外文翻譯--鋼包澆注過程的實驗與數(shù)值分析 中文版.doc

鋼包澆注過程的實驗與數(shù)值分析GastnM.MazzaferroA,1,MarceloPivaB,2,SergioP.FerroA,3,PabloBissioB,4,MarinaIglesiasB,AdrianaCalvoB,5,MarcelaB.GoldschmitA,6.A工業(yè)研究中心FUDETEC，Dr.Simini250，2804坎帕納，阿根廷B多孔介質(zhì)集團，工程學(xué)校，布宜諾斯艾利斯大學(xué)，PaseoColn850，1063，布宜諾斯艾利斯，阿根廷1E-mail:2E-mail:mpivafi.uba.ar3E-mail:4E-mail:.ar5E-mail:acalvofi.uba.ar6E-mail:摘要連鑄過程中，鋼水倒入鋼包到中間包通過一個設(shè)在鋼包底部的噴嘴。然而這個過程中，必須先停止鋼包，使鋼包完全清空，避免攜帶的殘渣。鋼的用量在鋼包中通常是很大的，使鋼鐵廠研究不同的方法來提高其過程。在目前的工作中，用于水模型和數(shù)值模擬實驗研究分析旋渦的形成和影響幾何尺寸所需的條件及浪費鋼量的流動參數(shù)。實驗和數(shù)值結(jié)果導(dǎo)致的結(jié)論是，沒有旋渦的形成預(yù)計將發(fā)生在工業(yè)條件下鋼包引流。1引言在連鑄過程中，鋼水倒入鋼包到中間包通過位于鋼包底偏心位置的噴嘴。鋼包是一個容器，一般為圓柱形狀，直徑2-3m，高約3m。它包含鋼液100至200噸，其中通過5/10cm直徑的噴嘴排出。在鋼包內(nèi)由渣層（厚度5cm至20cm不等）覆蓋鋼水防止空氣接觸氧化。由于排水過程的持續(xù)，接口分開的渣鋼，最終對排水噴嘴采用了一個偏轉(zhuǎn)“漏斗”的形式。漏斗的形成，導(dǎo)致渣從鋼包轉(zhuǎn)到中間包。排水停止時，首先檢測渣在噴嘴的痕跡，留下了未檢倒出的大量的鋼（3噸）在鋼包。對漏斗形成的影響進行了一些研究分析1-7，一般是根據(jù)水代替鋼水進行物理模型實驗的。在這些實驗中，是從平放的圓柱形或方形容器中排水來研究不同噴嘴直徑（0.54cm至8cm）和偏心率（0.7）。下方的流體動力學(xué)的現(xiàn)象也是根據(jù)文獻8-14來分析的，根據(jù)文獻1-8可知不同的機制可能會導(dǎo)致變形的鋼表面形成漩渦槽或排水槽。漩渦的特點是鋼包底附近的噴嘴形成高的切向速度（參見圖1和圖2左方案），可以在鋼包底開發(fā)甚至采用高列噴嘴。漩渦的形成可以使管道中的流體具有重要的初步切向速度特別是以排放噴嘴為中心。鋼包中的液體量到達噴嘴產(chǎn)生漩渦取決于最初的旋轉(zhuǎn)速度和噴嘴偏心率。另一方面，排水池的特點是徑向流動（圖1和圖2右方案），澆鑄過程發(fā)展的最后階段，少量鋼液停留在鋼包。排水池始終是目前在該進程的結(jié)束和不依賴于以往形成的一個漩渦。左側(cè)鋼包鋼液注急劇增加時，形成的排水槽約等于噴嘴的直徑。在噴嘴排水槽急劇增加與漩渦沖突時，導(dǎo)致產(chǎn)生重大比例的鋼渣1,4,6?？紤]到的這些因素可以在文獻中找到，由此看來由于噴嘴偏心，沒有首選旋轉(zhuǎn)方向的情況下，漩渦在這種條件下是不會發(fā)生的。通常鋼的數(shù)量由于降級發(fā)生爐渣轉(zhuǎn)結(jié)是符合這一假設(shè)的。在這項工作中，我們首先介紹水模型實驗部分，第2節(jié)進行確認(rèn)最后一個假設(shè)，估計在實際鑄造中形成漩渦的概率。在第3節(jié)，我們用目前的數(shù)值模擬工業(yè)鋼包引流過程，重點分析排水槽的形成和鋼包底幾何形狀的可能影響。實驗分析和數(shù)值計算結(jié)果在4節(jié)和5節(jié)中的結(jié)論提出。2.水模型實驗在布宜諾斯艾利斯大學(xué)工程學(xué)院，PorousMediaGroup進行了水模型實驗，實驗裝置采用的是在排水過程中流動的水（圖3）。一個圓柱形容器的直徑D=20cm，其部分填充水到一個恒定高度H0時，通過位于兩側(cè)的兩個切管到容器的底部，切管距離容器壁1cm。這種填充方式提供了流體切向必要的速度，促使形成渦流。水是通過直徑dn=0.5cm，長度hn=10cm的位于容器底部的噴嘴，并以r的距離為中心。一旦灌裝過程結(jié)束，速度場會隨時間衰減直到液體保持靜止。因此，我們可以選擇初始速度場的等待時間ti，在這時間內(nèi)填充結(jié)束和開始排水。我們假設(shè)該流場基本上是切向速度和軸是對稱的，在特有的初始流量的條件下通過量化V，定義為在自由表面最大的初始切向速度。