黃軍1, 2, 張永杰3, , 王寶峰2, 張亞坤2, 葉鑫2, 周士凱2, 4

1 東北大學(xué)冶金學(xué)院, 沈陽 110819
2 內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 包頭 014010
3 上海寶鋼研究院, 上海 201900
4 中國重型機(jī)械研究院股份公司, 西安 710032

摘要

關(guān)鍵詞： 中間包, ; 全尺度, ; 測(cè)速, ; 渦量, ; 停留時(shí)間(RTD)

中間包的冶金作用主要是依靠鋼液在中間包內(nèi)的合理流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)[1,2], 因此, 深入了解和控制鋼液在中間包內(nèi)的流動(dòng)行為是保證中間包冶金效果和提高鋼液質(zhì)量的關(guān)鍵. 中間包流動(dòng)的物理模擬一般依據(jù)合適的相似準(zhǔn)則, 采用尺寸相同或者縮小比例的中間包水模型來模擬實(shí)際中間包中鋼液的流動(dòng)[3~5]. 以往的中間包水力學(xué)模型研究中, 研究者[6~8]通常采用縮小比例模型, 只保證模型和原型的Froude (Fr)準(zhǔn)數(shù)相同, 認(rèn)為Reynolds (Re)準(zhǔn)數(shù)處于自模化區(qū), 忽略Re準(zhǔn)數(shù)相似所產(chǎn)生的影響, 然而研究[9~12] 表明, 中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)是典型的湍流流動(dòng), 中間包流動(dòng)的相似性只有在幾何相似和湍流Re準(zhǔn)數(shù)相同的情況下才能得以保持, 忽略Re準(zhǔn)數(shù)相似會(huì)導(dǎo)致對(duì)湍流流動(dòng)的模擬不足, 特別是不能精確模擬對(duì)于影響中間包夾雜物碰撞聚合的渦的運(yùn)動(dòng). 要同時(shí)滿足室溫水模型和原型中Re準(zhǔn)數(shù)和Fr準(zhǔn)數(shù)相似, 只能是采用全尺度模型進(jìn)行物理模擬.

用染色溶液(亞甲基藍(lán)等)、高錳酸鉀、食品顏料等來顯示中間包內(nèi)流場(chǎng)的技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[9,13]. 這種使用顯示劑的流動(dòng)顯示技術(shù)能把流動(dòng)的某些性質(zhì)加以直觀表示, 以便獲得全面的中間包流動(dòng)行為, 雖然流動(dòng)顯示技術(shù)可以為流動(dòng)結(jié)構(gòu)提供全局性的發(fā)展的定性認(rèn)識(shí), 但很難提供詳細(xì)的定量結(jié)果. 圖像測(cè)速技術(shù)就是在流動(dòng)顯示基礎(chǔ)上, 利用圖像處理的方法發(fā)展起來的, 它綜合了單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)(熱線和渦輪)和顯示測(cè)量技術(shù), 既具備了單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的精度和分辨率, 同時(shí)又能獲得平面流場(chǎng)的整體結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)圖像, 還可定量地取得全流場(chǎng)的流速數(shù)據(jù)[14,15].

中間包流動(dòng)不僅需要流動(dòng)速度的表征, 還需要從整體上認(rèn)識(shí)其流動(dòng)特征, 為此, 將基于化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的停留時(shí)間(residence time distribution, RTD)概念引入到中間包冶金中. 對(duì)于RTD曲線的研究, 研究者采用酸、鹽溶液和染色溶液作為示蹤劑, 采用PH值測(cè)量?jī)x、電導(dǎo)率儀或者比色計(jì)分析中間包出口示蹤劑的濃度變化[16~18]. 如何保證示蹤劑溶液的密度與水密度一致至關(guān)重要, 否則將產(chǎn)生不正確的RTD曲線. Damle和Sahai[19]采用數(shù)值模擬和水模擬的方法研究了示蹤劑密度對(duì)RTD曲線的影響, 結(jié)果表明, 使用和測(cè)試對(duì)象密度不同的示蹤劑(例如飽和KCl溶液, 密度1163 kg/m3), 獲取的RTD曲線嚴(yán)重失真, 且會(huì)導(dǎo)致中間包流動(dòng)分析產(chǎn)生錯(cuò)誤.

