（材料加工工程专业论文）铝合金板坯连铸过程流动现象的dpiv物理模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着连续铸造技术的日益发展，高效连铸是主要的发展方向。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，防止气孔、拉漏等铸坯缺陷的产生。铝 合金连续铸造过程中，浮漂漏斗结构和浇注工艺参数直接影响结晶器内的流场，进而决 定了铸坯的表面质量和内部组织结构。因而优化浮漂漏斗的结构和工艺参数意义重大。 本文将d p i v ( d i g i t a lp a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 粒子图像测速技术应用于铝合金 板坯连铸结晶器内流场研究，介绍了d 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) ，并总结出d p i v 系 统用于大板坯连铸模拟的软件设置参数。将激光器片光源安置在模型的上方，减小了能 量的损耗，保证了视场足够的亮度和均匀性，实现结晶器内流场可视化。 针对1 6 5 0 x 2 2 0 衄n 2 铝合金大板坯连铸和1 0 0 0 x 3 0 0 删n 2 铝合金中板坯连铸，建立 全比例模型。实验中考虑到液固界面的影响并采用与枝晶生长结构相似的天然海藻模拟 液固界面，效果较好。基于实际生产使用的浮漂漏斗结构，设计并制作了9 种不同结构 的浮漂漏斗。对不同浮漂漏斗及不同的拉坯速度下进行了d p i v 物理模拟。分析了浮漂 漏结构和拉坯速度对流场和铸坯质量的影响。 实验结果表明，随着拉坯速度的增大，表面越不稳定；可适当增加浮漂漏斗出水口的 向下出倾角来提高拉速：同等条件下浮漂漏斗采用跑道形出水口的要优于矩形出水口。本 实验条件下出水口面积7 0 2 2 m m 2 比较适宜。出水口的角度直接影响流动模式，随着 出水口向下倾角增加，上回流增大，下回流减小，液面流速降低，但冲击深度变大，不 利于夹杂物和气泡的上浮，本实验条件下，出水口角度为2 0 。比较适宜。 关键词：d p i v ；铝合金连铸：结晶器：物理模拟 铝合金板坯连铸过程流动现象的d p w 物理模拟 d p w p h y s i c a ls i m u l a t i o no f m e l t f l o wi nt h em o u l d d u r i n gt h e c o n t i n u o u sc a s t i n go f a l u m i n i u ma l l o ys l a b a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g i e s ，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 s b 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 ec o n t i n u o u sc a s t i n g f 1 l l i df l o wi nt h em o u l d m 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 la n ds u r f a c eq u a l i t yo ft h es l a b sw h i l e i n c r e a s i n gt h ec a s t i n gs p e e d a l u m i n u ma 1 1 0 yc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s ，f l o a t i n gd i s t r i b u t o r s t r u c t u r ea n dm o l dc a s t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sd i r e c t l yi m p a c tt h ef l o wf i e l d , t h e r e b y d e t e r m i n i n gt h e s l a bs u r f a c e q u a l i t y a n di n t e r n a l o r g a n i z a t i o n a ls t r u c o l _ r e t h u s ，t h e o p t i m i z a t i o no f f l o a t i n gd i s t r i b u t o rs t n l e t r u ea n dm r h n o l o g i c a lp a r a m e t e r si ss i g n i f i c a n t t b i sp a p e rs t u d i e dt h ef l u i df l o wp h e n o m e n ah a p p e