連鑄結晶器兩相流物理模型

1、連鑄結晶器兩相流物理模型摘要粒子圖像測速技術在板坯連鑄結晶器液氣兩相流研究中廣泛應用。在低載氣率（氣體流量/液體流量）流體流動階段，氣體和液體的流動方式不同，隨著載氣率的增加，氣體流場和液體流場變得類似。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，射流根部角度從小增大，觀察射流中心角處氣流達到的最大值。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-破裂動力學，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)學模型的邊界條件，需要對兩相流動力學做進一步的研究。1.引言由于氬氣泡、鋼液和渣之間緊密的關系，所以結晶器兩相流動力學是一個關鍵問題。鋼液的流動很大程度上取決于氣泡的數(shù)量和大小，因此兩個階段相互間進行著非常復雜的流動。最終產品的分析，例如對“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，將嚴重影響鋼鐵質量問題，而這些質量問題需要鋼鐵廠處理。各種操作因素對結晶器都有一定影響，如增加兩相流鑄造率，影響氬流量和浸入式水口（SEN）的設計，滑動水口的開度和方向以及結晶器尺

3、寸。許多研究人員已經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)學模擬，金相分析鋼樣以及上述各種研究方法的組合。有關兩相流（鋼液氬氣）的第一個研究結果，是由Bessho發(fā)表的，他用數(shù)學模擬的方法研究了浸入式水口氬氣泡對噴射鋼液的影響。最近白和托馬斯進行了詳細的兩相流滑動水口中間包數(shù)學模擬，他們使用的是歐拉模型的水口。他們認為，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，液體的速度是不均勻的，在每個端口，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，較大的氣泡對給定氣體的流動模式有更大的影響。同

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

5、型和增加結晶器內流體的停留時間。目前已經對靜態(tài)磁場中鋼的偏析和非偏析流動現(xiàn)象和氬氣的吹入現(xiàn)象進行了分析。在這些研究中，雖然強調了吹氣操作，但是研究人員特別重視電磁制動器對其影響。通過數(shù)學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)據得以驗證。這些研究人員建立了基于乳化準則情況下修正的弗勞德數(shù)。盡管迄今為止這項偉大的實驗主要集中在結晶器兩相流量方面，但是液體射流及其與氣泡相互作用的動態(tài)方面也需要進一步改進，以便更好了解氣液相互作用。此外，即使考慮到有關詳細流體動力學性質方面的資料很少。最壞的情況還沒有出現(xiàn)，是基于這樣一個事實，即許多鋼鐵產品的缺陷并不與傳統(tǒng)的數(shù)學模

6、型類似，因為這種方法只能產生平均湍流變化量。這是指當物理模型有效時，需要用數(shù)學模型補充。目前的工作主要有兩個目的，一是定量地分析兩相流和其他氣體和液體的動態(tài)交互關系，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模式的變化。2.實驗使用20毫米厚的透明塑料板建立一個的IMEXSA鋼結晶器模型，這個鋼結晶器是原來尺寸的的1/2，如圖1(a)。水通過傳統(tǒng)設計的浸入式水口輸送，如圖 1(b)所示。在這一步中，并沒有考慮滑動水口開閘及其方向的影響。截止閥和流量計控制進入結晶器模型中的水量，并通過位于底部的蜂窩式板排出。外層的水被送回到儲水罐以便再次在結晶器循環(huán)使用。通過壓縮機向SEN吹入空氣

7、，用一個連接裝置和一個氣體流量計實現(xiàn)不同的氣體流速地準確注入。不同操作條件下的流體動力學，通過使用粒子圖像測速設備的離子圖像測速技術實現(xiàn)，這種技術的系統(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）實驗模型的幾何尺寸 圖1（b）浸入式水口幾何尺寸為了獲得短脈沖光能量，激光腔開關使用Q-開關以使能量可以在6-10 ns內達到設定目標，這是激光腔持續(xù)響應時間。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32或64。將激

8、光儀表放置在模型的軸對稱平面處，即平行于寬面，通過帶有三維調節(jié)器的計算機定位，此平面包括從浸入式水口到它的一個狹窄面孔，并假設在結晶器另一側形成相同的流體流動模式。為了符合流體流動規(guī)律，取密度為1030 kg/m3聚酰胺顆粒進行測試，并注入浸入式水口。使用快速傅立葉變換交叉相關程序處理的記錄信號，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)程序軟件進行繪圖，以便對矢量速度場進行處理。利用安裝在一個雙向固定器上面兩個CCD記錄氣泡中氣體流場。從第一個激光表的CCD捕捉到的圖像，通過一個棱鏡，

9、轉移到另一個與之平行的CCD上。在第二個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到對速度場進行檢測和記錄。由CCD拍攝的現(xiàn)場照片，從激光表來看尺寸為326261毫米。通過比較他們在垂直管與已知尺寸和流量的透明管中水的平均速度，從而確定PIV測量流體速度的精度。測量和計算速度之間的誤差沒有超過1。雖然在3-D系統(tǒng)向量場實現(xiàn)測量是可能的，但是需在2D系統(tǒng)提出。其實，這些領域的載體是兩個矢量分量結果中的2-D空間正交分量的i-j向量。一百年來，每個實驗和每個階段的流場圖像分析，都是使用此流程，呈現(xiàn)給我們的數(shù)字圖像是一般圖像。分別對系統(tǒng)中記錄的每一個實驗測量

