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)的多尺度流動耦合傳熱、傳質(zhì)、相變、多相流等諸多過程,形成十分復(fù)雜的非均勻多物理場。對結(jié)晶器內(nèi)的多尺度、多物理場流體力學(xué)行為進(jìn)行深入研究,可為優(yōu)化現(xiàn)場操作和設(shè)計(jì)更高效的新型結(jié)晶器提供指導(dǎo),對于促進(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)合的方法對結(jié)晶器內(nèi)多尺度、多物理場流體力學(xué)行為進(jìn)行系統(tǒng)的研究,并利用現(xiàn)場檢測數(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,通過整理現(xiàn)場大量的鋼板超聲波探傷檢測圖譜以及對應(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)不對稱的“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“簇群狀夾雜物”。對結(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)上水口的吹氬過程,采用莫來石制作水模型的環(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)大渦模擬對近壁處渦黏性的預(yù)測精度,預(yù)測了結(jié)晶器內(nèi)鋼液的瞬態(tài)周期性流動。將該周期性流動分為“垂直段回流”和“彎曲段偏流”。在保證水口對中情況下,捕捉到了上表面的多種漩渦形態(tài);漩渦是由水口兩側(cè)的不對稱流動引起的,分布在水口附近速度較小的一側(cè)。基于瞬態(tài)流場,采用Lagrange方法分析了氬氣泡的運(yùn)動/捕捉規(guī)律,發(fā)現(xiàn)運(yùn)動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)下多物理場耦合計(jì)算的難題。研究了結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼的生長規(guī)律和坯殼內(nèi)部的瞬態(tài)流場結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)流場內(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)動及動態(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,確定了它們在鑄坯內(nèi)的空間分布規(guī)律。為深入研究厚板坯內(nèi)的各類缺陷產(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法捕捉氣相對液相造成的湍流脈動壓力的難題,改善了局部湍流、氣液運(yùn)動參數(shù)的預(yù)測精度。揭示了連鑄結(jié)晶器內(nèi)氬氣/鋼液兩相瞬態(tài)非對稱流動規(guī)律。氣泡的行為將直接影響結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動行為,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,通過提高當(dāng)?shù)貧馀萘降念A(yù)測精度改善了單一尺寸雙流體模型對結(jié)晶器內(nèi)的多尺寸泡狀流的預(yù)測能力。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,通過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)測結(jié)晶器內(nèi)當(dāng)?shù)氐臍馀萘椒植肌＝沂玖私Y(jié)晶器內(nèi)氣液兩相流的動力學(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量傳遞方程,發(fā)展了求解多速度場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該模型進(jìn)行改進(jìn)。通過與實(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氣液體系運(yùn)動行為有重要影響。改進(jìn)的模型具有較好的通用性和預(yù)測能力,可為現(xiàn)場操作參數(shù)的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TF777
【部分圖文】：

常小的夾雜物（一般微米級，＜５０（ｘｍ）。??然而，鋼水經(jīng)過結(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??雜物類缺陷。圖１．２給出了最近國內(nèi)某鋼廠的鋼板超聲探傷檢測圖譜，（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。對應(yīng)鋼板的澆注條件見表１．１中的第３次澆注。對比每一流不同時(shí)刻的缺??陷圖譜可知，缺陷呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)特征。而不同流之間的對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，丨１流缺陷明??顯多于Ｉ流情況，說明１丨流澆注時(shí)會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”缺陷特征說明中間包鋼水的夾雜物水平是合格的，??無大型夾雜物（＞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、掃描電鏡和電子探針分析，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。對比圖１．１和１．３（ｂ）??可見，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稱現(xiàn)象，只有一側(cè)??存在。判斷該類缺陷主要發(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！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)：只要吹氬就會有氣泡被捕捉，但不是所有被捕捉的氣泡都會??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)會和“四分之一帶”缺陷一起存在，如圖１．５（ａ）所示；??有時(shí)會單獨(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，見圖１．６。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該缺陷在鋼板上的長度為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：2888255