n e di nc o n t i n u o u sc a s t i n go f a l u m i n i u ma 1 1 0 yb yd i g i t a lp a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ( d p w ) t e c h n o l o g y ，a n a l y z e dt h e i n f l u e n c eo f t e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n df l o a t i n gt u n d i s h 刚n l c n 聃o nf l o wf i e l d t h er e s e a r c h0 1 1 f l o wf i e l di nm o u l dh e l p so p t i m i z i n g f l o a t i n gd i s t r i b u t o rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r , t h e n i m p r o v i n gp r o d u c tq u a l i t y c o n s i d e r i n ge f f e c to ff l u i d - s o l i di n t e r f a c e ，n a t u r a ls p o n g ew h o s e m i c r o s t r u c t u r ei s $ i m i l a et of l u i d s o l i di n t e r f a c ew a su s e di no r d e rt os i m u l a t et h er e a l c o n d i t i o n e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w et h a tt h ef a s t e rt h ec 8 _ s t i u gs p e e di s ，t h em o r et u r b u l e n tf r e e s u r f a c ei s a n dt h a tr a c e t r a c kp o r t sa r cb e t t e rt h a nr e c t a n g u l a ro n e s n l ea n g l ei so n ei m p o r t a n t f a c t o rw h i c hi n f l u e n c e st h ef l o wi nt h em o l d t h eb i g g e rt h ea n g l ei s ，t h el o w e rt h ei m p a c t i n g d 0 ho i lt h ei i r i t o v vf a c e k e y w o r d s ：d p i v ；c o u t i n u o u se a e t i n go fa l u m i n i u ma l l o y ；m o u l d ；p h y s i c a ls i m u l a t i o n 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酣研秃工 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：缒日 导师签名：丞茎塑 五口q 年丝月2 生日 大连理工大学硕士学位论文 1 前言 铝工业的整个发展历史不过两百年，但由于铝及其合金具有一系列优异特性，发展 速度非常快，已广泛应用于交通运输、包装容器、建筑装饰、航天航空、机械电器、电 子通讯、石油化工、能源动力等行业，成为发展国民经济与提高人民物质生活和文化生 活水平的重要基础材料【”。2 0 0 0 年加入世贸组织以后，中国铝业正面临严竣的考验和 难得的机遇。中国铝工业正在加快产业结构调整步伐，努力增强企业竞争实力；加快企 业技术改造进程，早日实现产业升级：巩固和创建大型铝业集团，积极参与国际竞争； 加大技术创新力度，不断改进工艺进度，提高生产效率，降低成本，扩大新产品，提高 产品质量，拓展铝材使用领域和市场，充分利用和发展我国的丰富资源优势和有利条件， 尽快把我国建成铝加工材料业的世界强国。 1 1 铝合金及连续铸造技术 1 1 1 我国铝加工行业的现状及前景 铝及其合金是有色金属中用途较广的轻金属之一【2 】。它具有密度小，重量轻，比强 度高；具有良好的导热性和导电性；易切割、焊接、拉丝和压延。随着近代制造工业如 航空，航海，汽车工业的发展；石油化工，电信和原子能及空间技术等新型工业的崛起， 铝合金的使用在日益增加，因而在国民经济中占有重要的地位。 铝工业具有生产规模是从2 0 世纪初才开始的【3 】，随着科学技术的进步和经济的飞速 发展，铝材应用领域和消费量迅速扩大，在各种材料的激烈竞争中处于优势地位。