為了滿足在全尺寸幾何條件下整個(gè)流場(chǎng)的信息測(cè)試需要, 本研究首先建立一個(gè)全尺度的連鑄水模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 其次將NI公司的機(jī)器視覺及圖像處理技術(shù)與粒子圖像測(cè)速法(particle image velocimetry, PIV)相結(jié)合, 利用PIVview軟件對(duì)特厚板連鑄用中間包注流區(qū)和澆鑄區(qū)的流場(chǎng)進(jìn)行了定性和定量分析, 最后使用密度接近于水的粒子基于圖像檢測(cè)的非接觸測(cè)量方式, 對(duì)特厚板連鑄用中間包RTD曲線進(jìn)行測(cè)量, 并和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比研究.

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立及實(shí)驗(yàn)過程

在中間包的物理模擬中, 通常使用低溫的水溶液來模擬中間包中的鋼液, 透明中間包中的水流動(dòng)可以表征中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng), 描述中間包流動(dòng)的無量綱方程為[10]:

$\begin{array}{c}\rho \frac{D{v}^{\mathrm{*}}}{D{t}^{\mathrm{*}}}=-{\nabla }^{\mathrm{*}}{p}^{\mathrm{*}}+\left(\frac{1}{\mathit{Re}}\right){{\nabla }^2}^{\mathrm{*}}{v}^{\mathrm{*}}+\left(\frac{1}{\mathit{Fr}}\right)\end{array}$(1)

式中, $\begin{array}{c}{v}^{\mathrm{*}}=\frac{v}{V}\end{array}$, $\begin{array}{c}{t}^{\mathrm{*}}=\frac{\mathit{tv}}{L}\end{array}$, $\begin{array}{c}{p}^{\mathrm{*}}=\frac{p-p_0}{\rho v^2}\end{array}$, $\begin{array}{c}{\nabla }^{\mathrm{*}}=L\nabla \end{array}$, $\begin{array}{c}{\nabla }^{\mathrm{*}2}=L^2{\nabla }^2\end{array}$, $\begin{array}{c}\mathit{Re}=\frac{\mathit{\rho vL}}{\eta }\end{array}$, $\begin{array}{c}\mathit{Fr}=\frac{v^2}{\mathit{gL}}\end{array}$; 其中, $\begin{array}{c}\rho \end{array}$, $\begin{array}{c}v\end{array}$, $\begin{array}{c}p\end{array}$, $\begin{array}{c}t\end{array}$, $\begin{array}{c}\eta \end{array}$和 $\begin{array}{c}g\end{array}$分別代表流動(dòng)中流體的密度、速度、壓力、時(shí)間、黏度和重力加速度; $\begin{array}{c}{v}^{\mathrm{*}}\end{array}$, $\begin{array}{c}{t}^{\mathrm{*}}\end{array}$和 $\begin{array}{c}{p}^{\mathrm{*}}\end{array}$分別是流動(dòng)過程中速度、時(shí)間和壓力的無因次量; $\begin{array}{c}V\end{array}$和 $\begin{array}{c}L\end{array}$分別代表流動(dòng)速度和尺度的參考標(biāo)尺值; $\begin{array}{c}{p}_0\end{array}$表示參考?jí)毫? 中間包湍流流動(dòng)中, 基于渦流長(zhǎng)度的動(dòng)量交換必須保證湍流Re準(zhǔn)數(shù)相同, Sahai和Emi[10]的研究表明, 在等溫體系的湍流流動(dòng)中間包內(nèi), 流動(dòng)的相似性只有在幾何相似和湍流Re準(zhǔn)數(shù)相同的情況下才能維持, 表征慣性力和重力之比的Fr準(zhǔn)數(shù)提供了中間包模型及原型中有關(guān)鋼液流動(dòng)和夾雜物行為的模擬準(zhǔn)則, 如果要滿足室溫中間包水模擬過程Re準(zhǔn)數(shù)和Fr準(zhǔn)數(shù)相似準(zhǔn)則, 只能采用全尺度模擬.

本研究建立一套全尺度的連鑄綜合水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 該平臺(tái)主要由水模擬系統(tǒng)、中間包流場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、中間包RTD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、結(jié)晶器流場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及模擬平臺(tái)控制系統(tǒng)組成, 圖1為連鑄綜合水力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖及現(xiàn)場(chǎng)圖. 水模擬系統(tǒng)主要由中間包模型、結(jié)晶器模型、循環(huán)水箱、各種電磁閥、流量計(jì)、液位計(jì)及各種控制設(shè)備組成, 利用中間包及結(jié)晶器液位耦合閉環(huán)控制, 可實(shí)現(xiàn)不同澆注條件下的連鑄過程, 滿足自動(dòng)化要求的連鑄過程模擬. 整個(gè)平臺(tái)包括中間包和結(jié)晶器2個(gè)系統(tǒng), 這2個(gè)系統(tǒng)既可以聯(lián)動(dòng)實(shí)驗(yàn), 又可以滿足單獨(dú)實(shí)驗(yàn)要求.

