中間包工藝參數(shù)對(duì)匯流渦流形成的影響

中間包工藝參數(shù)對(duì)匯流渦流形成的影響

在中心包圍過(guò)程中，出流口上方通常形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)漩渦。由于這種旋轉(zhuǎn)引起的卷渣占總下含量的80%90%，鋼液氧化產(chǎn)生較大的混合物。因此，有必要避免注射過(guò)程中出現(xiàn)卷渣現(xiàn)象。匯流旋渦的產(chǎn)生受中間包構(gòu)造、拉速等多種因素的影響,為了有效防止旋渦的產(chǎn)生和減小乃至消除旋渦帶來(lái)的有害影響,本實(shí)驗(yàn)對(duì)某鋼廠現(xiàn)行中間包條件進(jìn)行了塞棒高度(塞棒底端距中間包包底的距離)、拉速和中間包水口口徑以及渣層厚度對(duì)旋渦影響的研究。1設(shè)備和方法的實(shí)驗(yàn)1.1上下?lián)鯄腿粼撲搹S鋼包容量為300t,連鑄機(jī)為2機(jī)2流,中間包容量為64t,有上下?lián)鯄腿?塞棒用于開(kāi)澆和應(yīng)急處理,正常生產(chǎn)高度為100mm。模型中間包與原型中間包的幾何形狀比取1/4,則根據(jù)相似原理由中間包原型數(shù)據(jù)計(jì)算可得到中間包模型的幾何參數(shù)和物理參數(shù),如表1和表2所示。1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果特征高度中間包匯流旋渦水模實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。生產(chǎn)中匯流旋渦產(chǎn)生于大包換包階段和鋼水澆注初期和末期的液面下降過(guò)程和上升過(guò)程,為了模擬實(shí)際情況,將實(shí)驗(yàn)分為2組:大包澆完后的液面下降過(guò)程、大包開(kāi)澆時(shí)液面上升過(guò)程。液面下降和上升過(guò)程匯流旋渦變化如圖2所示。經(jīng)過(guò)初步實(shí)驗(yàn)最終得出匯流旋渦特征高度可以很好地描述匯流旋渦,因此在實(shí)驗(yàn)中選定匯流旋渦的特征高度為測(cè)量參數(shù)。如圖2所示,在液面上升過(guò)程中的特征高度參數(shù)為:旋渦不通高度(R3),即在中間包液位上升過(guò)程中,旋渦開(kāi)始不再貫通的中間包液位的臨界高度;旋渦最后惡化高度(R2),即在中間包液位上升過(guò)程中,旋渦最后一次貫通的中間包液位的臨界高度;旋渦消失高度(R1),即在中間包液位上升過(guò)程中,由于液面上升到一定程度不再產(chǎn)生旋渦的中間包液位的臨界高度。在液面下降過(guò)程中的特征高度參數(shù)為:旋渦產(chǎn)生高度(D1),即在中間包液位下降過(guò)程中,流體表面上最初產(chǎn)生旋渦時(shí)的中間包液位的臨界高度;旋渦開(kāi)始惡化高度(D2),即在中間包液位下降過(guò)程中,旋渦在由產(chǎn)生到不斷地發(fā)展過(guò)程中第一次出現(xiàn)貫通時(shí)中間包液位的臨界高度;旋渦全通高度(D3),即在中間包液位下降過(guò)程中,旋渦發(fā)展到一定程度后開(kāi)始全部貫通時(shí)中間包液位的臨界高度。為了方便討論,各高度參數(shù)值均以無(wú)量綱高度單位表示,1個(gè)高度單位相當(dāng)于30mm,中間包液位為120mm,即其高度為4,依此類推。1.3匯流渦流旋轉(zhuǎn)軸實(shí)際監(jiān)管長(zhǎng)水口流量用閥門進(jìn)行控制調(diào)節(jié),浸入式水口用滑板調(diào)節(jié)流量,用膠塞開(kāi)關(guān)。大包澆完后的液面下降過(guò)程:實(shí)驗(yàn)前將2個(gè)浸入式水口流量均調(diào)節(jié)至所需值,然后將水從長(zhǎng)水口注入中間包到高度4,同時(shí)將長(zhǎng)水口流量調(diào)至浸入式水口流量的2倍,保持中間包液面穩(wěn)定5min后,關(guān)閉長(zhǎng)水口,停止注入,觀察記錄中間包液面下降過(guò)程中旋渦產(chǎn)生高度、旋渦開(kāi)始惡化高度和旋渦全通高度。