連鑄結(jié)晶器兩相流物理模型

1、連鑄結(jié)晶器兩相流物理模型摘要粒子圖像測(cè)速技術(shù)在板坯連鑄結(jié)晶器液氣兩相流研究中廣泛應(yīng)用。在低載氣率（氣體流量/液體流量）流體流動(dòng)階段，氣體和液體的流動(dòng)方式不同，隨著載氣率的增加，氣體流場(chǎng)和液體流場(chǎng)變得類似。在液相中，射流根部的角度(浸入式水口前方)和射流中心（主射流體）對(duì)氣體流量和拉速有較大的影響。首先降低浸入式水口端口的角度，其次是增加了載氣率。在拉坯速度為任意值時(shí)，射流根部角度從小增大，觀察射流中心角處氣流達(dá)到的最大值。在大的氣流速率下，射流中心角接近侵入式水口角。在結(jié)晶器型腔中通過觀察聚集的氣泡來判斷在低的還是高的氣流下拉速最大。平均氣泡尺寸取決于聚結(jié)-破裂動(dòng)力學(xué)，即載氣率的變化。即使載氣

2、率較小，氣體夾帶液體中的夾雜物進(jìn)入渣中的量也隨著拉速增加而有較大增加。為了改善此數(shù)學(xué)模型的邊界條件，需要對(duì)兩相流動(dòng)力學(xué)做進(jìn)一步的研究。1.引言由于氬氣泡、鋼液和渣之間緊密的關(guān)系，所以結(jié)晶器兩相流動(dòng)力學(xué)是一個(gè)關(guān)鍵問題。鋼液的流動(dòng)很大程度上取決于氣泡的數(shù)量和大小，因此兩個(gè)階段相互間進(jìn)行著非常復(fù)雜的流動(dòng)。最終產(chǎn)品的分析，例如對(duì)“管狀”、氣孔缺陷的分析，揭示了兩相流夾帶液固界面氬氣泡的現(xiàn)象。這些缺陷往往也伴隨著氧化鋁的聚集，將嚴(yán)重影響鋼鐵質(zhì)量問題，而這些質(zhì)量問題需要鋼鐵廠處理。各種操作因素對(duì)結(jié)晶器都有一定影響，如增加兩相流鑄造率，影響氬流量和浸入式水口（SEN）的設(shè)計(jì)，滑動(dòng)水口的開度和方向以及結(jié)晶器尺

3、寸。許多研究人員已經(jīng)將這些問題的各方面加以解決，他們按照不同的方法，包括水建模，數(shù)學(xué)模擬，金相分析鋼樣以及上述各種研究方法的組合。有關(guān)兩相流（鋼液氬氣）的第一個(gè)研究結(jié)果，是由Bessho發(fā)表的，他用數(shù)學(xué)模擬的方法研究了浸入式水口氬氣泡對(duì)噴射鋼液的影響。最近白和托馬斯進(jìn)行了詳細(xì)的兩相流滑動(dòng)水口中間包數(shù)學(xué)模擬，他們使用的是歐拉模型的水口。他們認(rèn)為，在浸入式水口的端部，存在密集的氬氣射流和液體射流，這往往決定了射流的整體性能。在浸入式水口內(nèi)，液體的速度是不均勻的，在每個(gè)端口，液體的流量也是不同的，這往往取決于開口位置和方向。他們還發(fā)現(xiàn)，由于其更大的浮力，較大的氣泡對(duì)給定氣體的流動(dòng)模式有更大的影響。同