圖1   連鑄綜合水力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖和現(xiàn)場(chǎng)圖

Fig.1   Schematic (a) and equipment (b) of the experimental platform for continuous casting

中間包流場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)和結(jié)晶器測(cè)試系統(tǒng)分別由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng), 在一個(gè)大的三維坐標(biāo)架內(nèi)移動(dòng), 通過事先調(diào)整好固定焦距的圖像采集單元, 掃掠測(cè)試對(duì)象的不同截面, 實(shí)現(xiàn)不同橫縱截面的流場(chǎng)獲取, 基于數(shù)字圖像技術(shù)實(shí)現(xiàn)在后臺(tái)的記錄、處理與顯示. 中間包RTD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)示蹤劑的自動(dòng)加入, 實(shí)時(shí)顯示示蹤劑在出口的濃度變化, 通過數(shù)據(jù)處理可實(shí)現(xiàn)RTD 曲線的自動(dòng)記錄與顯示.

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)與先進(jìn)的圖像處理技術(shù)相結(jié)合, 使得該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以更為高效地滿足連鑄水模擬實(shí)驗(yàn).

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)方面, 以面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展技術(shù)為基礎(chǔ), 結(jié)合高速數(shù)據(jù)處理和Labview運(yùn)動(dòng)分析平臺(tái), 通過NI可編程高速信號(hào)控制器驅(qū)動(dòng)激光器高頻同步拍攝水中示蹤粒子運(yùn)動(dòng)軌跡, 形成水模擬流場(chǎng)矢量數(shù)據(jù), 對(duì)中間包和結(jié)晶器內(nèi)水的流動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試和展示. 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)備組合, Labview軟件系統(tǒng)與Vision functions機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)使整套系統(tǒng)具有高度的準(zhǔn)確性、靈活性和可擴(kuò)展性. 在對(duì)流場(chǎng)數(shù)據(jù)的后期處理過程中, 應(yīng)用已授權(quán)的PIVview軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理得到截面的流場(chǎng)圖.

由于中間包內(nèi)流動(dòng)速度較低(平均速度小于1.0 m/s), 使用以固定幀數(shù)記錄的數(shù)碼相機(jī)連拍可以滿足粒子追蹤的需要, 不需要像PIV技術(shù)那樣在很短時(shí)間內(nèi)(5 μs)連續(xù)2幀拍攝, 只需要保證數(shù)碼相機(jī)連拍速度和激光頻閃的同步, 這樣測(cè)量系統(tǒng)不僅價(jià)格可以降低, 而且系統(tǒng)可以使用多個(gè)相機(jī)組成陣列, 滿足同時(shí)獲得較大視場(chǎng)的測(cè)速要求. 本實(shí)驗(yàn)中間包流場(chǎng)圖像采集系統(tǒng)主要由MGL-N-532型號(hào)激光光源、2臺(tái)Canon 5DMARK III相機(jī)組成的采集單元及后臺(tái)控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成, MGL-N-532型號(hào)激光光源發(fā)射的是波長(zhǎng)為532 nm的綠色激光, 拍攝頻率為60 Hz, 示蹤粒子采用密度為1.02 g/cm3, 直徑為50 μm的聚苯乙烯小球.

非接觸的中間包RTD測(cè)試系統(tǒng)是基于NI圖像檢測(cè)技術(shù), 利用激光源和高速相機(jī)相結(jié)合的手段對(duì)中間包長(zhǎng)水口加入的一定量的示蹤粒子在離開出水口處的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè), 響應(yīng)信號(hào)被制作成無因次濃度-時(shí)間曲線, 即表達(dá)中間包流體的流動(dòng)特征. 該系統(tǒng)需要將中間包的出水口開兩個(gè)相互垂直的透明窗口, 便于激光的面光源和相機(jī)的拍攝方向垂直. 系統(tǒng)由MXL-N-655激光光源和Basler Ace系列Camera Link面掃描相機(jī)組成, 激光光源發(fā)射的是波長(zhǎng)為655 nm的紅色激光, RTD面掃描相機(jī)捕獲率340 Hz.