大包開(kāi)澆時(shí)中間包液面上升過(guò)程:浸入式水口打開(kāi),長(zhǎng)水口以固定流量2.0m3/h澆入中間包,液面由零上升,記錄匯流旋渦的旋渦不通高度、旋渦最后惡化高度和旋渦消失高度。以上實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行4次,取平均值為實(shí)驗(yàn)結(jié)果,同時(shí)挑選典型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行照相和攝像。實(shí)驗(yàn)?zāi)J(rèn)條件:拉速為1.00m/min,塞棒高度為1.0,水口內(nèi)徑為18mm,無(wú)渣。實(shí)驗(yàn)方案為在各影響因素分別單獨(dú)變化的情況下測(cè)定液面上升過(guò)程中的旋渦消失高度、最后惡化高度、不通高度和液面下降過(guò)程中旋渦產(chǎn)生高度、開(kāi)始惡化高度、全通高度。其中塞棒高度變化值為0.5、1.0和1.5,拉速變化值為0.68、1.00、1.35m/min,水口內(nèi)徑變化值為14、18mm,渣層厚度變化值為0.2、0.3、0.5、1.0。2結(jié)果與分析2.1旋轉(zhuǎn)軸向擾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程匯流旋渦的產(chǎn)生機(jī)理如圖3所示,它是在軸向流動(dòng)過(guò)程中形成的,考慮普遍情況即軸對(duì)稱流動(dòng):V=V{u,v,w}(1)式中,u、v、w分別為徑向、切向和軸向速度分量。uˉ=u(r,z)uˉ=u(r,z);vˉ=0vˉ=0;wˉˉˉ=w(r,z)(2)wˉ=w(r,z)(2)式中,r、z分別為徑向坐標(biāo)和軸向坐標(biāo);uˉuˉ、vˉvˉ、wˉˉˉwˉ分別為徑向、切向和軸向速度分量時(shí)均值。這里引入uˉ=c1+c2/r?(r≠0)uˉ=c1+c2/r?(r≠0);wˉˉˉ=c3?z√wˉ=c3?z。其中,c1=c3/z0??√c1=c3/z0;c2為正比于出流口流量的積分常數(shù);c3=CD/0.051r1??????????√(gr51)0.5/πR2?CD=0.6?Rc3=CD/0.051r1(gr15)0.5/πR2?CD=0.6?R為容器的半徑,r1為出流口半徑,g為軸向增減作用量。對(duì)于湍流引入擾動(dòng)量:u=uˉ+u′?v=v′?w=wˉˉˉ+w′?p=pˉ+p′(3)u=uˉ+u′?v=v′?w=wˉ+w′?p=pˉ+p′(3)式中,u′、v′、w′分別為徑向、切向和軸向速度分量的脈動(dòng)值;p、pˉpˉ、p′分別為壓力值、壓力的時(shí)均值和壓力的脈動(dòng)值。由于擾動(dòng)將導(dǎo)致切向流動(dòng)失穩(wěn)而產(chǎn)生旋渦,因此必須分析切向流穩(wěn)定性方程,考慮到時(shí)間足夠長(zhǎng)以后擾動(dòng)的演化接近于單色波,經(jīng)線化處理:v′=VF·e-σt(4)式中,VF為脈動(dòng)v′的振幅,σ為衰減因子,t為時(shí)間。?2VF?r2+?2VF?z2+1r(c1+c2/rγ)?VF?r+c3z√γ?VF?r+(c1+c2/r2γ?1r2)VF+σγVF=0(5)?2VF?r2+?2VF?z2+1r(c1+c2/rγ)?VF?r+c3zγ?VF?r+(c1+c2/r2γ-1r2)VF+σγVF=0(5)采用分離變量法將擾動(dòng)看作徑向擾動(dòng)量f(r)和軸向的增減作用量g(z)的合成:VF(r,z)=f(r)·g(z)(6)式(6)代入式(5)中可得如下2個(gè)方程:d2gdz2+c3z√γdgdz+λ2g=0(7)d2fdr2+[1r(1+c2γ)+c1rγ〗dfdr+d2gdz2+c3zγdgdz+λ2g=0(7)d2fdr2+[1r(1+c2γ)+c1rγ〗dfdr+[1r2(c2γ?1)+c1γ+σγ?λ2[1r2(c2γ-1)+c1γ+σγ-λ2f=0(8)式(5)、(7)和(8)中,γ和λ分別為運(yùn)動(dòng)粘度和擾動(dòng)周頻。在某一高度z0上的解為:g(z)=[C4exp(it(z0)z?????√)+C5exp(?it(z0)z?????