吹氩中间包内流动与界面行为的数学物理模拟及新型透气型挡渣堰的研制

摘要

连铸中间包在现代钢铁生产中起到十分重要的作用，它不仅仅是连接钢包与结晶器之间的中间存储容器，而且是促使夹杂物上浮去除的重要场所，其冶金功能的发挥直接影响高品质钢的生产。中间包吹氩是均匀钢水温度、最大限度去除细小夹杂的有效手段，但中间包内的吹氩模式(位置、气量、流动控制的组合等)直接影响中间包内钢液的流动和界面行为，从而影响吹氩效果。因此，深入开展中间包内吹氩条件下各操作参数与钢液流动特性及界面行为之间的内在规律，不仅具有重要的学术意义，而且具有十分重要的应用意义。 本论文在全面评述中间包冶金的前人工作尤其是中间包吹氩的研究进展，分析影响夹杂物去除主要因素的基础上，进行了如下五大方面的研究工作： (1)结合国内某厂宽厚板连铸中间包的实际，利用相似原理，建立物理模型，用水模拟钢水，用不同配比的煤油与真空泵油来模拟中间包渣，用氮气模拟氩气。采用自行设计的透气元件，对吹氩条件下中间包内气泡行为、钢水的停留时间、流场、界面卷混行为进行了全面深入研究，考察了透气元件的安装位置、控流装置结构、吹气量、渣层黏度等参数对中间包内过程的影响规律，提出了合理的现场应用参数和方案。 (2)建立了描述中间包底吹氩时钢液三维湍流场的数学模型，比较了中间包吹氩与不吹氩时的流动特征和湍流特性，考察了吹氩位置、吹氩气量、气泡大小、控流装置组合等对中间包内湍流场的影响规律，揭示了吹氩中间包内的流动特征，为解释实验现象和优化操作参数提供了依据和理论指导。 (3)在物理模拟和数学模拟研究的基础上，对新型透气型挡渣堰的材质进行了研究和设计，研究了挡渣堰的抗热震、抗侵蚀和透气元件的材料及气室、气缝、透气量，开发设计出符合实际生产要求的新型透气型挡渣堰。 (4)针对洁净钢的要求和透气型挡渣堰的特点，在模拟中间包吹氩条件下，对影响碱性中间包覆盖剂的主要因素、吸附夹杂及有害元素的去除能力等方面进行了研究。 (5)最后进行了透气型挡渣堰的现场实验研究。选择国内某钢厂，对自行开发的透气型挡渣堰进行现场应用实验并与传统的挡渣堰坝进行了比较，通过对连铸坯取样、分析和检验，考察了透气型挡渣堰的实际应用效果。 通过本论文的研究不仅揭示了吹氩条件下中间包内的流动特征、界面行为及内在影响规律，而且开发研制的新型透气型挡渣堰获得了理想的应用效果。从理论和实践上证明合理的中间包吹氩是去除钢中细小夹杂的有效途径。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1我国连铸技术的现状

1.2中间包冶金技术在连铸生产中的地位和作用

1.3本文研究的目的、意义和内容

第二章中间包冶金前人工作分析

2.1中间包冶金技术的发展和现状

2.1.1防止钢液二次污染技术

2.1.2改变中间包结构提高钢水清洁度技术

2.1.3其他促进夹杂物去除技术

2.2中间包过程的物理模拟研究

2.3中间包过程的数学模拟研究

2.4中间包吹氩技术的进展和应用现状

第三章吹氩中间包内流动特性及界面行为的物理模拟

3.1物理模型的建立

3.1.1相似准数和模型参数的确定

3.1.2物理模型的构成

3.2实验方法

3.2.1流动特性

3.2.2界面行为

3.3实验方案

3.4实验结果与分析

3.4.1吹氩中间包内的流动特性

3.4.2吹氩中间包内的界面行为

第四章吹氩中间包内湍流场的计算机模拟

4.1中间包内湍流场数学模型

4.2边界条件

4.2.1自由表面

4.2.2固体壁面

4.2.3近壁区

4.2.4入口和出口

4.3差分方程的求解

4.4计算结果与分析

4.4.1无流动控制时中间包内的流动特征

4.4.2有流动控制时中间包吹氩时的流动特征

4.4.3吹氩位置对中间包流动的影响

4.4.4吹氩量对中间包流动的影响

4.4.5气泡尺寸对中间包内流动的影响

第五章透气型挡渣堰的材质和设计研究

5.1透气型挡渣堰的设计思路

5.2挡渣堰材质的选择与实验

5.3铝镁质挡渣堰的优化

5.3.1热震稳定性的优化

5.3.2抗渣性的优化

5.4透气元件的设计

5.4.1透气元件材料的设计

5.4.2气室、气缝的设计

5.4.3气源管路的设计

5.5透气量的设计

5.6本章小结

第六章吹氩条件下中间包碱性覆盖剂研究

6.1碱性中间包覆盖剂的主要影响因素

6.1.1实验方法

6.1.2实验结果与分析

6.2碱性覆盖剂对(AL2O3)吸收实验

6.2.1实验方法

6.2.2实验结果与讨论

6.3覆盖剂中杂质和有害元素对钢水污染的影响

6.3.1实验方法

6.3.2实验结果与分析

6.4覆盖剂的现场实验

6.4.1试验方法

6.4.2试验结果及分析

6.4.3铸坯夹杂物分析

6.5本章小结

第七章透气型挡渣堰的现场实验研究

7.1试验条件及方法

7.2透气型挡渣堰的安装方法及对比

7.3分析检测方法

7.4试验结果及分析

7.4.1中间包温度波动分析

7.4.2铸坯低倍组织及氧含量分析

7.4.3铸坯非金属夹杂物评级

7.4.4铸坯非金属夹杂物显微分析

7.5本章小结

第八章结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读学位期间发表的论文和工作成果