4、一作者又建立了一個(gè)物理模型，研究建立在兩相流(氣體流速和氣泡大小)基礎(chǔ)上的，向下流動(dòng)的液體系統(tǒng)，比如在浸入式水口兩相流的情況下。對(duì)于給定氣體流速的氣泡大小和氣體成分，高剪切速度對(duì)其影響不大。浸入式水口堵塞，氬氣注入和空氣吸入對(duì)數(shù)學(xué)模擬都有一定影響。在堵塞問題開始階段，由于流體流型改變的影響，促進(jìn)了流體流動(dòng)。托馬斯在板坯內(nèi)進(jìn)行了氬氣流量的數(shù)學(xué)模擬，他們的研究結(jié)果表明，隨著注氣率的增加或氣泡尺寸的減小，都可以加強(qiáng)流動(dòng)模式的變化。小氣泡可以穿入熔池深部，增加并鞏固了其滯留在其內(nèi)部的可能性。用數(shù)學(xué)模擬研究了浸入式水口端口旋轉(zhuǎn)角度為流體流動(dòng)的影響，這些作者發(fā)現(xiàn)，一個(gè)30的旋轉(zhuǎn)角度，可以改善流型和增加結(jié)晶

5、器內(nèi)流體的停留時(shí)間。目前已經(jīng)對(duì)靜態(tài)磁場(chǎng)中鋼的偏析和非偏析流動(dòng)現(xiàn)象和氬氣的吹入現(xiàn)象進(jìn)行了分析。在這些研究中，雖然強(qiáng)調(diào)了吹氣操作，但是研究人員特別重視電磁制動(dòng)器對(duì)其影響。通過數(shù)學(xué)模擬研究不同拉速條件下，鋼渣界面的穩(wěn)定性，其中包括表面形狀，并通過物理模型數(shù)據(jù)得以驗(yàn)證。這些研究人員建立了基于乳化準(zhǔn)則情況下修正的弗勞德數(shù)。盡管迄今為止這項(xiàng)偉大的實(shí)驗(yàn)主要集中在結(jié)晶器兩相流量方面，但是液體射流及其與氣泡相互作用的動(dòng)態(tài)方面也需要進(jìn)一步改進(jìn)，以便更好了解氣液相互作用。此外，即使考慮到有關(guān)詳細(xì)流體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面的資料很少。最壞的情況還沒有出現(xiàn)，是基于這樣一個(gè)事實(shí)，即許多鋼鐵產(chǎn)品的缺陷并不與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型類似，因?yàn)?/p>

6、這種方法只能產(chǎn)生平均湍流變化量。這是指當(dāng)物理模型有效時(shí)，需要用數(shù)學(xué)模型補(bǔ)充。目前的工作主要有兩個(gè)目的，一是定量地分析兩相流和其他氣體和液體的動(dòng)態(tài)交互關(guān)系，另一是分析由不同氣體和液體的流速的改變而引起的的流體流動(dòng)模式的變化。2.實(shí)驗(yàn)使用20毫米厚的透明塑料板建立一個(gè)的IMEXSA鋼結(jié)晶器模型，這個(gè)鋼結(jié)晶器是原來尺寸的的1/2，如圖1(a)。水通過傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的浸入式水口輸送，如圖 1(b)所示。在這一步中，并沒有考慮滑動(dòng)水口開閘及其方向的影響。截止閥和流量計(jì)控制進(jìn)入結(jié)晶器模型中的水量，并通過位于底部的蜂窩式板排出。外層的水被送回到儲(chǔ)水罐以便再次在結(jié)晶器循環(huán)使用。通過壓縮機(jī)向SEN吹入空氣，用一個(gè)連接

7、裝置和一個(gè)氣體流量計(jì)實(shí)現(xiàn)不同的氣體流速地準(zhǔn)確注入。不同操作條件下的流體動(dòng)力學(xué)，通過使用粒子圖像測(cè)速設(shè)備的離子圖像測(cè)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)，這種技術(shù)的系統(tǒng)是Dantec系統(tǒng)。綠色頻率雙脈沖Nd：采用波長為532納米的激光。圖1（a）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀纬叽?圖1（b）浸入式水口幾何尺寸為了獲得短脈沖光能量，激光腔開關(guān)使用Q-開關(guān)以使能量可以在6-10 ns內(nèi)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)，這是激光腔持續(xù)響應(yīng)時(shí)間。從激光輸出能量為20mJ的Nd：它來自光纖束的YAG激光。這種能量隨著光導(dǎo)能量的增加而增加，可以傳輸500mJ脈沖輻射，其光傳輸能量大于532 nm光傳輸能量的90%。每平方毫米掃描的分辨率到達(dá)32或64。將激光儀表放置在