10、100次，從而計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。通過下列表達式計算平均速度： ui和vi為測得的沿x和y方向的速度，它們存儲于電腦文件內。其實對兩個噴射角度進行測定，第一個被稱為噴氣根部，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另一個角度的命名是以對應的噴射液體達到最高速度時，采用相同的方位角所對應的角

11、度。PIV測量確定的流動模式的渦流場、速度場，都是通過有限中心差分格式導出。（最終得到的是符號列表）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。射流穿透測量從浸入式水口端口開始，直到噴射速度達到其他不同方向的速度時，所對應向量點的距離。射流沖擊的位置，由靜態(tài)自由窄面來衡量，并且直接由速度場決定。氣泡的大小，通過CCD拍攝的視頻圖像計算得到，其數(shù)據記錄在電腦中，使用的是IMAQ方案，計算氣泡的大小和數(shù)量。此圖像分析程序使用數(shù)學過濾器，其對比度，亮度和放大倍數(shù)是可以調節(jié)的，可以定義和識別個別氣泡或團聚氣泡的組合。從每個實驗的100張圖片中，隨機選擇35個進行氣泡分析，這意味

12、著，在最高和最低的質量流量（氣體/液體質量流量）條件下，可以對約300萬個和75萬個氣泡分別進行分析。所有這些實驗累計存儲得到的信息約20G。表1所示的實驗方案，拉速按照最高準則的比例確定，因為這個工藝許可滿尺寸雷諾數(shù)和弗勞德準則之間的中間數(shù)值。實驗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/mi

13、n氣流達到窄面，流體流動沿著窄面向下，低于氣流并形成一個大循環(huán)。部分流體向上流動形成另一個較小的速度循環(huán)流，特別是在這個結晶器的右上角。在射流的起點，即浸入式水口端部上邊緣，流體幾乎水平流動。在1.2m/min時兩個循環(huán)流動（上部和更低的卷筒）上方和下方的流股加強，尤其是后者?？拷砻嬗腥齻€旋渦，第一個位于浸入式水口上面，第二個在右上角，最后一個在中間位置。在這種情況下，射流沖擊窄面的程度比先前實驗時更加激烈。在1.8m/min時上面提到的流動特點有所加劇，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

14、邊緣處流體速度成剪刀狀，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，也幾乎與這個過程中的參數(shù)無關。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候?？梢杂^察到拉速為0.8m/min（0.0133m/s）的時候，水的速度場可以達到0.5 l/min (8.33×10-6m 3/s), 2.5 l/min (4.167×10-6m3/s),5 l/min (8.33×10- 5mk3/s) and 10 l/min (1.67×10-4m3/s)，分別如圖4(a), 4(b), 4(c)和4(d)所示。射

15、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，因為隨著兩相射流的氣體分數(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”。這個渦心是由液體周圍的射流引起的自由剪切形成的?？拷媪鲃拥囊后w，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位于射流上方并且向上流動的趨勢，一旦沿此面下降時，則到達熔池表面并沿著窄面流動。同時，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8.33×10_6m3/s（b）拉速4.167&#

16、215;10_5m3/s（c）氣體流速為8.33×10_5m3/s（d）氣體流速為1.67×10_4m3/s.噴氣根部角度的大幅度下降是因為氣體流動速度矢量變化，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。這就產生了一個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

17、式水口表面液體流動產生高的向上流動速度。氣體的吹入消除了以上所述單相流時旋渦的影響。由于浮力的作用迫使流體流動的狀況現(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非常強烈的熔池表面，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動。當鑄造速度在1.2m/min（0.02米/秒）時，雖然這里沒有顯示，但是仍然對中間流體流動特性進行了觀察。圖6（a）和6（b）分別顯示的是拉速為1.8m/min時，無氣體和氣體為10升/分鐘時的狀況，（與圖2

18、（c）比較）。很顯然，在后一種情況下，可以消除吹入氣體時強大旋渦的影響。由于浸入式水口內氣體載氣率的不同，在水口的噴射特點也各不相同。浸入式水口內的高載氣率兩相流為塞式類型，氣體隨著連續(xù)流動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）。拖曳力驅動其他氣泡進入液體，發(fā)生氣泡的合并和長大，2號和3分別表示液體進一步流向自由表面。氣柱上升后，存在另一個氣泡聚集區(qū)，標有另一個上升區(qū)4號，5號和6號重復標記，一些氣泡沿著窄面下降。圖5 拉速0.03m/s，（a）拉速8.33×10_6m3/s，（b）氣體流速4.167×10_5m3/s（c）氣體流速為8.33×10_5m3/s（d）氣體流速為1.67×10_4m3/s.由于熔池表面的擾動，在接近傳感器的地方形成了一個水柱，因為浮力大于由于氣體和液體的流動引起的慣性力。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，對于給定的氣體流量，在