评价，在本研究中设定的两束激光的时间间隔为 几毫秒。片光要尽可能薄，激光片光源在柬腰处厚度只有几个毫米 1 0 , 4 9 。 三是图像处理系统。图像处 理系统用于完成从两次曝光的 粒子图像中提取速度场。将粒子 图像分成若干查询区( 同一小区 内的粒子假定有相同的移动速 度，并且作直线运动；此外，查 询区内的最大粒子位移不能超 过查询区的1 4 ；在片光厚度方 向的位移不能超过片光厚度的 i 4 ：平面位移要大于亮场中粒 子图像直径) ，在查询光束的作 用下，利用自相关法逐个处理查 询区，得到粒子的移动速度，进 图2 2 p i v 相关算法示意图 f i g 2 2t h es c h e m a t i co f p i vc r o s s - c o r r e l a t i o n 而得到速度场分布 ”。图2 2 为p i v 相关算法示意图m 。 2 3 粒子的选择 示踪粒子的选择直接影响流场测试的结果，因此粒子的选择尤为关键。 作为示踪粒子必然要满足一些一般要求，如无毒、无腐蚀、化学性质稳定、清洁等 要求，但作为p i v 研究，此外还有两个基本要求，即可见度高，是良好的光散射体：粒子 和物体流动之间的相对运动尽可能小，能够跟随流动，也就是说粒子的跟随性要好。这 两个要求其实有些矛盾，通常粒子的可见度随着它的尺寸的增加而增加，而尺寸越大，粒 子对流动的跟随性越差【13 1 。通常要求粒子的形状尽可能接近球形，其尺寸大小尽可能地 一致，直径也要尽可能地小一些。在气体中一般应小于1 2u ，在液体( 水) 中可以达到 3 0pm 或更大，粒径一般选择范围从几微米n 2 0 0 微米之间【1 0 , 4 6 , 4 9 , 矧。但要求比重尽可能 接近于所测液体的比重，则可以得到令人满意的跟随性 1 3 , 4 6 , 4 7 】。 适用于水的示踪粒子有密度近似为1 0 5 k g m 3 球状白色粒子，提高了粒子光散射效 应的荧光粒子、表面镀银的空心玻璃珠、乳化泡粒子和液晶粒子l 舶j 。 大连理f ，火学硕士学位论文 在粒径的选择上，既要保证粒子的流动跟随性好，又要结合粒子的散光性，还要结 合所研究的模型大小及c c d 相机的分辨率。如果所研究的流场区域比较大，而相机分辨 率受当时技术水平的限制，若不能完整地拍摄流场区域，则需要稍微增大粒径，实验中 采用空心玻璃珠，平均粒径大j j , ) b5 0t tm ，密度为1 3k g m s 。 2 4p l v 硬件系统 图像测速系统包括硬件和软件两部分如表2 2 所示。硬件系统主要由双脉冲激光 器、高速数字相机、同步控制器、图像采集板和计算机组成，p i n 系统硬件参数如表2 2 所示。 表2 2p i v 慢件系统参数 t a b 2 2p a r a m e t e r so f p i vh a r d w a r es y s t e m 2 4 1 激光光源系统 本实验采用n d ：y a g 双脉冲激光器组作 为照明光源，脉冲激光器外形如图2 3 所 示。该激光器由于体积小、脉冲宽度小、 控制灵活等特点，已经广泛应用于p i v 领域 作为照明光源。激光片光源可以由光束通 过三棱镜和圆柱透镜形成，片光源的厚度 约为0 5 i m m ，光强的选择以保证示踪粒 图2 3p i v 专用激光器 f i g 2 3l a s e rf o rp i v 张文肖：板坯连铸结晶器内熔体流动的p i v 分析 子能被清晰地摄录下来为原则。 图2 4 是激光器的工作原理图，它是由氙灯闪光作为光源，激发y a g 晶体棒产生a 、 b 两路1 0 6 4 n m 的红外激光，这两路光源安置在同一光学平台内，避免了传统? i v 激光器 分体式设计中存在的一些劣势。这两路激光器产生的红外波段( 1 0 6 4 n m ) 的激光经过倍频 即利用偏振耦合技术同轴输出，进入s h g 晶体后产生可见的激光一绿光( 5 3 2 n m ) 随后经 过分光系统，将红外波段的激光滤掉，只；睁绿光输出。特别指出的是脉冲激光经过合束 后再通过一个光路出口，并且严格空间上重合的发射出来，经过导光臂和片光源系统， 产生照明流场的脉冲片光源 s h 。 图2 4 激光器【：作原理 f 追2 4w o r kp r i n c i p l eo f l a s e r 激光器的能量通过电压来调节，最大输出能量为2 0 0 m j ，激光输出频率为卜1 5 h z ， 它的导光臂设计很灵活，共有7 个关节。 2 4 2 激光器电源 所用的脉冲激光电源属于新一代的固 体激光电源，如图2 5 所示，采用了新型 的功率变换电路和功率开关器件，实现了 软开关工作模式：机内弱电电源也采用开 关电源；电源采用模块化设计，维修简单、 方便：充电电压采用数字显示。整机具有 损耗低、体积小、重量轻、稳定性好等特 点。通过调节电压来调节能量，可以实现 内外触发状态转换。 i 到2 5 同步控制器及激光器电源 f i g2 5s y n c h r o n i z e ra n dp o w e ro f l a s e r 大连理工大学硕士学位论文 2 4 3 同步控制器 同步控制器的作用是实现两束激光的同步；实现激光和c c d 相机的同步。同步控制 器如图2 5 所示，通过内部时基时产生周期的脉冲触发信号，用来控制激光器、数字相 机和图像采集板，使它们工作在严格同步的信号基础上，保证各部分协调工作【4 5 】。 2 4 4 计算机 计算机用于存储采集板提供的图像数据， 成速度场的计算、显示和存储1 4 5 1 。 用于p i v 测量的计算机的内存有一定的要求， 存1 g 。 2 45 c c d 相机 通过粒子图像测速系统软件可以实时的完 实验中用的是台式计算机，硬盘8 0 g ，内 数字相机通过外部触发一次瞬间捕捉两帧图像，同时将捕捉到的一系列图像数据通 过图像采集板实时的传输到计算机。触发信号由同步控制器提供，从而保持与脉冲激光 器的完全同步。p i v 系统中采集图像的是专用c c d 数字相机( 两帧之间的最小曝光时间 间隔小于5 0 0 n s