8、模型的軸對(duì)稱平面處，即平行于寬面，通過帶有三維調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)定位，此平面包括從浸入式水口到它的一個(gè)狹窄面孔，并假設(shè)在結(jié)晶器另一側(cè)形成相同的流體流動(dòng)模式。為了符合流體流動(dòng)規(guī)律，取密度為1030 kg/m3聚酰胺顆粒進(jìn)行測(cè)試，并注入浸入式水口。使用快速傅立葉變換交叉相關(guān)程序處理的記錄信號(hào)，利用高斯分布函數(shù)確定最大精度像素的峰值位移的位置。信號(hào)配備90mm的尼康鏡頭和錄音記錄，使用Dantec耦合器件（CCD），在奔騰IV PC，使用商業(yè)程序軟件進(jìn)行繪圖，以便對(duì)矢量速度場(chǎng)進(jìn)行處理。利用安裝在一個(gè)雙向固定器上面兩個(gè)CCD記錄氣泡中氣體流場(chǎng)。從第一個(gè)激光表的CCD捕捉到的圖像，通過一個(gè)棱鏡，轉(zhuǎn)移到另一個(gè)

9、與之平行的CCD上。在第二個(gè)CCD上裝有紅色過濾器，為了避免綠色通道光的影響。該過濾器通過屏蔽液相載體氣流從而達(dá)到對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)和記錄。由CCD拍攝的現(xiàn)場(chǎng)照片，從激光表來看尺寸為326261毫米。通過比較他們?cè)诖怪惫芘c已知尺寸和流量的透明管中水的平均速度，從而確定PIV測(cè)量流體速度的精度。測(cè)量和計(jì)算速度之間的誤差沒有超過1。雖然在3-D系統(tǒng)向量場(chǎng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量是可能的，但是需在2D系統(tǒng)提出。其實(shí)，這些領(lǐng)域的載體是兩個(gè)矢量分量結(jié)果中的2-D空間正交分量的i-j向量。一百年來，每個(gè)實(shí)驗(yàn)和每個(gè)階段的流場(chǎng)圖像分析，都是使用此流程，呈現(xiàn)給我們的數(shù)字圖像是一般圖像。分別對(duì)系統(tǒng)中記錄的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量100次，從

10、而計(jì)算得到浸入式水口端口噴射角沿X-Y軸的平均流速的分量U-V。通過下列表達(dá)式計(jì)算平均速度： ui和vi為測(cè)得的沿x和y方向的速度，它們存儲(chǔ)于電腦文件內(nèi)。其實(shí)對(duì)兩個(gè)噴射角度進(jìn)行測(cè)定，第一個(gè)被稱為噴氣根部，位于浸入式水口端口前部。表1 模型研究條件參數(shù)數(shù)值大小氣體流速0.167 0.333 0.5 0.833 1.5 2.0 3.0 4.17 8.33 16.70拉速0.0133 0.02 0.03氣體流速0.1 0.2 0.3 0.5 0.9 1.2 1.8 2.5 5.0 10.0拉速80 120 160另一個(gè)角度的命名是以對(duì)應(yīng)的噴射液體達(dá)到最高速度時(shí)，采用相同的方位角所對(duì)應(yīng)的角度。PIV測(cè)

11、量確定的流動(dòng)模式的渦流場(chǎng)、速度場(chǎng)，都是通過有限中心差分格式導(dǎo)出。（最終得到的是符號(hào)列表）即dy/dx路線的斜率，其中Vy，Vz是流體中2-D空間的正交速度。射流穿透測(cè)量從浸入式水口端口開始，直到噴射速度達(dá)到其他不同方向的速度時(shí)，所對(duì)應(yīng)向量點(diǎn)的距離。射流沖擊的位置，由靜態(tài)自由窄面來衡量，并且直接由速度場(chǎng)決定。氣泡的大小，通過CCD拍攝的視頻圖像計(jì)算得到，其數(shù)據(jù)記錄在電腦中，使用的是IMAQ方案，計(jì)算氣泡的大小和數(shù)量。此圖像分析程序使用數(shù)學(xué)過濾器，其對(duì)比度，亮度和放大倍數(shù)是可以調(diào)節(jié)的，可以定義和識(shí)別個(gè)別氣泡或團(tuán)聚氣泡的組合。從每個(gè)實(shí)驗(yàn)的100張圖片中，隨機(jī)選擇35個(gè)進(jìn)行氣泡分析，這意味著，在最高和

