發(fā)布時(shí)間：2020-11-18 02:57

　　 結(jié)晶器是控制鋼水潔凈度的最后環(huán)節(jié),是連鑄設(shè)備的“心臟”。連鑄坯的質(zhì)量缺陷與結(jié)晶器內(nèi)的多尺度傳輸現(xiàn)象(湍流多尺度、相變多尺度等)密切相關(guān)。結(jié)晶器內(nèi)的多尺度流動(dòng)耦合傳熱、傳質(zhì)、相變、多相流等諸多過(guò)程,形成十分復(fù)雜的非均勻多物理場(chǎng)。對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的多尺度、多物理場(chǎng)流體力學(xué)行為進(jìn)行深入研究,可為優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)操作和設(shè)計(jì)更高效的新型結(jié)晶器提供指導(dǎo),對(duì)于促進(jìn)鋼產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)和產(chǎn)量的提高具有重要意義。本文采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)結(jié)晶器內(nèi)多尺度、多物理場(chǎng)流體力學(xué)行為進(jìn)行系統(tǒng)的研究,并利用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)和物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了提出的多種數(shù)學(xué)模型的可靠性。主要內(nèi)容包括以下幾方面:整理歸納了現(xiàn)場(chǎng)鋼板探傷缺陷特征。探傷缺陷是連鑄厚板的主要質(zhì)量缺陷之一,通過(guò)整理現(xiàn)場(chǎng)大量的鋼板超聲波探傷檢測(cè)圖譜以及對(duì)應(yīng)的缺陷成分分析,歸納了典型非穩(wěn)態(tài)探傷缺陷特征:鋼板內(nèi)不對(duì)稱(chēng)的“四分之一帶”點(diǎn)狀缺陷和“中心帶”團(tuán)狀缺陷,成分主要為“氣泡+夾雜物”和“簇群狀?yuàn)A雜物”。對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的流體力學(xué)行為進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。建立了一套直弧型結(jié)晶器系統(tǒng),考察了不同操作參數(shù)對(duì)偏流及其周期和漩渦卷渣的影響。為了模擬真實(shí)上水口的吹氬過(guò)程,采用莫來(lái)石制作水模型的環(huán)狀吹氣裝置,利用激光片光源和高速相機(jī)捕捉氣泡的瞬時(shí)分布,采用ImageJ軟件分析和計(jì)算氣泡的粒徑大小,并考察了不同操作參數(shù)對(duì)氣泡粒徑分布規(guī)律的影響。發(fā)展了單相大渦模擬數(shù)學(xué)模型,采用壁面函數(shù)改善了傳統(tǒng)大渦模擬對(duì)近壁處渦黏性的預(yù)測(cè)精度,預(yù)測(cè)了結(jié)晶器內(nèi)鋼液的瞬態(tài)周期性流動(dòng)。將該周期性流動(dòng)分為“垂直段回流”和“彎曲段偏流”。在保證水口對(duì)中情況下,捕捉到了上表面的多種漩渦形態(tài);漩渦是由水口兩側(cè)的不對(duì)稱(chēng)流動(dòng)引起的,分布在水口附近速度較小的一側(cè)�；�于瞬態(tài)流場(chǎng),采用Lagrange方法分析了氬氣泡的運(yùn)動(dòng)/捕捉規(guī)律,發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)至彎曲段的小氣泡很難再上浮去除,最終將被凝固坯殼捕捉。構(gòu)建了傳熱、凝固和流動(dòng)現(xiàn)象耦合計(jì)算的大渦模擬數(shù)學(xué)模型,解決了非穩(wěn)態(tài)下多物理場(chǎng)耦合計(jì)算的難題。研究了結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼的生長(zhǎng)規(guī)律和坯殼內(nèi)部的瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)內(nèi)包含大量隨機(jī)分布的、不同尺度的小漩渦。建立了顆粒在凝固前沿的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)態(tài)誘捕模型;根據(jù)分形理論和質(zhì)量守恒建立了夾雜物簇的基本特征;研究了氣泡、夾雜物、夾雜物簇在凝固前沿的捕捉規(guī)律,確定了它們?cè)阼T坯內(nèi)的空間分布規(guī)律。為深入研究厚板坯內(nèi)的各類(lèi)缺陷產(chǎn)生機(jī)理、避免或改進(jìn)鋼坯質(zhì)量缺欠提供了理論依據(jù)。將先進(jìn)的大渦模擬方法引入歐拉雙流體模型,解決了以往湍流模型無(wú)法捕捉氣相對(duì)液相造成的湍流脈動(dòng)壓力的難題,改善了局部湍流、氣液運(yùn)動(dòng)參數(shù)的預(yù)測(cè)精度。揭示了連鑄結(jié)晶器內(nèi)氬氣/鋼液兩相瞬態(tài)非對(duì)稱(chēng)流動(dòng)規(guī)律。氣泡的行為將直接影響結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為,結(jié)晶器內(nèi)仍存在相當(dāng)多隨機(jī)分布、不同尺度的小漩渦。在結(jié)晶器上回流區(qū)發(fā)現(xiàn)了兩種渦流形態(tài):順時(shí)針渦流和逆時(shí)針渦流。將人口平衡模型用于描述氣泡粒徑分布,通過(guò)提高當(dāng)?shù)貧馀萘�徑的預(yù)測(cè)精度改善了單一尺寸雙流體模型對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的多尺寸泡狀流的預(yù)測(cè)能力。模型將氣泡微觀現(xiàn)象(聚并、破碎)與宏觀屬性(粒徑、表面積)聯(lián)系起來(lái),通過(guò)建立必要的封閉方程及邊界條件,使其能夠在較大工況范圍內(nèi)預(yù)測(cè)結(jié)晶器內(nèi)當(dāng)?shù)氐臍馀萘�徑分布。揭示了結(jié)晶器內(nèi)氣液兩相流的動(dòng)力學(xué)行為在空間、時(shí)間上的變化及氣泡分布和尺寸的變化規(guī)律。擴(kuò)展了傳統(tǒng)雙流體模型的適用范圍,為結(jié)晶器內(nèi)的多尺寸泡狀流研究提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)框架。根據(jù)氣泡尺寸范圍,建立了不同組群的氣液動(dòng)量傳遞方程,發(fā)展了求解多速度場(chǎng)分布的非均相多氣泡組質(zhì)量傳遞模型。并從氣液湍流修正和相間作用力兩方面對(duì)該模型進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,表明氣液相間作用力和湍能修正對(duì)氣液體系運(yùn)動(dòng)行為有重要影響。改進(jìn)的模型具有較好的通用性和預(yù)測(cè)能力,可為現(xiàn)場(chǎng)操作參數(shù)的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：TF777
【部分圖文】：