RTD的實(shí)驗(yàn)步驟為: 首先將純凈水(電導(dǎo)率小于10 μS/cm)充滿中間包, 并使其液位穩(wěn)定, 將50 g的聚苯乙烯微粒(粒徑100 μm, 密度1.05 g/cm3)與適量的陰離子表面活性劑混合, 通過示蹤粒子加入系統(tǒng)注入中間包長(zhǎng)水口內(nèi). 記錄單位時(shí)間內(nèi)通過測(cè)試區(qū)域的滿足一定要求的粒子輝光變化, 通過無量綱處理后即為RTD 曲線, 數(shù)據(jù)采集時(shí)間為中間包理論停留時(shí)間的3倍以上.

本研究的對(duì)象中間包為特厚板連鑄用中間包, 中間包水模型用厚度為20 mm的玻璃按照1∶1的比例制成, 其結(jié)構(gòu)如圖2所示, 湍流抑制器用不銹鋼板制作. 該中間包的最大容量為5.0 m3, 其中長(zhǎng)水口內(nèi)徑為70 mm, 浸入式水口內(nèi)徑為106 mm, 在中間包的注流區(qū)與澆鑄區(qū)之間為電磁感應(yīng)加熱區(qū), 設(shè)計(jì)有2個(gè)內(nèi)徑為150 mm的感應(yīng)加熱通道. 實(shí)驗(yàn)中連鑄板坯斷面尺寸為700 mm×1500 mm, 設(shè)計(jì)拉坯速度為0.15~0.20 m/min, 中間包液位高度為950 mm, 長(zhǎng)水口插入深度為200 mm, 體積流量為9.45 m3/h.

圖2   中間包結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2   Schematic of the tundish

2 流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

合理的中間包流動(dòng)及其定量認(rèn)識(shí)是中間包冶金的需要[20~22]. 在對(duì)中間包流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí), 根據(jù)中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)路徑, 選取3個(gè)特征面, 具體位置如圖3所示. 在注流區(qū)選取A截面, 其距離長(zhǎng)水口垂直距離250 mm, 澆注區(qū)選取B和C截面, B截面為中間包通道處中心截面, C截面為中間包出水口附近截面, 所有截面都垂直于中間包底面.

圖3   速度測(cè)量位置示意圖

Fig.3   Location schematic of velocity measure

利用圖像采集單元依次掃掠測(cè)量截面, 利用PIV view處理不同測(cè)量區(qū)域, 并拼接成中間包不同截面的流場(chǎng)圖. 雖然不同區(qū)域測(cè)量是不同時(shí)的, 但其拼接圖像能夠反映該截面內(nèi)流動(dòng)分布特征. 圖4為連鑄拉速為0.15 m/min時(shí), 中間包A截面的速度矢量和渦量分布測(cè)量結(jié)果, 矢量圖顯示速度場(chǎng), 顏色云圖顯示渦量場(chǎng). 由于A截面穿過鋼制的湍流抑制器, 故底部湍流抑制器區(qū)域沒有流場(chǎng)數(shù)據(jù). 渦量是流體運(yùn)動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)度的度量, 定義為速度矢量的卷曲度. 測(cè)速結(jié)果可以看出, 中間包注流區(qū)流動(dòng)是一個(gè)局部脈動(dòng), 局部呈現(xiàn)較大的湍流漩渦狀態(tài), 紅色和藍(lán)色顯示渦的旋轉(zhuǎn)方向不同, 但是總體上呈現(xiàn)一定流動(dòng)趨勢(shì)的運(yùn)動(dòng). 渦量和速度的最大值出現(xiàn)在湍流抑制器的上方, 流體沖擊到湍流抑制器后, 流體速度向上, 渦量值增大, 隨后向表面擴(kuò)散. 值得關(guān)注的是, 渦量在湍流抑制器上方分布均勻, 最終擴(kuò)散到中間包液面, 并接近覆蓋整個(gè)表面, 在渦的運(yùn)動(dòng)過程中, 必然經(jīng)歷渦的摻混、破碎和融合過程, 說明在中間包湍流抑制器上方與表面之間有強(qiáng)烈的傳遞行為, 同時(shí), 湍流抑制器附近強(qiáng)度較弱的渦被中央高強(qiáng)度的渦卷吸融合, 最終形成一個(gè)類似“漏斗”型的結(jié)構(gòu).

