中間包工藝參數(shù)對匯流渦流形成的影響

中間包工藝參數(shù)對匯流渦流形成的影響

在中心包圍過程中，出流口上方通常形成一個旋轉(zhuǎn)漩渦。由于這種旋轉(zhuǎn)引起的卷渣占總下含量的80%90%，鋼液氧化產(chǎn)生較大的混合物。因此，有必要避免注射過程中出現(xiàn)卷渣現(xiàn)象。匯流旋渦的產(chǎn)生受中間包構(gòu)造、拉速等多種因素的影響,為了有效防止旋渦的產(chǎn)生和減小乃至消除旋渦帶來的有害影響,本實驗對某鋼廠現(xiàn)行中間包條件進行了塞棒高度(塞棒底端距中間包包底的距離)、拉速和中間包水口口徑以及渣層厚度對旋渦影響的研究。1設(shè)備和方法的實驗1.1上下?lián)鯄腿粼撲搹S鋼包容量為300t,連鑄機為2機2流,中間包容量為64t,有上下?lián)鯄腿?塞棒用于開澆和應(yīng)急處理,正常生產(chǎn)高度為100mm。模型中間包與原型中間包的幾何形狀比取1/4,則根據(jù)相似原理由中間包原型數(shù)據(jù)計算可得到中間包模型的幾何參數(shù)和物理參數(shù),如表1和表2所示。1.2實驗結(jié)果特征高度中間包匯流旋渦水模實驗裝置示意圖見圖1。生產(chǎn)中匯流旋渦產(chǎn)生于大包換包階段和鋼水澆注初期和末期的液面下降過程和上升過程,為了模擬實際情況,將實驗分為2組:大包澆完后的液面下降過程、大包開澆時液面上升過程。液面下降和上升過程匯流旋渦變化如圖2所示。經(jīng)過初步實驗最終得出匯流旋渦特征高度可以很好地描述匯流旋渦,因此在實驗中選定匯流旋渦的特征高度為測量參數(shù)。如圖2所示,在液面上升過程中的特征高度參數(shù)為:旋渦不通高度(R3),即在中間包液位上升過程中,旋渦開始不再貫通的中間包液位的臨界高度;旋渦最后惡化高度(R2),即在中間包液位上升過程中,旋渦最后一次貫通的中間包液位的臨界高度;旋渦消失高度(R1),即在中間包液位上升過程中,由于液面上升到一定程度不再產(chǎn)生旋渦的中間包液位的臨界高度。在液面下降過程中的特征高度參數(shù)為:旋渦產(chǎn)生高度(D1),即在中間包液位下降過程中,流體表面上最初產(chǎn)生旋渦時的中間包液位的臨界高度;旋渦開始惡化高度(D2),即在中間包液位下降過程中,旋渦在由產(chǎn)生到不斷地發(fā)展過程中第一次出現(xiàn)貫通時中間包液位的臨界高度;旋渦全通高度(D3),即在中間包液位下降過程中,旋渦發(fā)展到一定程度后開始全部貫通時中間包液位的臨界高度。為了方便討論,各高度參數(shù)值均以無量綱高度單位表示,1個高度單位相當于30mm,中間包液位為120mm,即其高度為4,依此類推。1.3匯流渦流旋轉(zhuǎn)軸實際監(jiān)管長水口流量用閥門進行控制調(diào)節(jié),浸入式水口用滑板調(diào)節(jié)流量,用膠塞開關(guān)。大包澆完后的液面下降過程:實驗前將2個浸入式水口流量均調(diào)節(jié)至所需值,然后將水從長水口注入中間包到高度4,同時將長水口流量調(diào)至浸入式水口流量的2倍,保持中間包液面穩(wěn)定5min后,關(guān)閉長水口,停止注入,觀察記錄中間包液面下降過程中旋渦產(chǎn)生高度、旋渦開始惡化高度和旋渦全通高度。大包開澆時中間包液面上升過程:浸入式水口打開,長水口以固定流量2.0m3/h澆入中間包,液面由零上升,記錄匯流旋渦的旋渦不通高度、旋渦最后惡化高度和旋渦消失高度。