常小的夾雜物（一般微米級(jí)，＜５０（ｘｍ）。??然而，鋼水經(jīng)過(guò)結(jié)晶器冷卻凝固成坯后，在鑄坯上仍然發(fā)現(xiàn)氣泡或非金屬夾??雜物類(lèi)缺陷。圖１．２給出了最近國(guó)內(nèi)某鋼廠的鋼板超聲探傷檢測(cè)圖譜，（ａ）￣（ｂ）為??同一流（Ｉ流）不同時(shí)刻澆注的鋼板；（ｃ）￣（ｄ）為另－？流（ＩＩ流）不同時(shí)刻澆注的??鋼板。對(duì)應(yīng)鋼板的澆注條件見(jiàn)表１．１中的第３次澆注。對(duì)比每一流不同時(shí)刻的缺??陷圖譜可知，缺陷呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)特征。而不同流之間的對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，丨１流缺陷明??顯多于Ｉ流情況，說(shuō)明１丨流澆注時(shí)會(huì)引入更多的氣泡或夾雜物。最終的統(tǒng)計(jì)結(jié)果??發(fā)現(xiàn)，丨流的所有鋼板探傷是合格的，而丨丨流中有７塊是不合格的。??綜上所述，“一機(jī)兩流”缺陷特征說(shuō)明中間包鋼水的夾雜物水平是合格的，??無(wú)大型夾雜物（＞５０＾ｍ）。最后鑄還中發(fā)現(xiàn)的缺陷（氬氣泡和非金屬夾雜物）主??要來(lái)源于浸入式水口內(nèi)襯侵蝕和結(jié)晶器保護(hù)渣，而且存在明顯的非穩(wěn)態(tài)特征。結(jié)??合熱酸低倍實(shí)驗(yàn)、超聲探傷檢測(cè)、掃描電鏡和電子探針?lè)治觯�發(fā)現(xiàn)兩種特征明顯??的缺陷：“四分之一帶”點(diǎn)狀缺陷和“中心帶”團(tuán)狀缺陷。??■ＩＨＩＩ?■■ｉｌｌ??ＢＢＢＨ１?圓??（ａ）