在2 l 世纪初期，每年基本上保持5 左右的生长率。为了保持铝工业的蓬勃发展，世界许多国 家的政府，企业和科技界都进行了大量有益的工作。据测算，目前我国年人均铝消费量 为1 4 6 k g ，大大低于世界年人均3 5 k g 铝的平均消费水平，而经济发达的美国和日本分 别为2 0 8 k g 和1 8 7 k g ，是我国人均铝消费量的十几倍，这说明我国铝的消费领域还有 待开发，市场潜力仍很大，图1 1 是1 9 9 7 年我国与世界铝消费领域的比较图【4 】。可以看 出，我国在包装及运输行业的铝消费水平与世界相比仍存在较大差距，尤其是在交通领 域，铝制汽车是2 1 世纪的重要方向，铝制汽车对汽车的轻型化和节能都具有战略意义。 可以预见，未来几年我国的铝消费需求将进一步增长。图1 2 是我国近年来铝的生产量、 消费量及进口量的对比【5 1 。我国的铝产量从1 9 8 8 年以前的世界第8 位跃居到1 9 9 7 年的 世界第4 位，成为仅次于美国、俄罗斯和加拿大的铝生产大国；而铝的消费量在1 9 9 2 年和1 9 9 7 年先后突破1 0 0 万t 和2 0 0 万t ，成为美国和日本后的世界第三大铝消费国。 铝合金板坯连铸过程流动现象的d p i v 物理模拟 虽然我国铝的生产和消费基本处于平衡状态，但并不意味着我国铝的生产已完全满足国 家对铝的发展需要。每年我国都需要从国外进口 ( a ) 世界铝消费结构( b ) 我国铝消费结构 图1 - 1 我国与世界铝消费领域比较图 f i g 1 1c o m p a r i s o nd i a g r a mo f a ic o n s u m p t i o nb e t w c o nc h i n a 大量的铝，这主要集中在一些国内尚不能生产的高质量铝材及合金。仅包装用的易拉罐 用铝材一项每年就需要进口十几万吨【6 】。因此，为了充分利用和合理调配我国丰富的资 源，加速发展我国铝及铝材生产产业，深入分析和讨论铝材的生产技术与产品研制、开 发等问题是十分重要的，也是一件有现实意义和深远意义的事情。 营 r 、 蚓 籁 i - 4 1 - - 生产量 - - 消费量 + 进口量 ，一| 。妒 ? 左= ，矿 ”入 ，_ 。一一。、 年份年 图1 2 我国的铝产量、消费量及进口量 f i g 1 2p r o d u c t i o n , c o n s u m p t i o na n di m p o r tq u a n t u mo f a l 1 1 2 连续铸造技术的发展与现状 早在十九世纪中叶人们就提出连铸液体金属的设想，1 8 5 6 年h b e s s e m e r 获得旋转 辊连铸可锻铸铁的专利，但直到1 9 3 0 年才将铜、铝、铅等有色金属的连铸应用于生产【刀。 2 大连理工大学硕士学位论文 铝的铸造( c a s t i n g ) 有成型铸造( f o u n d r y ) 和铸锭铸造( c a s t i n g ) 之分。成型铸造用的是铸 造铝合金，即共晶型( e u t e c t i ct y p e ) 铝合金；而铸锭铸造用的是变形铝合金，即固溶体型 f l i ds o l u t i o nt y p e ) 铝合金。铸锭是压力加工的坯料，包括供挤压( e x t r u s i o n ) 和锻造( f o r g i n g ) 加工的圆铸锭( b i l l e t ) ，供压延( r o l l i n g ) 加工的扁铸锭和方铸锭( s l a bi n g o t ) 等【8 】。铸锭的凝 固组织形态、致密度、成分偏析等对后续加工工艺及最终的制件质量具有决定性的影响。 传统的铸锭生产主要采用钢锭模铸造，其生产过程是非连续的。由于凝固条件所限，钢 锭模铸锭的凝固组织、成分及致密度在轴向和径向上都是不均匀的。且由于在锭头和锭 尾处存在缩孔及缩松等缺陷，需切头去尾，降低了铸锭的实际利用率。连续铸造 c c ( c o n t i n u o u sc a s t i n g ) 技术的应用是冶金工业的一次技术革命，它不仅提高了生产效 率，减少材料的消耗和浪费，而且使材料的内部冶金质量得到极大改善。 铝合金的连续铸造通常采用组合铸锭半连续铸造的方式进行 9 1 。在一次连铸过程中 可以同时铸出多个锭。当铸锭的长度达到几米或十几米时，中断连铸过程，取出铸锭， 然后再开始新的铸锭的连铸。半连续铸造是钢铁与有色金属合金工业生产中极为重要的 凝固手段。自从1 9 5 3 年a l c o 及v l w ( v e r e i n g a t el e i c h tm e t a l l w e r k eg m b h ) 研制开 发的直接水冷铸造法连续铸造铝以来，随后的五十年里，由于铝的导热性能好，熔体金 属容易处理等特点，铝的连续铸造技术得到了显著的发展，开发和研究了各种铸造工艺。 如：热顶铸造法，直冷连续铸造法，电磁铸造法等【l o 】。 半连续铸造( d c ) 立式直接水冷半连续铸造( v e r i c a ld i r e c t c h i l l s t i n 曲，1 9 3 3 年由法国人j u m g h a u s 首先 研制成功，至今已成为铜、铝、镁及其合金锭坯广泛采用的生产方法。