√)]×expc?c33γz15(9)t(z0)=λ2?c26z02γ2?14c4γ1z0√(10)g(z)=[C4exp(it(z0)z)+C5exp(-it(z0)z)]×expc-c33γz15(9)t(z0)=λ2-c62z02γ2-14c4γ1z0(10)式(9)、(10)中,z0為旋渦產(chǎn)生的高度;c4、c5、c6為積分常數(shù),i為時(shí)間。由式(9)和式(10)可知,g(z)將隨著z增大而減小,即擾動(dòng)在軸向上呈衰減趨勢(shì),流動(dòng)逐漸恢復(fù)到原來(lái)平靜狀態(tài),特別在z較大時(shí)擾動(dòng)衰減更加嚴(yán)重,z較小時(shí)擾動(dòng)在軸向上的衰減幅度小,總之?dāng)_動(dòng)自下而上衰減增大,即失穩(wěn)是先在近出流口附近產(chǎn)生,而后導(dǎo)致整個(gè)流場(chǎng)失穩(wěn),因此實(shí)驗(yàn)選擇塞棒高度、拉速和中間包水口內(nèi)徑3個(gè)對(duì)出流口區(qū)域流場(chǎng)影響非常顯著的因素作為可變條件,對(duì)該鋼廠現(xiàn)有條件下中間包匯流旋渦進(jìn)行研究,同時(shí)用機(jī)油模擬渣研究了渣層厚度對(duì)匯流旋渦的影響,最終確定出4個(gè)參數(shù)對(duì)匯流旋渦的影響程度,得出防止旋渦的工藝條件。2.2影響流量調(diào)節(jié)的因素2.2.1塞棒高度對(duì)各高度參數(shù)的影響塞棒高度對(duì)旋渦各高度參數(shù)的影響如圖4所示,塞棒高度為0.5時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5所示。由圖4可以看出,在中間包液面上升和下降過(guò)程中,旋渦各高度參數(shù)基本上隨塞棒高度的增加而增高,當(dāng)塞棒高度為0.5時(shí)液面下降過(guò)程中各參數(shù)高度值均在0.5左右,與另兩種情況相比旋渦各高度參數(shù)降低很大,且另兩種情況相差較小,因此塞棒高度對(duì)旋渦各高度參數(shù)的影響隨著塞棒高度的減小而增大。由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和圖5可知,當(dāng)塞棒高度為0.5,液面低于塞棒頭時(shí),旋渦隨即產(chǎn)生并迅速貫通,這是因?yàn)槿舾叨容^小時(shí),塞棒可以有效地堵塞匯流所產(chǎn)生的旋渦渦心,從而破壞旋渦無(wú)法使之繼續(xù)惡化甚至貫通。當(dāng)塞棒高度大時(shí),塞棒較高無(wú)法及早破壞旋渦渦心,從而造成各高度參數(shù)較塞棒高度為0.5時(shí)大很多。因此在該鋼廠現(xiàn)用的中間包中應(yīng)該盡量減小塞棒高度。2.2.2有關(guān)顯示之增大而增大而增大?！端鍟份d拉速對(duì)旋渦各高度參數(shù)的影響如圖6所示。由圖6可以看出,在中間包液位上升過(guò)程中,旋渦消失高度和旋渦不通高度隨拉速的增大而增大;在中間包液位下降過(guò)程中,旋渦全通高度隨拉速的增大而增大,而其它高度參數(shù)則在拉速為1.00m/min時(shí)最大,拉速為1.35m/min時(shí)次之,即拉速為1.00m/min和1.35m/min時(shí)所得旋渦各高度參數(shù)值均較大,但所有情況下拉速為0.68m/min時(shí)所得高度值均最小,因此較小的拉速有利于防止旋渦的危害。2.2.3中間包液位下降過(guò)程中旋轉(zhuǎn)全通高度變化中間包水口內(nèi)徑對(duì)旋渦各高度參數(shù)的影響如圖7所示。由圖7看出,除在中間包水口內(nèi)徑d=14mm時(shí)中間包液位下降過(guò)程中旋渦全通高度高于內(nèi)徑d=18mm以外,所有旋渦高度參數(shù)均為中間包水口內(nèi)徑較大時(shí)高,且兩種水口所得結(jié)果差值較大,因此中間包小內(nèi)徑水口有利于防止匯流旋渦,即實(shí)際中間包水口內(nèi)徑為56mm時(shí)有利于防止匯流旋渦。2.2.4無(wú)渣情況下資源量和平均惡化高度無(wú)渣和渣層厚度對(duì)匯流旋渦的影響如圖8所示。由圖8可以看出,無(wú)渣情況下液面上升過(guò)程中旋渦的消失高度和最后惡化高度及下降過(guò)程中的產(chǎn)生高度和開(kāi)始惡化高度均比有渣情況下高,