１．１．２．２四分之一帶點(diǎn)狀缺陷??四分之一帶點(diǎn)狀缺陷的特征是：寬度方向表現(xiàn)為點(diǎn)狀分布、厚度方向呈現(xiàn)為??帶狀分布，集中位于厚度的四分之一位置。圖１．３示出了兩張典型的“四分之一??帶”點(diǎn)狀缺陷探傷圖譜。由圖１．３（ａ）可知，缺陷在寬面的分布比較均勻，主要集??中在厚度的四分之一位置，內(nèi)外弧均有，但內(nèi)弧側(cè)居多。通過(guò)分析直弧型鑄機(jī)的??特點(diǎn)，可以判斷：外弧側(cè)出現(xiàn)的缺陷產(chǎn)生在鑄機(jī)的垂直段。對(duì)比圖１．１和１．３（ｂ）??可見(jiàn)，缺陷全部集中在板坯的內(nèi)弧側(cè)，而且存在寬度方向不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，只有一側(cè)??存在。判斷該類(lèi)缺陷主要發(fā)生在鑄機(jī)的彎曲段。???內(nèi)鋌耜??麗??ｉｉ＇ｉｌｉ?ＩＩ?丨丨?＿丨Ｈ?Ｉ?ｉｈ？ｉ�。�？？７ｉ５Ｓ！＾Ｍ＾??（ａ）?Ｓｔｅｅｌ?ｐｌａｔｅ?１?（ｂ）?Ｓｔｅｅｌ?ｐｌａｔｅ?２??圖１．３四分之一帶缺陷探傷圖譜??Ｆｉｇ．?１．３?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ?ｆｌａｗ?ｄｅｆｅｃｔｓ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｔｅｒｍｅｄ?ｑｕａｒｔｅｒ?ｂａｎｄｓ??（ａ）?Ｓｔｅｅｌ?ｐｌａｔｅ?１?；?（ｂ）?Ｓｔｅｅｌ?ｐｌａｔｅ?２??通過(guò)熱酸腐蝕可以觀察到板坯上的氣泡捕捉情況，如圖１．４所示。在板坯的??內(nèi)弧側(cè)發(fā)現(xiàn)明顯的氣泡，由圖中的白色圈標(biāo)記。局部放大后，可以看到明顯的凹??坑。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：只要吹氬就會(huì)有氣泡被捕捉，但不是所有被捕捉的氣泡都會(huì)??產(chǎn)生探傷缺陷

１．１．２．３中心帶團(tuán)狀缺陷??中心帶團(tuán)狀缺陷特征是夾雜物集中分布在鋼板厚度中心，呈團(tuán)簇狀，如圖??１．５所示。團(tuán)狀缺陷有時(shí)會(huì)和“四分之一帶”缺陷一起存在，如圖１．５（ａ）所示；??有時(shí)會(huì)單獨(dú)產(chǎn)生，即鋼板的缺陷均位于中心位置，如圖１．５（ｂ）所示。將圖１．５（ｂ）??中的團(tuán)簇狀缺陷放大，見(jiàn)圖１．６。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該缺陷在鋼板上的長(zhǎng)度為２５００ｍｍ，??寬度為２８０ｍｍ，厚度為３．７ｍｍ；還原到板還上，該缺陷的范圍為３２０ｘ１９０ｘ４３?ｍｍ，??在板坯厚度中心。??（ａ）?Ｓｔｅｅｌ?ｐｌａｔｅ?１?（ｂ）?Ｓｔｅｅｌ?ｐｌａｔｅ?２??圖１．５中心帶團(tuán)狀缺陷探傷圖譜??Ｆｉｇ．?１．５?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ?ｆｌａｗ?ｃｌｕｍｐ?ｄｅｆｅｃｔｓ?ｔｅｒｍｅｄ?ｃｅｎｔｅｒ?ｂａｎｄｓ??－４－??

本文編號(hào)：2888255