一旦噴嘴是開放的，大規(guī)模的水會流動，被收集在一個容器，它的重量是作為檢測時間函數(shù)的一個精密標(biāo)準(zhǔn)。用這種方法得到噴嘴的輸出的流量Q=dm/dt。臨界高度Hc，定義為鋼包中的水與空氣在噴嘴發(fā)生沖突時的水平高度，分析了噴嘴的偏心率=2r/D和初始的切向速度。圖4a顯示的是，通過噴嘴提出了時間演化流動率Q的一個實例。圖中對應(yīng)的排水系統(tǒng)的H0=11cm的水柱通過一個集中噴嘴偏心率=0和最初的切向速度,V=2.5cm/s。我們可以看出初始流量Qi32g/s，平穩(wěn)地隨時間直到t=28s。觀察幾秒鐘后，在這一時期自由表面的流體幾乎仍然持平，除了噴嘴軸線附近形成一個自由表面凹陷（或壓痕）。從伯努利定律發(fā)現(xiàn)理論計算流動速率法，實驗數(shù)據(jù)顯示在這個階段排水過程中符合很粘的性質(zhì)。流量急劇下降，在tc28s時表明旋渦開始下沉。當(dāng)臨界高度Hc=8.6cm時，排出的水的比例大約22%。同時，自由表面凹陷演變向下形成一個漩渦漏斗，通過輸出產(chǎn)生的空氣留在噴嘴。由于波動的空氣存在于噴嘴中，所以流量的平均值減小。在最后一部分排水，t190s時觀察到漏斗消失：剩余的循環(huán)不足以維持漩渦槽與自由表面的流體變平，這一現(xiàn)象發(fā)生在Hdn。噴嘴再次注滿了水，流量突然增加，突然在幾秒內(nèi)產(chǎn)生顯著的排水系統(tǒng)。然后，排水發(fā)生在t=198s。圖4b的例子是相同的條件下考慮以往的案例以較低的初始切向速度（更長的等待時間）。在這種情況下，初始循環(huán)沒有大到足以產(chǎn)生渦流，鋼包水渠與自由表面幾乎持平直到t=109s時發(fā)生漏水槽，排出水的比例大約是85%。我們在類似的條件下進行實驗，分析噴嘴偏心的影響，但在圖4a（H0=11厘米，大的初始切向速度）的噴嘴有兩種不同的值的偏心率：=0.5，=0.9。圖4c證明當(dāng)=0.5時，就可以看出一個漩渦在t=96s時發(fā)生，臨界高度=1.6厘米，排水的比例是86%。對于=0.9時，流速的變化和圖4所示是相似的，也就是說，盡管最初的流量是相當(dāng)大的也不能觀察到渦流。此外，當(dāng)Hdn時，在排水系統(tǒng)最后的時間里排水槽出現(xiàn)。圖5給出了在臨界高度Hc的一個完整的結(jié)果，矢量量化了一個函數(shù)的初始切向速度=0（圓），=0.5（倒三角形），=0.9（正方形）。在以往的研究基礎(chǔ)上1-8，我們發(fā)現(xiàn)了噴嘴偏心延緩了漩渦的形成甚至抑制它的最大值。因此，對于最大的離心率=0.9任何一個考慮矢量量化值都不能觀察到渦流。更詳細(xì)的分析表明這些實驗在其他地方也能被發(fā)現(xiàn)15。為了聯(lián)系起來，Guthrie利用量綱分析結(jié)果只顯示一個典型全面鋼水排水8。他們得出的結(jié)論是，無量綱臨界高度Hc/H0只取決于兩個流體力學(xué)參數(shù)：定義為雷諾茲數(shù)Re=VoutH0/v（Vout是最初的輸出速度，v是運動的流體粘度）和渦流數(shù)Kv=VqR/(Voutdn/2)。有人認(rèn)為6，8，無論是在物理模型還是在實際鑄造中達到的非常大的雷諾茲數(shù)與渦流沒有關(guān)系。因此，渦流數(shù)成為關(guān)鍵的參數(shù)，建立相似準(zhǔn)則。圖5中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)=0.9時甚至V值達到10cm/s都沒有形成渦流。因此，鋼包中用一個類似的偏心噴嘴，D=200cm，H0=300cm，dn=10cm，有必要的渦水槽出現(xiàn)時最初的切向速度應(yīng)該超過60cm/s。假設(shè)在實際操作的裝罐過程中有這么大可能性的初始切向速度，可以得出結(jié)論是，一個典型的滿刻度剛睡排水中沒有渦槽?？紤]到以前的討論，在下一節(jié)中，我們提出了一個完整的排水下沉現(xiàn)象的集中數(shù)值模擬。3、數(shù)值計算結(jié)果工業(yè)研究中心部門用數(shù)值來進行模擬FUDETEC。鋼包的排水系統(tǒng)是以有限元模型來計算不能壓縮的紊流將其程序化16，代碼在陰影部分17。采用等參立體元素對速度場用線性插值的方法，而對壓力采用恒定插值方法。這種不可壓縮性的約束使懲罰強加在上面18，用虛擬的濃度技術(shù)用來分析鋼表面19，這些研究方法已經(jīng)被成功的運用到分析連續(xù)鑄造機的鋼流上面20-21。在這個部分中我們對鋼包得出