铸锭长度一般在 l o m 以内。由于半连续铸造工艺能够实现生产工艺过程的自动化，因而简化工艺流程， 节约能源，大幅度提高劳动生产率，并能保证稳定的产品质量和较高的金属收得率，在 现代冶金生产中占有重要的地位【l ”。 热项( h t ) 铸造 普通的半连续铸造，因结晶器内凝壳收缩形成气隙的影响，使铸锭表面产生严重的 偏析瘤，粗晶层和表面裂纹，又由于液面控制不稳定也常产生表面冷隔和夹杂等缺陷。 7 0 年代开发的热顶( h o t - t o p ) 铸造恰能克服上述缺陷，可铸出较好表面的铸锭。近年 来热顶铸造发展很快，新技术不断涌现如：普通热顶铸造，同水平热顶铸造、气体加压 热顶铸造和气滑热顶铸造。 电磁铸造( e m c ) 2 0 世纪6 0 年代前苏联首次研究成功了不用金属结晶器，而用电磁力来维持熔体形 状的连续铸造方法。称为电磁铸造法。它是用电磁感应线圈取代传统的结晶器，靠电磁 铝合金板坯连铸过程流动现象的d p i v 物理模拟 力与金属融体的表面张力形成铸型。由于金属熔体与铸模几乎无接触，使铸锭直接由冷 却水的冷却而凝固。因此铸锭表面光滑，内部质量极为优良【1 2 】。 1 2 研究结晶器内熔体流动的意义 铝合金半连续铸造凝固过程最显著的特点是结晶器内部存在具有一定深度的液穴， 其装置和工艺过程如图1 3 所示。液穴内的金属液的流动对铸坯的质量有着重要的影响。 浮标 铸造 方向 图l 连续铸造的装置示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f d i r e c tc h i l lc a s t i n g 连铸过程是在一种连续状态下，金属液释放显热和潜热，并逐渐凝固成一定形状铸 坯的工艺过程。熔体流动对产品质量有重大影响，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，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。 结晶器是连续铸造中的铸坯成型设备，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金属液通过水冷铜壁强制冷却，导出其热量，使之逐渐凝固 成为具有所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 她从结晶器下口拉出，为其在以后的二次冷却区域内完全凝固创造条件。结晶器冶金是 4 大连理工大学硕士学位论文 去除夹杂物、改善铸件质量的最后的机会，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【1 4 】。 由于高温和不可视等原因，在结晶器过程中发生的流动现象无法实际观测，因此， 物理模拟和数值模拟被广泛应用到连铸过程熔体流动的研究。国内外都很重视对结晶器 内流场的研究。现场的经验和众多的研究表明，结晶器内的流动状况直接影响着最终铸坯 的质量。而结晶器内的流动状况与结晶器的尺寸、浮漂漏斗参数、拉速等直接有关。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铝产品质量至关重要。 1 3 结晶器内熔体流动的研究方法 结晶器内基本的物理现象是金属液的流动及初生坯壳的生成，各种冶金过程都是在 流动的金属液中进行的。有统计表n t l 3 】，铸坯近8 0 的表面缺陷起源于结晶器。因此， 要充分发挥结晶器的冶金功能，提高铸坯的质量，研究结晶器内的金属液流动现象是获 得高质量铸坯的基础。在高温下，直接测量和观察结晶器内金属液的流场，不仅在测量 技术方面有难度，而且研究费用很高，直接获得实际结晶器内金属液流动和温度场的信 息是相当困难的。为此，人们通常采用模拟方法对结晶器内的流动行为进行研究。 所谓模拟是指利用与研究现象或过程相似的模型来进行研究的方法。模拟手段可分 为数学模拟与物理模拟。数学模拟主要是指数值模拟，即把所研究的现象用数学模型表 示出来，然后在计算机上对模型进行数值实验。物理模拟是在不同模型上再现某个现象， 分析其物理特性和线性尺度的影响，可与所研究的过程进行直接实验。物理模拟多在按 相似准则构成的实验室设备或中间实验设备上进行，即所谓相似模拟。 1 3 1 结晶器内金属液流动的数值模拟 随着计算机技术的发展，使用数值计算方法模拟结晶器内金属液行为已成为研究结 晶器内流场和温度场的重要手段。数学模拟是基于计算流体力学、传热学、反应工程学 的原理，建立与质量、动量、能量等物理量有关的偏微分方程组，用数值方法求解，通 过数值分析，给出整个流场中各变量的时空分布，进而分析冶金过程的速率和效果，具 有计算速度快、成本低的优点。因此，数值模拟方法成为工程装置优化、仿真设计和实 现过程最佳控制的有力工具。 1 9 7 3 年，s z e k e l y 和a s a i 率先将单方程紊流模型和s p l a t ：l i n g 的离散化方法应用于结 晶器内钢液的流动，编制程序模拟了方坯结晶器中二维情况下的流动现象。