12、最低的質(zhì)量流量（氣體/液體質(zhì)量流量）條件下，可以對(duì)約300萬個(gè)和75萬個(gè)氣泡分別進(jìn)行分析。所有這些實(shí)驗(yàn)累計(jì)存儲(chǔ)得到的信息約20G。表1所示的實(shí)驗(yàn)方案，拉速按照最高準(zhǔn)則的比例確定，因?yàn)檫@個(gè)工藝許可滿尺寸雷諾數(shù)和弗勞德準(zhǔn)則之間的中間數(shù)值。實(shí)驗(yàn)的主要變量包括拉速和氣體流速或載氣率。圖2 （a）拉速0.0133 m/s,（b）拉速0.02 m/s（c）拉速0.03 m/s.圖3 （a）液體模型根部射流角 （b）液體模型中心射流角3.結(jié)果和討論圖2（a），2（b）和圖2（c）顯示的是拉速分別為0.8，1.2和1.8m/min（0.0133，0.02和0.03米/秒）的單相流。在0.8m/min氣流達(dá)到窄

13、面，流體流動(dòng)沿著窄面向下，低于氣流并形成一個(gè)大循環(huán)。部分流體向上流動(dòng)形成另一個(gè)較小的速度循環(huán)流，特別是在這個(gè)結(jié)晶器的右上角。在射流的起點(diǎn)，即浸入式水口端部上邊緣，流體幾乎水平流動(dòng)。在1.2m/min時(shí)兩個(gè)循環(huán)流動(dòng)（上部和更低的卷筒）上方和下方的流股加強(qiáng)，尤其是后者。靠近表面有三個(gè)旋渦，第一個(gè)位于浸入式水口上面，第二個(gè)在右上角，最后一個(gè)在中間位置。在這種情況下，射流沖擊窄面的程度比先前實(shí)驗(yàn)時(shí)更加激烈。在1.8m/min時(shí)上面提到的流動(dòng)特點(diǎn)有所加劇，雖然中間渦流沒有離開表面。繪制出噴射根部和噴氣核心的角度的曲線，3(a)和3(b)分別為拉速的函數(shù)。首先隨著拉速的增加以及渦流密集，端口上邊緣處流體速

14、度成剪刀狀，見圖2(b)2(c)，上升速度幾乎是水平的。從射流核心的角度來看，也幾乎與這個(gè)過程中的參數(shù)無關(guān)。兩相射流噴射根部和核心的角度，都大大影響流速，尤其在氣體流速或載氣率非常低的時(shí)候?？梢杂^察到拉速為0.8m/min（0.0133m/s）的時(shí)候，水的速度場(chǎng)可以達(dá)到0.5 l/min (8.3310-6m 3/s), 2.5 l/min (4.16710-6m3/s),5 l/min (8.3310- 5mk3/s) and 10 l/min (1.6710-4m3/s)，分別如圖4(a), 4(b), 4(c)和4(d)所示。射流穿透能力和窄面的沖擊距離都隨氣體流量的增加而增加，因?yàn)殡S著

15、兩相射流的氣體分?jǐn)?shù)的提高，浮力射流的軌跡彎曲將變大。在噴射液面上部，液體直接循環(huán)流向熔池表面。在低于噴氣核心，即隨著氣體流量的增加，出現(xiàn)尖端循環(huán)的“渦心”。這個(gè)渦心是由液體周圍的射流引起的自由剪切形成的?？拷媪鲃?dòng)的液體，隨著水量的增加，氣體流量將隨之增加。夾帶氣泡的液體形成一個(gè)位于射流上方并且向上流動(dòng)的趨勢(shì)，一旦沿此面下降時(shí)，則到達(dá)熔池表面并沿著窄面流動(dòng)。同時(shí)，隨著氣體流量的增加，在略低于頂部，浸入式水口流體速度降低形成了停滯區(qū)。圖4 拉速0.0133 m3/s（a）拉速8.3310_6m3/s（b）拉速4.16710_5m3/s（c）氣體流速為8.3310_5m3/s（d）氣體流速為1.

