中间包全尺度物理模拟平台的建立及应用研究

摘要

过去三十年，世界钢铁工业中心由欧美而日韩，到本世纪开始了中国时代。虽然我国连铸技术过去二十年取得了很大进步，但共性基础研究不够系统深入，自主持续创新能力不足。中间包冶金是一项特殊的炉外精炼技术，是从钢的熔炼和精炼到制成固态连铸坯这个生产流程中保证获得优良质量的关键一环。中间包的冶金作用主要是依靠钢液在中间包内的合理流动来实现的，因此，深入了解和控制钢液在中间包内的流动行为是保证中间包冶金效果，提高钢液质量的关键。 为了满足定量认识中间包流动特征，特别是中间包内部流动速度场的定量化及涡旋结构，本文基于同时满足室温中间包水模拟过程Re和Fr相似准则，建立全尺度的连铸水模拟实验平台以满足连铸流动模拟相似要求及与中间包结晶器耦合实验需要。实验平台采用模块化的设计思想，充分体现公共平台的功能，可满足不同类型中间包的水模拟实验要求，具有可定制、可裁剪、可移动和可升级的特点。 为了满足整个流场的信息测试需要，特别是考虑到中间包内流动平均速度低，将机器视觉及图像处理技术与PIV技术相结合，对中间包流场进行了定性和定量测试，同时基于图像检测示踪粒子浓度变化的非接触中间包RTD测试系统，对中间包的流动特征进行表征。 通过单流板坯中间包和两流板坯中间包内流动特征研究，对物理模拟实验平台进行了全功能测试，实现了中间包全尺度与缩小尺度水模拟下的速度场测量，满足中间包内速度场、涡量场和RTD等流动特征的研究。中间包流场研究表明:中间包内流动特征是一个个的涡旋下的瞬态流动，涡的尺度为10mm左右，涡量最大值为40s-1，涡旋产生的原因在于中间包内流固界面存在不均匀的切变速度，增加控流装置可以增大中间包内漩涡的数量和强度，强化内部的传递行为。通过全尺度水模拟平台的建立和实践，特别是中间包内流场细节的展示及夹杂物去除的需要，表明需要从涡的产生与演化角度来论述中间包流动。 利用实验平台结合数值模拟工作实现了一个六流方坯连铸用中间包从设计、优化到应用的全过程。 本论文通过先进的实验设计结合现代的测试技术，对当代连铸机中间包的流动行为进行系统的实验研究，通过特厚板连铸用单流中间包、常规板坯连铸用两流中间包和六流小方坯连铸用中间包的水模拟实验及工程应用，对全尺度中间包水模拟实验平台进行了全功能检验，实现了基于图像测试手段对中间包冶金的可视化与定量化研究。

目录

声明

摘要

1．1中间包冶金

1．2中间包结构对流体流动及夹杂物去除的影响

1．2．1中间包外形尺寸和形状

1．2．2中间包容量与熔池深度

1．2．3中间包水口间距

1．2．4中间包控流装置

1．3中间包冶金学研究方法

1．3．1中间包物理模拟方法

1．3．2中间包数值模拟

1．4流动测量与RTD曲线

1．5国内外研究现状分析

1．6本文研究的目的、意义、内容及创新点

1．7论文组织结构

第2章全尺度实验平台的建立及实验过程

2．1实验平台的建立

2．1．1实验平台设计思想及功能

2．1．2实验平台系统组成

2．2速度场测试系统

2．2．1系统特点

2．2．2系统组成

2．2．3激光光源

2．2．4图像采集单元

2．2．5流场数据处理

2．2．6示踪粒子

2．3 RTD测试系统

2．4自动测试系统

2．5中间包流动实验过程

2．6 RTD实验过程

2．7本章小结

第3章全尺度中间包水模拟流动特征研究

3．1实验对象及条件

3．2实验方案及图像采集

3．3水模拟实验结果和讨论

3．4数值模拟结果和讨论

3．4．1物理及数学模型建立

3．4．2网格划分及边界条件

3．4．3流场结果及分析

3．5 RTD实验结果及分析

3．6本章小结

第4章两流板坯中间包水模拟实验研究

4．1实验对象及方案

4．2流场实验结果及讨论

4．3中间RTD测试结果与分析

4．4本章小结

第5章六流方坯中间包结构优化研究

5．1多流中间包流动特点及改进途径

5．2研究技术路线

5．3中间包控流装置方案设计

5．3．1多孔挡墙

5．3．2长水口与出水口距离

5．3．3坝堰组合控流装置

5．4数学模型及边界条件

5．4．1物理模型

5．4．2边界条件

5．5数值模拟结果及对比研究

5．6六流中间包水模拟实验及分析

5．6．1水模拟模型建立

5．6．2流场实验结果及分析

5．6．3 RTD实验结果及分析

5．7中间包内夹杂物去除实验研究

5．7．1夹杂物Stokes上浮理论与停留时间

5．7．2夹杂物去除的水模拟理论基础

5．7．3中间包夹杂物去除率水模拟实验

5．8优化方案

5．9现场应用及反馈

5．10本章小结

第6章结论及展望

参考文献

致谢

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