以上實驗均進行4次,取平均值為實驗結(jié)果,同時挑選典型實驗進行照相和攝像。實驗?zāi)J條件:拉速為1.00m/min,塞棒高度為1.0,水口內(nèi)徑為18mm,無渣。實驗方案為在各影響因素分別單獨變化的情況下測定液面上升過程中的旋渦消失高度、最后惡化高度、不通高度和液面下降過程中旋渦產(chǎn)生高度、開始惡化高度、全通高度。其中塞棒高度變化值為0.5、1.0和1.5,拉速變化值為0.68、1.00、1.35m/min,水口內(nèi)徑變化值為14、18mm,渣層厚度變化值為0.2、0.3、0.5、1.0。2結(jié)果與分析2.1旋轉(zhuǎn)軸向擾動的運動方程匯流旋渦的產(chǎn)生機理如圖3所示,它是在軸向流動過程中形成的,考慮普遍情況即軸對稱流動:V=V{u,v,w}(1)式中,u、v、w分別為徑向、切向和軸向速度分量。uˉ=u(r,z)uˉ=u(r,z);vˉ=0vˉ=0;wˉˉˉ=w(r,z)(2)wˉ=w(r,z)(2)式中,r、z分別為徑向坐標和軸向坐標;uˉuˉ、vˉvˉ、wˉˉˉwˉ分別為徑向、切向和軸向速度分量時均值。這里引入uˉ=c1+c2/r?(r≠0)uˉ=c1+c2/r?(r≠0);wˉˉˉ=c3?z√wˉ=c3?z。其中,c1=c3/z0??√c1=c3/z0;c2為正比于出流口流量的積分常數(shù);c3=CD/0.051r1??????????√(gr51)0.5/πR2?CD=0.6?Rc3=CD/0.051r1(gr15)0.5/πR2?CD=0.6?R為容器的半徑,r1為出流口半徑,g為軸向增減作用量。對于湍流引入擾動量:u=uˉ+u′?v=v′?w=wˉˉˉ+w′?p=pˉ+p′(3)u=uˉ+u′?v=v′?w=wˉ+w′?p=pˉ+p′(3)式中,u′、v′、w′分別為徑向、切向和軸向速度分量的脈動值;p、pˉpˉ、p′分別為壓力值、壓力的時均值和壓力的脈動值。由于擾動將導致切向流動失穩(wěn)而產(chǎn)生旋渦,因此必須分析切向流穩(wěn)定性方程,考慮到時間足夠長以后擾動的演化接近于單色波,經(jīng)線化處理:v′=VF·e-σt(4)式中,VF為脈動v′的振幅,σ為衰減因子,t為時間。?2VF?r2+?2VF?z2+1r(c1+c2/rγ)?VF?r+c3z√γ?VF?r+(c1+c2/r2γ?1r2)VF+σγVF=0(5)?2VF?r2+?2VF?z2+1r(c1+c2/rγ)?VF?r+c3zγ?VF?r+(c1+c2/r2γ-1r2)VF+σγVF=0(5)采用分離變量法將擾動看作徑向擾動量f(r)和軸向的增減作用量g(z)的合成:VF(r,z)=f(r)·g(z)(6)式(6)代入式(5)中可得如下2個方程:d2gdz2+c3z√γdgdz+λ2g=0(7)d2fdr2+[1r(1+c2γ)+c1rγ〗dfdr+d2gdz2+c3zγdgdz+λ2g=0(7)d2fdr2+[1r(1+c2γ)+c1rγ〗dfdr+[1r2(c2γ?1)+c1γ+σγ?λ2[1r2(c2γ-1)+c1γ+σγ-λ2f=0(8)式(5)、(7)和(8)中,γ和λ分別為運動粘度和擾動周頻。在某一高度z0上的解為:g(z)=[C4exp(it(z0)z?????√)+C5exp(?it(z0)z?????