16、6710_4m3/s.噴氣根部角度的大幅度下降是因?yàn)闅怏w流動(dòng)速度矢量變化，即在靠近水口的上部邊緣，由于浮力的作用，幾乎傾向于水平流出?？梢钥闯?，即使有一些高流速氣體的影響，載體自由面也是面向上面的。這就產(chǎn)生了一個(gè)整體下降的噴氣根角度，即使氣體流速非常低。圖5（a）-5（d）顯示與 4（a）-4（d）圖中所示的相同類型的信息。即拉速為1.8m/min（0.03米/秒）時(shí)的信息。以上所示的兩相射流完全指向熔池表面，主要是由于夾帶氣泡的液體和氣體的流速是5或10升/分鐘，熔池表面上的液體使浸入式水口表面液體流動(dòng)產(chǎn)生高的向上流動(dòng)速度。氣體的吹入消除了以上所述單相流時(shí)旋渦的影響。由于浮力的作用迫使流體流

17、動(dòng)的狀況現(xiàn)在急劇改變，而在低于噴射量的區(qū)域的射流頂部，氣體流量正在增加。以上集中在射流湍流擾動(dòng)非常強(qiáng)烈的熔池表面，可以看到圖表面的不連續(xù)性，如圖 5（c）和5（d）所示。對(duì)任何氣體流量來說，射流核心角度仍然很大，作為這一工藝的參數(shù)，可以增加更多的液體，其夾帶的氣泡使兩相射流向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)鑄造速度在1.2m/min（0.02米/秒）時(shí)，雖然這里沒有顯示，但是仍然對(duì)中間流體流動(dòng)特性進(jìn)行了觀察。圖6（a）和6（b）分別顯示的是拉速為1.8m/min時(shí)，無氣體和氣體為10升/分鐘時(shí)的狀況，（與圖2（c）比較）。很顯然，在后一種情況下，可以消除吹入氣體時(shí)強(qiáng)大旋渦的影響。由于浸入式水口內(nèi)氣體載氣率的不同，在

18、水口的噴射特點(diǎn)也各不相同。浸入式水口內(nèi)的高載氣率兩相流為塞式類型，氣體隨著連續(xù)流動(dòng)的液體通過間歇式連續(xù)水口流出。圖7（a）和7（b）所示的為高載氣率，第一幅圖在氣體高密集區(qū)，而第二幅圖主要是靠近端口下緣的區(qū)域?？拷诜浅Ｐ〉臍馀萋酆喜⒅饾u上浮，見圖7（b）。拖曳力驅(qū)動(dòng)其他氣泡進(jìn)入液體，發(fā)生氣泡的合并和長大，2號(hào)和3分別表示液體進(jìn)一步流向自由表面。氣柱上升后，存在另一個(gè)氣泡聚集區(qū)，標(biāo)有另一個(gè)上升區(qū)4號(hào)，5號(hào)和6號(hào)重復(fù)標(biāo)記，一些氣泡沿著窄面下降。圖5 拉速0.03m/s，（a）拉速8.3310_6m3/s，（b）氣體流速4.16710_5m3/s（c）氣體流速為8.3310_5m3/s（d）氣體流速為1.6710_4m3/s.由于熔池表面的擾動(dòng)，在接近傳感器的地方形成了一個(gè)水柱，因?yàn)楦×Υ笥谟捎跉怏w和液體的流動(dòng)引起的慣性力。大氣泡通過一層厚度為0.04-0.06米的薄膜上升接近自由表面的位置，并沒有明顯的凝聚。隨著拉速的增加，對(duì)于給定的氣體流量，在循環(huán)周期