1 9 7 4 年 l a u n d e r 和s p l a d i n g 使用k - 双方程模型较合理地解决了流场的数值计算问题。此后， 关于结晶器流场数值模拟方面的研究逐渐多起来。从模拟的方法上来讲，主要分为两大 铝合金板坯连铸过程流动现象的d p i v 物理模拟 类，一类是利用商业软件，如基于计算流体力学c f d 的p h o e n i c s 。f l u e n t ，c f x 、 s t a r c d f i d a p 等，对流场直接进行计算；另一类是针对所研究结晶器的特点自行编 制程序进行计算。不少国外研究者 1 f , q 9 1 依赖商业软件进行了数值模拟研究，其工作重点 主要集中在冶金过程本身更复杂机理的研究上，更加重视源项和边界条件的正确描述并 努力提高体系的仿真程度和精度。 我国冶金界从8 0 年代初开始数值模拟方面的工作。许多研究者 2 0 - 2 1 】采用商业软件 研究结晶器内流场、温度场以及夹杂物的运动轨迹。也有研究者自行开发模拟结晶器内 二维、三维流场的软件，如雷霆圆等较早地采用s i m p l e 算法计算了结晶器内的流场， 并采用速度合成原理定量研究夹杂物在结晶器内的运动状态，分析不同种类、尺寸的夹 杂物在结晶器内的行为及其在各区域的上浮情况。贺有多等【2 1 】也计算了结晶器内的流 场，并率先开展联立求解三维流场和温度场的研究工作，开发求解流场、温度场的计算 程序，对结晶器内流场、温度场分布和铸坯坯壳的厚度进行计算，分析水口结构参数和 工艺参数对结晶器内流场及温度场的影响。不同研究者模拟结晶器内流场所用的各种软 件见表1 1 。 表1 1 结晶器内流场数值模拟所采用的软件 t a b 1 1s o f t w a r e su s e di nn u m e r c i a ls i m u l a t i o no nf l u i df i e l d 尽管结晶器内紊流流动模型比较成熟，使用商业化计算软件或者是自行编制程序均 能帮助人们较好的研究并解决工艺生产中的一些实际问题。然而，还要清楚地认识到， 冶金过程的物理现象是极其复杂的，很难精确模拟，冶金反应器的复杂形状，更增加了 6 大连理工大学硕士学位论文 模拟的难度。不论是利用商业软件还是自行编制程序来研究流场，对自由表面扰动问题 ( 结晶器内金属液面波动) 、多相系统问题( 结晶器内气液系统、固液模糊区系统) 及伴随 有化学反应过程的紊流问题等课题目前尚不能很好地解决。 1 3 2 结晶器内金属液流动的物理模拟 在对结晶器内流场进行物理模拟研究时，常用水来模拟金属液，因为水的运动粘度 与金属液的运动粘度相当。因此，许多研究者通过水模型实验，研究结晶器内金属液的 流动规律，研究钢液的较多。通过改变浮漂漏斗或水口的孔形、孔数、出孔面积比及插 入深度，调整金属液在结晶器内的流动状态，以促使夹杂物的分离，减弱对初生坯壳的 冲击，防止卷渣，并均匀金属液成分和温度，提高产品质量。 ( 1 ) 物理模拟的理论依据 对物理过程进行研究有两种基本方法，即分析法和实验法。分析法以物理概念为基 础，以数值分析为手段，对物理过程进行研究的方法；实验法是以物理过程为基础，以实 验测试为手段，对物理现象进行研究的方法。单纯地以分析法或实验法均不能有效地解 决生产技术和科学研究中日趋复杂的问题。人们在广泛研究的基础上，发展形成一种以相 似理论为基础的物理模拟方法。 以相似理论解析物理过程的依据是：在同类的相似现象中，具有相类似的运动规律； 在相似条件下对某一过程进行实验研究，将所得结果推广应用与之相似的同类过程。在 应用方面具体分为两种情况：一是对描述的物理过程的微分方程式进行相似转换，再由 实验决定出微分方程的解，所得解具有相似的特征，可推广应用于同类的相似过程。另 一种情况是，根据相似的原则进行模型实验，将模拟的结果推广应用，即相似模型法。 相似定律是相似理论的主要内容，同时又是模型实验研究的理论基础。 ( 2 ) 流动显示技术及流场测量方法 物理模拟是研究结晶器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【2 引。它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。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。商速摄影法，s g 8 0 0 实验数据采集系统及激光测速法、d p i v 等技术是使流场显示技术日趋强大不但提供了各种流动的流谱，而且还可定量的测定数 据。使模型法成为水口优化设计以及相应工艺参数优化中不可或缺的可信方法。 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泡，来动态显示流场中的流动结构，但 7 铝合金板坯连铸过程流动现象的d p w 物理模拟 这些方法只能对流场作一些定性的研究。 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【2 4 。 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。 