圖4中速度矢量標(biāo)尺范圍為0~0.5 m/s, 由于長(zhǎng)水口注入的流體速度較大, 當(dāng)接觸到湍流抑制器后流體的能量減小、運(yùn)動(dòng)混亂, 使得細(xì)小的夾雜物碰撞長(zhǎng)大的幾率增大; 在湍流抑制器的作用下大部分流體的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變, 轉(zhuǎn)為向上運(yùn)動(dòng), 到達(dá)表面后的流體平均速度大小為0.1 m/s左右, 實(shí)際生產(chǎn)過程中會(huì)在一定程度上增大夾雜物與覆蓋劑的接觸機(jī)會(huì), 有助于夾雜物的去除.

圖4   連鑄拉速0.15 m/min時(shí)注流區(qū)A截面的流場(chǎng)渦量圖和速度圖

Fig.4   Vorticity and velocity diagram in the tundish of section A at casting speed of 0.15 m/min

常規(guī)的中間包設(shè)計(jì)中, 當(dāng)采用較大的插入深度及熔池深度時(shí), 不傾向采用湍流抑制器, 但是對(duì)于特厚板坯連鑄用中間包, 由于注流區(qū)域大, 整個(gè)區(qū)域的平均湍流強(qiáng)度偏低, 需要利用湍流抑制器提升注流區(qū)的熱質(zhì)交換, 同時(shí), 由于下部有2個(gè)感應(yīng)加熱通道, 安裝湍流抑制器后, 能夠防止和底部通道發(fā)生短路流, 在注流區(qū)形成較大的死區(qū).

圖5為拉速為0.15和0.20 m/min時(shí), 澆注區(qū)B和C截面的速度矢量圖, 顏色表示速度值的大小, 箭頭表示速度的方向. 圖6為拉速0.15 m/min時(shí), 基于湍流時(shí)均化的Fluent商業(yè)軟件數(shù)值模擬結(jié)果的流線圖. 對(duì)比可以看出, 相對(duì)于數(shù)值模擬, 流場(chǎng)的圖像測(cè)試對(duì)小渦流及速度的演變過程呈現(xiàn)出更為豐富的細(xì)節(jié), 總體看來, 數(shù)值模擬呈現(xiàn)流動(dòng)趨勢(shì), 水模擬工作呈現(xiàn)流動(dòng)的細(xì)節(jié), 兩種手段相輔相成, 可以對(duì)流動(dòng)有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí).

圖5   拉速為0.15和0.20 m/min時(shí)澆注區(qū)B和C截面速度圖

Fig.5   Velocity fields of section B (a, b) and section C (c, d) at casting speed of 0.15 m/min (a, c) and 0.20 m/min (b, d)

圖6   拉速0.15 m/min下數(shù)值模擬的中間包內(nèi)三維流線圖

Fig.6   3D streamlines in the tundish with simulation at casting speed of 0.15 m/min

從截面B可以看出(圖5a和b), 中間包底部和頂部的流體運(yùn)動(dòng)較為劇烈, 從通道流出的流體, 分成了兩股, 第一股較大且較為集中, 從通道流出后, 形成典型的沖擊射流, 沖擊到側(cè)墻后, 運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)為向上運(yùn)動(dòng), 當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)到表面時(shí), 水平運(yùn)動(dòng)一段距離后有明顯向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì), 從而與通道流出的流體形成一個(gè)大的環(huán)流, 這種大的環(huán)流形成有利于澆注區(qū)內(nèi)傳輸行為. 另外一股流體直接流向表面, 與前一股流向表面的流體混合, 最終形成大的湍流狀態(tài), 特別是當(dāng)拉速增大時(shí), 中間包內(nèi)部變得更為混亂, 同時(shí)強(qiáng)度增大. 圖中的速度大小的標(biāo)尺范圍都為0~0.5 m/s, 在通道底部, 可以明顯看出是沖擊射流的典型流動(dòng), 瞬時(shí)速度可以到0.3~0.4 m/s, 環(huán)流中心以及中間包中心區(qū)域流體的運(yùn)動(dòng)較為緩和, 平均速度小于0.1 m/s.

由于2個(gè)通道的存在, 在注流區(qū)形成大的環(huán)流. 從通道流出的流體, 速度大并且運(yùn)動(dòng)方向集中, 當(dāng)沖擊到側(cè)墻后, 運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)為向上運(yùn)動(dòng), 這樣會(huì)使得鋼液對(duì)底墻和側(cè)墻有明顯的摩擦和沖擊效果, 如果耐火材料的強(qiáng)度不夠, 很容易造成生產(chǎn)事故, 故澆注區(qū)底面和側(cè)墻耐火材料需要提高強(qiáng)度.