√)]×expc?c33γz15(9)t(z0)=λ2?c26z02γ2?14c4γ1z0√(10)g(z)=[C4exp(it(z0)z)+C5exp(-it(z0)z)]×expc-c33γz15(9)t(z0)=λ2-c62z02γ2-14c4γ1z0(10)式(9)、(10)中,z0為旋渦產(chǎn)生的高度;c4、c5、c6為積分常數(shù),i為時間。由式(9)和式(10)可知,g(z)將隨著z增大而減小,即擾動在軸向上呈衰減趨勢,流動逐漸恢復到原來平靜狀態(tài),特別在z較大時擾動衰減更加嚴重,z較小時擾動在軸向上的衰減幅度小,總之擾動自下而上衰減增大,即失穩(wěn)是先在近出流口附近產(chǎn)生,而后導致整個流場失穩(wěn),因此實驗選擇塞棒高度、拉速和中間包水口內(nèi)徑3個對出流口區(qū)域流場影響非常顯著的因素作為可變條件,對該鋼廠現(xiàn)有條件下中間包匯流旋渦進行研究,同時用機油模擬渣研究了渣層厚度對匯流旋渦的影響,最終確定出4個參數(shù)對匯流旋渦的影響程度,得出防止旋渦的工藝條件。2.2影響流量調(diào)節(jié)的因素2.2.1塞棒高度對各高度參數(shù)的影響塞棒高度對旋渦各高度參數(shù)的影響如圖4所示,塞棒高度為0.5時實驗現(xiàn)象如圖5所示。由圖4可以看出,在中間包液面上升和下降過程中,旋渦各高度參數(shù)基本上隨塞棒高度的增加而增高,當塞棒高度為0.5時液面下降過程中各參數(shù)高度值均在0.5左右,與另兩種情況相比旋渦各高度參數(shù)降低很大,且另兩種情況相差較小,因此塞棒高度對旋渦各高度參數(shù)的影響隨著塞棒高度的減小而增大。由實驗現(xiàn)象和圖5可知,當塞棒高度為0.5,液面低于塞棒頭時,旋渦隨即產(chǎn)生并迅速貫通,這是因為塞棒高度較小時,塞棒可以有效地堵塞匯流所產(chǎn)生的旋渦渦心,從而破壞旋渦無法使之繼續(xù)惡化甚至貫通。當塞棒高度大時,塞棒較高無法及早破壞旋渦渦心,從而造成各高度參數(shù)較塞棒高度為0.5時大很多。因此在該鋼廠現(xiàn)用的中間包中應(yīng)該盡量減小塞棒高度。2.2.2有關(guān)顯示之增大而增大而增大?！端鍟份d拉速對旋渦各高度參數(shù)的影響如圖6所示。由圖6可以看出,在中間包液位上升過程中,旋渦消失高度和旋渦不通高度隨拉速的增大而增大;在中間包液位下降過程中,旋渦全通高度隨拉速的增大而增大,而其它高度參數(shù)則在拉速為1.00m/min時最大,拉速為1.35m/min時次之,即拉速為1.00m/min和1.35m/min時所得旋渦各高度參數(shù)值均較大,但所有情況下拉速為0.68m/min時所得高度值均最小,因此較小的拉速有利于防止旋渦的危害。2.2.3中間包液位下降過程中旋轉(zhuǎn)全通高度變化中間包水口內(nèi)徑對旋渦各高度參數(shù)的影響如圖7所示。由圖7看出,除在中間包水口內(nèi)徑d=14mm時中間包液位下降過程中旋渦全通高度高于內(nèi)徑d=18mm以外,所有旋渦高度參數(shù)均為中間包水口內(nèi)徑較大時高,且兩種水口所得結(jié)果差值較大,因此中間包小內(nèi)徑水口有利于防止匯流旋渦,即實際中間包水口內(nèi)徑為56mm時有利于防止匯流旋渦。2.2.4無渣情況下資源量和平均惡化高度無渣和渣層厚度對匯流旋渦的影響如圖8所示。由圖8可以看出,無渣情況下液面上升過程中旋渦的消失高度和最后惡化高度及下降過程中的產(chǎn)生高度和開始惡化高度均比有渣情況下高,