s g 8 0 0 数据采集系统：它由p c 机、电测仪、打印机及各种传感器组成。该系统可 以准确定量地测量结晶器液面的波动大小，包括波的个数、大小及最大波、1 1 0 大波、 1 3 大波的波高均值、平均周期。同时，该系统还可准确测量任一测点压力的大小，包 括最大值、最小值及其出现的相应时间，结合流场显示技术，可以准确地测量各工况条 件下注流在结晶器内的冲击深度i 硎。 d 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d p i v ( d i d ：i t a lp a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t r y , 简称d 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d 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 2 0 3 。 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。本文就是采用先进的d p i v 技术对结晶器内的流场进 行拍摄。 1 4 国内外研究概况 国内外许多学者对结晶器内的流场进行了研究。但是绝大多数是研究钢连铸结晶器 内的流场。有的采用数值模拟的方法，有的采用物理模拟方法，也有许多学者将两种方 法相结合，对不同结构的浸入式水口和各种工艺条件下结晶器内金属液的流动情况进行 研究。对于铝合金连铸结晶器内的流场研究鲜有报道。 1 4 1 国外对结晶器内流场的研究状况 在国外，g u p t a 和l a h i r i 在不同的比例、水口直径，出水口的角度和铸速条件下， 利用相机对水模型的表面波动进行了研究，他们得出结论，认为波幅和管口入水速度呈 抛物线规律变化；无量纲的波幅和f r 由入口速度决定，并呈线性关系【2 ”。h o n e y a n d s 和 h c r b e r t s o n 利用全比例模型，观察各种水口流动形式和表面波的摆动机制时发现，尽管 8 大连理工大学硕士学位论文 水口对称，稳定状态下的流动还是摆动的很厉害i 碉。波的高度随着铸速的提高而提高， 随着管口角度的减小而增大，摆动式喷口喷出的液体和和模型内循环流动液体的相互作 用。经f o u r i e r 分析，产生由重力作用的基本频率的摆动和一个第二频率的摆动，并且 论述了摆动产生的各种原因，从而得出结论，认为一定范围内的水模型及实际的铸造机 摆动频率和位移速率之间呈线性关系。t h o m a s 等人基于k e 模型进行两维的数值模拟， 研究水口角度、铸速、模型宽度、紊流参数对流动形式的影响2 9 1 。通过和可视化的定性 物理模拟的结果相比较，还是很合理的。得出一个重要结论是：如果模型长度小于3 m 时模型的底部就会干涉循环流动。b r u m m a y e r 等人用商业软件优化s e n 并减少模型中 的中间流【刈。g r e e 虻h 观测到模型中的流动及用不同的紊流模型形成的凝固坯壳【3 l 】。 g r i m m 等人进一步发展了钢稳态模型中的数值模型，这个模型考虑到波幅高度及凝固 过程【3 2 1 。 1 4 2 国内对结晶器内流场研究的状况 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。采用相关文献报道的实验结果，对模型进行验证，对水口偏 离中心位置和窄面放置挡板两种情况进行非稳态模拟和分析，分析了“湍动涡”和“偏 心涡”的形成机理。数值模拟结果表明：“湍动涡”是由于流体本身的脉动所形成的， 与水口是否对中没有直接的关系，但金属液在宽面方向的流动影响“湍动涡”的强度； “偏心涡”是由于水口不对中形成的，可以通过调整水口位置来消斛”】。 王霄等用有限元计算方法开展薄板坯连铸浸入式水口流场的研究，分别对水口不 同浸入深度的流场分布、水口出口不同角度的流场分布进行计算。结果发现：水口的浸入 深度在3 0 0 m m 时较为合理；水口的出口角度以1 5 、6 0 。、4 5 。为宜【卅。 雷洪、朱苗勇和赫冀成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，发现漩涡呈单个或称对形式在水口一侧间歇出现，是由于两个相向表面流相互剪切 形成的；漩涡的出现频率随拉速的增加而增加，随水口浸入深度的增加而减小，随水口 张角的减小而增大；通过改进水口设计可以阻止漩涡的形成 3 5 , 3 6 ) 。钱忠东和吴玉林采用 大涡模拟法对结晶器内的“湍动涡”和“偏动涡”进行了非稳定流场模拟，分析结果表 明，“湍动涡”是流体本身的脉动所导致的不对称流动形成的，“偏动涡”是水口偏心 导致的不对称流动域流体本身的脉动综合作用形成的；随着出口角度的增大及水口插入 深度的增长，“湍动涡”在液面的停留时间延长，液面流速降低p 一。 以前大多数的物理模拟只是进行了定性的或半定量的分析。