從截面C可以看出(圖5c和d), 中間包內(nèi)湍流流動(dòng)不均勻, 靠近側(cè)墻的流動(dòng)劇烈. 由于中間包出水口及塞棒的存在, 影響了出水口的流動(dòng), 但是并沒有在澆注區(qū)中心形成強(qiáng)“卷吸”作用, 而強(qiáng)“卷吸”作用會(huì)對(duì)中間包渣層穩(wěn)定、短路流形成有重大影響, 其在中間包流動(dòng)過程中盡量避免. 其流動(dòng)特征如一個(gè)圍繞塞棒流動(dòng)的大的環(huán)流, 這種環(huán)流有利于中間包內(nèi)動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞作用, 有利于提高中間包冶金效果[23].

3 RTD實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

中間包冶金過程中包括夾雜物的去除、溫度均勻化等都需要鋼液流動(dòng)來驅(qū)動(dòng). 前人的研究工作[24~26]說明, 合理地延長(zhǎng)中間包內(nèi)鋼液的停留時(shí)間, 有利于夾雜物上浮, 從而提高鋼液潔凈度. 由于中間包是一個(gè)連續(xù)非理想反應(yīng)器, 流動(dòng)復(fù)雜, 一般用平均停留時(shí)間來衡量鋼液的流動(dòng)狀態(tài), 然后利用組合模型通過停留時(shí)間分布曲線來計(jì)算鋼液的流動(dòng)特征, 如活塞流體積分?jǐn)?shù)、死區(qū)體積分?jǐn)?shù)等, 通過流動(dòng)特征所派生的信息可以對(duì)中間包流動(dòng)行為進(jìn)行評(píng)價(jià)[27,28], 本研究通過圖像測(cè)試的非接觸手段獲取RTD曲線來研究特厚板連鑄用中間包的流動(dòng)特征.

圖7為中間包在0.15 m/min拉速下通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬獲得的鋼液停留時(shí)間分布曲線. 對(duì)比可以看出, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果一致性較好, 通過非接觸測(cè)量獲取的RTD曲線能夠真實(shí)反應(yīng)中間包的注流特征. 從RTD曲線形態(tài)上看, RTD的峰值在無量綱時(shí)間為0.5的位置, 對(duì)比一般的板坯連鑄用中間包, 峰值時(shí)間靠后, 說明活塞流體積大, 這主要是由于中間包內(nèi)存在2個(gè)加熱通道, 導(dǎo)致中間包出口對(duì)入口的刺激“響應(yīng)”較慢. 對(duì)于大于2倍的平均停留時(shí)間的區(qū)域, 即死區(qū)體積, 從圖中可以看出, 相對(duì)于整個(gè)曲線的面積還是較大的, 說明整個(gè)中間包內(nèi)死區(qū)體積較大, 利用組合模型計(jì)算得到了實(shí)驗(yàn)過程鋼液平均停留時(shí)間、死區(qū)體積分?jǐn)?shù)、活塞流體積分?jǐn)?shù)以及混合流體積分?jǐn)?shù), 分別為2166 s, 15.46%, 29.71%和54.83%. 從中間包的停留時(shí)間及死區(qū)體積上看, 對(duì)該中間包進(jìn)行補(bǔ)熱是有必要的.

圖7   拉速0.15 m/min時(shí)中間包的RTD曲線

Fig.7   Residence time distribution (RTD) curves for the tundish at casting speed of 0.15 m/min

4 結(jié)論

(1) 基于同時(shí)滿足連鑄水模擬實(shí)驗(yàn)中Re準(zhǔn)數(shù)和Fr準(zhǔn)數(shù)相似要求, 建立一套可全尺度模擬連鑄過程流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)中間包流動(dòng)特征進(jìn)行整體性分析.

(2) 特厚板連鑄中間包內(nèi)流動(dòng)呈現(xiàn)湍流漩渦狀態(tài), 在注流區(qū)由于湍流抑制器的存在形成一個(gè)類似“漏斗”型的渦結(jié)構(gòu), 由于通道的作用, 在澆注區(qū)底部呈現(xiàn)典型的沖擊射流結(jié)構(gòu), 并最終形成大的環(huán)流.

(3) 非接觸測(cè)量獲得RTD曲線與數(shù)值模擬結(jié)果吻合, 較大的停留時(shí)間和死區(qū)體積說明補(bǔ)熱的必要性.

來源--金屬學(xué)報(bào)