鋼包澆注過(guò)程中漩渦下渣的產(chǎn)生及控制.pdf

1、在鋼包澆注末期，當(dāng)鋼包內(nèi)的鋼液面下降到一定高度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同程度的鋼包漩渦下渣現(xiàn)象。鋼包漩渦下渣直接影響中間包冶金功能的發(fā)揮，給鋼材質(zhì)量以及澆注工藝帶來(lái)一系列不良影響。本文通過(guò)理論分析，數(shù)值與物理模擬，研究了鋼包漩渦下渣的產(chǎn)生原因及規(guī)律，揭示了其流動(dòng)機(jī)理、特性以及影響因素，探討了對(duì)其控制的有效方法。
　　理論分析表明，在鋼包澆注過(guò)程中，流體漩渦產(chǎn)生于自由表面，并且按照ω1'=(r/r')2ω1的關(guān)系逐漸演化和發(fā)展，由于粘度的存在，

2、最終表現(xiàn)為漏斗狀。在地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的科氏力的作用下，漩渦流動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。物理模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋼包內(nèi)流體的初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)漩渦的流動(dòng)方向有著一定的影響，當(dāng)靜置時(shí)間較短，各工況條件下鋼包內(nèi)漩渦的方向存在著不確定性。在靜置時(shí)間較長(zhǎng)，將外界干擾降低到一定程度時(shí)，偏心率礅小的水口其出流所形成的漩渦方向?yàn)槟鏁r(shí)針。隨著偏心率的增大，由于水口出流受到包壁的影響，漩渦產(chǎn)生位置偏于水口正上方，且其方向不具規(guī)律性。
　　采用電容式液位傳感器測(cè)定漩

3、渦產(chǎn)生的臨界高度，通過(guò)物理模擬研究了鋼包漩渦的發(fā)展演化過(guò)程以及影響因素。結(jié)果表明，鋼包漩渦發(fā)展演化過(guò)程分為流體表面旋轉(zhuǎn)、出現(xiàn)渦芯、渦芯下凹和貫通水口四個(gè)階段。漩渦產(chǎn)生的臨界高度隨水口直徑的增大而增加，隨水口偏心率的增大而減小;在鋼包熔池高度范圍內(nèi)，初始液位對(duì)漩渦臨界高度的影響不大;鋼液表面的熔渣在一定程度上可抑制漩渦的產(chǎn)生和發(fā)展，但其厚度變化對(duì)漩渦產(chǎn)生臨界高度的影響不明顯。漩渦產(chǎn)生臨界高度h與水口直徑d及水口位置ε呈h=65.276+1

4、.427d-76.778ε的線性關(guān)系。
　　對(duì)鋼包靜置期間非穩(wěn)態(tài)散熱和鋼包澆注過(guò)程鋼液流動(dòng)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬。非穩(wěn)態(tài)散熱過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果表明，鋼包靜置期間由于鋼液內(nèi)部存在溫度梯度，導(dǎo)致其循環(huán)流動(dòng);鋼包底部散熱損失最大，該區(qū)域鋼液存在數(shù)個(gè)小的循環(huán)流動(dòng)。鋼包澆注過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果表明，在澆注過(guò)程中，由于流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中位能和動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化，通過(guò)水口的流體流速由一個(gè)很小值，迅速增加到最大值，然后再慢慢減小;澆注后期水口處的流體產(chǎn)生了漩渦，

5、出現(xiàn)切向速度，導(dǎo)致流量-時(shí)間曲線產(chǎn)生下降的拐點(diǎn)。
　　斜面包底的鋼包澆注過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果表明，斜面包底結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鋼液沿斜面流向水口，在靠近斜面?zhèn)缺诟浇嬖跀?shù)個(gè)小漩渦，分散了水口上方流體速度，抑制了水口上方漩渦的形成。
　　通過(guò)物理模擬對(duì)鋼包水口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，采用上大下小的階梯型水口，當(dāng)水口上段高度為10～30mm時(shí)，對(duì)漩渦的抑制效果較明顯，其中上段高度為20mm時(shí)效果最好。對(duì)于上段截面分別為圓形、四邊形和六邊形

6、的階梯型水口，四邊形截面的水口抑漩效果最好。采用適宜結(jié)構(gòu)的階梯型水口，其抑漩效果非常明顯，產(chǎn)生漩渦的臨界高度和鋼包內(nèi)殘鋼量較普通常規(guī)水口有大幅度降低。
　　包底結(jié)構(gòu)及阻漩模塊對(duì)鋼包漩渦影響的物理模擬結(jié)果表明，適宜的包底結(jié)構(gòu)及阻漩模塊布置抑漩效果顯著。改變模塊高度、長(zhǎng)度和距水口距離，均能改變流場(chǎng)，其中模塊高度對(duì)于漩渦影響顯著，隨模塊高度的增加，漩渦產(chǎn)生臨界高度降低，當(dāng)模塊高度為未加抑漩裝置鋼包漩渦產(chǎn)生的臨界高度時(shí)，效果最佳，其漩渦臨