流体可视化也早已应 用，例如，在水口对示踪粒子染色，然后用摄像机或静止分析，这种方法常常用来测量 流体的速度，但往往把所获得的图像和计算的流线作比较分析。在稍后的研究中经常采 9 铝台金板坯连铸过程流动现象的d p i v 物理模拟 用片光源，片光源只需照亮一部分视场，但经常是整个流场都被照亮，由于相机同时记 录流场中距离镜头不同的点，这样就不能清楚地研究流场的性质，也就不可能得到定量 的结果。还有一些其它的观测方法如s z e k e l y 和y a d o y a 还有t h o m a s 等人曾运用p i t o t 管或是热膜风速测定法来观测速度【3 9 】，确定整个流场的速度非常费时，且这种测量办 法过于专业化，通用性较差。 1 4 3i ) p l v 技术在连铸领域的应用 ( 1 ) 国外d p 研究情况 在国外，近几年来已陆续有人结合当今最先进的p i v 技术，对铝和钢连铸进行了物 理模拟的研究。x ud o n g 等人将p i v 应用到模拟研究中，并把实验数据与用f i d a p 计 算的结果相比较。他试验了在不同的水口而且出水口沿水平方向不同的倾斜角度，同时 注入氩，来验证数值计算的有效性 4 0 l 。x ud o n g 还对铝的电磁或直冷铸造进行了p i v 模 拟，由于铝的凝固梯度比较大，用光滑的平面模拟凝固界面必然存在很大误差，也不符 合进行物理模拟的结构相似要求，他们为了模拟凝固界面，进行了巧妙的实验设计。用 倒置的金字塔形模型模拟铝的v 形凝固界面，由于模型的对称型，使模型的一半是透明 的，在所模拟铸锭的短边方向上，能得到精确的流场测量结果。由于进行大尺寸模型的物 理模拟，能达到这个能量范围的激光价格昂贵，而且对人可能产生的伤害，因此他们的 另一个创新是利用高度汇聚的白炽卤光灯来避免这些缺陷。用三个1 5 w 的卤光灯封闭 在铝盒中，还要用风扇吹入空气来进行冷却，在空气进出的设计上要尽可能的保证光溢 出的最少【4 2 舢】。德国的h a n s - j u r g e n0 d e n t h a l 等人对薄板的全比例水模型进行了大量的 p i v 测量，对在不同的铸速，两个浸入式入口，一个或两个出水口的条件下进行速度测 量，单水口的流动形式为顺时针方向的两个涡流，并且处于稳定状态，但是会导致水面 上的大的波动。两个水口喷出的水产生摆动，形成低幅波的过渡流动形式。一个水口时 的波幅和容器内的波动速率成线性关系。实验结果对流动现象作了很好地解释，而且说 明了用商业软件( c ，基于雷诺方程) 进行稳态数值模拟的有效性。描述非均匀的紊 流状态，对于单水口扇平模型采用雷诺应力限s m ) 模型，而针对其他的模型则要应用k - e 模型，通过计算得出的速度和波幅，并预测水面上的压力分布，基本上和试验结果一 致f 4 ”。英国的n 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，连铸板坯中浸入式水口的自激振动 分别与模型宽度、水口直径及模型几何比例尺寸的关系。模型宽长在比0 1 - 0 5 和水口 直径和模型宽度比o 3 8 0 7 5 的范围内，对水口波动引起的流场变化频率特性进行了很 好的预测，并发现振动的频率与模型厚度无关。但是，横流流场的最大速度很难预测， 在宽长比值大于0 _ 3 ，模型深度超过8 0 m m 时预测结果和实际情形不符合，原因是把三 1 0 大连理工大学硕士学位论文 维的速度压入二维，以至于不能真实地反映流场的二维分布。他们综合地考察了流场的 分布，包括射流和涡流，模拟的结果和试验测得速度平均数据吻合得很好，试验结果同 时说明了射流振动在水1 ：3 直径和模型宽度比值范围在0 0 5 - 0 3 之间是平稳的，在这个范 围之外水口不振动或是表现为不稳定的振动形式。振动频率随着水口直径的提高而增 大，随着长宽比值的增大而减慢【删。 ( 2 ) 国内采用d p i v 研究情况 国内对钢的连铸方面进行了大量的数值模拟分析，其中有不少人利用水模拟进行验 证，但也只是利用水模型进行定性的分析，到目前为止，还没有其它科研单位把d p i v 技术应用到连铸流场的研究方面。本实验室于2 0 0 4 年引进一套d p i v 设备，并对钢板 坯连铸结晶器内的流动现象进行研究，对1 8 4 0r e x 2 8 0 衄水模型，研究了在不同的水 口出口角度、水口浸入深度、铸造速度下流场的情况。结果表明：在光滑界面条件下， 入射口的上方和下方分别存在两个大的涡流环；出口角度和浸入深度是影响流场流动模 式的重要因素，甚至能改变流动的方向；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 5 】。 1 5 本论文的研究目标和主要内容 本课题是利用先进的d p i v 技术对铝合金板坯连铸结晶器内的流场进行研究；基于 相似理论建立的物理模型。把d p i v 技术应用到连铸物理模拟上，这在国内还是处于起 步阶段。 预期成果和达到的水平： ( 1 ) 分析对比铝合金连铸与钢连铸过程物理模拟的不同，建立完善的用于铝合金板坯 连铸过程熔体流动的d p i v 物理模拟系统；。 ( 2 ) 采用天然海藻来模拟凝固界面，分析凝固界面对流动的影响； ( 3 ) 设计制作不同结构的浮漂漏斗； ( 4 ) 研究分析浮漂漏斗结构，包括尺寸参数、出口角度、出口形状、面积，凹井对结 晶器流动模式的影响； ( 5 ) 研究分析拉坯速度对流场的影响； ( 6 ) 提出最优结构的浮漂漏斗和操作参数，从而提高产品的质量。 铝合金板坯连铸过程流动现象的d p i v 物理模拟 2 实验的理论依据及d p i v 系统介绍 冶金过程是高温、多相、多组分的复杂的物理化学过程。由于现在测试技术及实验 手段等方面的限制，直接研究冶金过程中复杂的流动现象十分困难。采用以相似理论为 基础的模型研究方法，并结合先进的粒子图像测速技术，使得操作简便易行，结果更加 精确可靠。 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。本章阐述了进行 物理模拟所基于的相似准则，d 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 相似理论 所谓相似原理指导下的模型研究方法，是指不直接在实物中研究现象过程本身，而 用与实物相似的模型来进行研究的种方法1 4 7 1 。 相似理论的基本定理 ，相似第一定理；彼此相似的现象，同名相似准则数必定相等。 相似第二定理：由描述现象的物理量组成的相似准则数，相互间存在函数关系。在 考虑不可压缩流体的动力相似时，决定流动平衡的四种力( 黏性力、压力、重力和惯性 力) 并非都是独立的，其中必有一个力是被动的，只要其中的三个力分别相似，第四个 力必然相似。 相似第三定理：凡是单值性条件相似，定型准则数值相等的那些同类现象必定彼此 相似。相似定理三确定了现象相似的充分必要条件。 所谓单值性条件，就是指那些有关流动过程特点的条件。有了这些条件就能把某一 现象从无数现象中划分出来。单值条件相似包括几何相似，边界相似和初始条件相似， 以及由单值条件中的物理量所组成的相似准则数在数值上相等。在实际工作中，要求模 型与原型的单值条件全部相似是很困难的。但是，在保证足够的准确度前提下，保持部 分的相似或近似的相似是完全能够傲到【4 s 】。 物理模拟，是对自然现象或过程进行分析时，利用与这些自然现象或过程相似的模 型来进行研究的一种方法。建立物理模型，必须保证模型与原型之间的物理相似，即儿 何相似、运动相似、动力相似和热相似等。几何相似就是模型与原型之间的对应角相等、 对应长度成比例。运动相似表示两系统的运动状态( 或流线) 相似，即各对应点的速度方 向相同，大小成比例。动力相似表示系统所受到的力相似，即当两系统相应时间、相应 大连理工大学硕士学位论文 位置所受到的力成一定比例时，它们相似。热相似就是原型和模型的温度梯度相对应。 由于实验条件的限制，保证原型和模型之间的完全相似是非常困难的，必须采用近似模 拟的方法，分析哪些因素对过程起主要的、决定性的作用，哪些因素起次要的、非决定 性的作用。对前者必须加以保证，对后者近似处理，甚至给予忽略。 2 2 基于相似准则确定模型比例 铝液在重力作用下从分流槽经浮漂漏斗流入结晶器，构成一个典型的有限空间射 流。根据相似原理金属液的流动为实际的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雷诺数r e ( 系统的惯性力和 粘性力的比，表征系统的粘滞流动) 和弗劳德数f r ( 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) 同时相等就可以保证模型和原型之间的物理相似。结晶器中 金属液的流动主要是受重力和黏性力的影响，建模型时考虑以下准则： 1 ) 几何相似准则 由于所有的具体现象都发生在一定的几何空间内，因此模型与原型必须几何相似。 所模拟的原型是金属液在近似倒金字塔形状的液穴中的流动过程。满足几何相似准则， 设尺寸比五= 告 山” 工。原型尺寸； 厶模型尺寸： 同样，速度比五2 薏，运动黏度比乃2 芒。“_ y ” 2 ) 动力相似准则 在连铸结晶器内由浮漂漏斗引入的射流特征为有限空间内的紊射流。在结晶器内产 生的回流为复杂的紊流流动，这时控制运动状态的主要因素是惯性力和重力。 3 ) 重力相似准则 模型与原型的重力相似即弗劳德数相同，弗劳德数是惯性力与重力的相对比值 f = 生 ( 2 1 ) g l g 一重力加速，n y s 2 ； 甜一特征速度，m s ； 己一特征尺寸，m ； 铝合金板坯连铸过程流动现象的d p i v 物理模拟 l = 立g l = 丢2 l = 乙 g k 即望：芷一譬：生一 曲，昏。u ：l 。 4 ) 黏性力相似 无2 = 五 ( 2 2 ) 黏性力相似即雷诺数相等，雷诺数是惯性力与黏性力的比值： 足：竺生( 2 。3 ) 。 l ， v 一运动粘性系数 k 2 如一訾= 訾一五五= 眨4 当雷诺数相当大时，断面流速接近均匀分布，紊流达到成熟阶段，进入自模拟区。 说明阻力与惯性力均与速度的平方成正比。这样模型不受模型率的制约，也就是说，当 某一相似准数在一定的数值范围内，流动的相似性与该准则数无关。像大板坯内钢液的 流动模拟，只要保证弗劳德数相同即可。可以不考虑雷诺数。但是本实验