黃軍
摘要
基于同時滿足連鑄水模擬實(shí)驗(yàn)中Re準(zhǔn)數(shù)和Fr準(zhǔn)數(shù)相似要求, 建立了一套可全尺度模擬連鑄過程流動的實(shí)驗(yàn)平臺. 利用該平臺的NI圖像處理與PIV粒子測速技術(shù), 對特厚板連鑄用中間包內(nèi)速度場、渦量場、RTD等流動特征進(jìn)行研究. 結(jié)果表明, 中間包內(nèi)流動呈現(xiàn)湍流漩渦狀, 在注流區(qū)形成一個類似“漏斗”狀的渦結(jié)構(gòu), 由于中間包內(nèi)通道的存在, 在澆注區(qū)形成2個大的環(huán)流, 并對側(cè)墻有明顯沖擊, 非接觸測量獲取的RTD與數(shù)值模擬結(jié)果吻合, 長的停留時間和大的死區(qū)體積表明該中間包補(bǔ)熱的必要性.
關(guān)鍵詞:
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[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)鋼液流動是典型的湍流流動, 中間包流動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)相似會導(dǎo)致對湍流流動的模擬不足, 特別是不能精確模擬對于影響中間包夾雜物碰撞聚合的渦的運(yùn)動. 要同時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顯示技術(shù)能把流動的某些性質(zhì)加以直觀表示, 以便獲得全面的中間包流動行為, 雖然流動顯示技術(shù)可以為流動結(jié)構(gòu)提供全局性的發(fā)展的定性認(rèn)識, 但很難提供詳細(xì)的定量結(jié)果. 圖像測速技術(shù)就是在流動顯示基礎(chǔ)上, 利用圖像處理的方法發(fā)展起來的, 它綜合了單點(diǎn)測量技術(shù)(熱線和渦輪)和顯示測量技術(shù), 既具備了單點(diǎn)測量技術(shù)的精度和分辨率, 同時又能獲得平面流場的整體結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)圖像, 還可定量地取得全流場的流速數(shù)據(jù)[14,15].
中間包流動不僅需要流動速度的表征, 還需要從整體上認(rèn)識其流動特征, 為此, 將基于化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的停留時間(residence time distribution, RTD)概念引入到中間包冶金中. 對于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值測量儀、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RTD曲線的影響, 結(jié)果表明, 使用和測試對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, 且會導(dǎo)致中間包流動分析產(chǎn)生錯誤.
為了滿足在全尺寸幾何條件下整個流場的信息測試需要, 本研究首先建立一個全尺度的連鑄水模擬實(shí)驗(yàn)平臺, 其次將NI公司的機(jī)器視覺及圖像處理技術(shù)與粒子圖像測速法(particle image velocimetry, PIV)相結(jié)合, 利用PIVview軟件對特厚板連鑄用中間包注流區(qū)和澆鑄區(qū)的流場進(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的非接觸測量方式, 對特厚板連鑄用中間包RTD曲線進(jìn)行測量, 并和數(shù)值模擬結(jié)果對比研究.
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可以表征中間包內(nèi)鋼液的流動, 描述中間包流動的無量綱方程為[10]:
式中,
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, 該平臺主要由水模擬系統(tǒng)、中間包流場數(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)及模擬平臺控制系統(tǒng)組成,圖1為連鑄綜合水力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺示意圖及現(xiàn)場圖. 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, 滿足自動化要求的連鑄過程模擬. 整個平臺包括中間包和結(jié)晶器2個系統(tǒng), 這2個系統(tǒng)既可以聯(lián)動實(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)平臺示意圖和現(xiàn)場圖
Fig.1Schematic (a) and equipment (b) of the experimental platform for continuous casting
中間包流場測試系統(tǒng)和結(jié)晶器測試系統(tǒng)分別由伺服電機(jī)驅(qū)動, 在一個大的三維坐標(biāo)架內(nèi)移動, 通過事先調(diào)整好固定焦距的圖像采集單元, 掃掠測試對象的不同截面, 實(shí)現(xiàn)不同橫縱截面的流場獲取, 基于數(shù)字圖像技術(shù)實(shí)現(xiàn)在后臺的記錄、處理與顯示. 中間包RTD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)示蹤劑的自動加入, 實(shí)時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 曲線的自動記錄與顯示.
該實(shí)驗(yàn)平臺將精準(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)平臺可以更為高效地滿足連鑄水模擬實(shí)驗(yàn).
在實(shí)驗(yàn)測試技術(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)動分析平臺, 通過NI可編程高速信號控制器驅(qū)動激光器高頻同步拍攝水中示蹤粒子運(yùn)動軌跡, 形成水模擬流場矢量數(shù)據(jù), 對中間包和結(jié)晶器內(nèi)水的流動特性進(jìn)行測試和展示. 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. 在對流場數(shù)據(jù)的后期處理過程中, 應(yīng)用已授權(quán)的PIVview軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理得到截面的流場圖.
由于中間包內(nèi)流動速度較低(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, 這樣測量系統(tǒng)不僅價格可以降低, 而且系統(tǒng)可以使用多個相機(jī)組成陣列, 滿足同時獲得較大視場的測速要求. 本實(shí)驗(yàn)中間包流場圖像采集系統(tǒng)主要由MGL-N-532型號激光光源、2臺Canon 5DMARK III相機(jī)組成的采集單元及后臺控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成, MGL-N-532型號激光光源發(fā)射的是波長為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測試系統(tǒng)是基于NI圖像檢測技術(shù), 利用激光源和高速相機(jī)相結(jié)合的手段對中間包長水口加入的一定量的示蹤粒子在離開出水口處的響應(yīng)信號進(jìn)行檢測, 響應(yīng)信號被制作成無因次濃度-時間曲線, 即表達(dá)中間包流體的流動特征. 該系統(tǒng)需要將中間包的出水口開兩個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)注入中間包長水口內(nèi). 記錄單位時間內(nèi)通過測試區(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)采集時間為中間包理論停留時間的3倍以上.
本研究的對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.2Schematic of the tundish
合理的中間包流動及其定量認(rèn)識是中間包冶金的需要[20~22]. 在對中間包流場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時, 根據(jù)中間包內(nèi)鋼液的流動路徑, 選取3個特征面, 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速度測量位置示意圖
Fig.3Location schematic of velocity measure
利用圖像采集單元依次掃掠測量截面, 利用PIV view處理不同測量區(qū)域, 并拼接成中間包不同截面的流場圖. 雖然不同區(qū)域測量是不同時的, 但其拼接圖像能夠反映該截面內(nèi)流動分布特征.圖4為連鑄拉速為0.15 m/min時, 中間包A截面的速度矢量和渦量分布測量結(jié)果, 矢量圖顯示速度場, 顏色云圖顯示渦量場. 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)域沒有流場數(shù)據(jù). 渦量是流體運(yùn)動時旋轉(zhuǎn)度的度量, 定義為速度矢量的卷曲度. 測速結(jié)果可以看出, 中間包注流區(qū)流動是一個局部脈動, 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)一定流動趨勢的運(yùn)動. 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, 并接近覆蓋整個表面, 在渦的運(yùn)動過程中, 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, 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)動混亂, 使得細(xì)小的夾雜物碰撞長大的幾率增大; 在湍流抑制器的作用下大部分流體的運(yùn)動方向發(fā)生改變, 轉(zhuǎn)為向上運(yùn)動, 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)過程中會在一定程度上增大夾雜物與覆蓋劑的接觸機(jī)會, 有助于夾雜物的去除.
圖4連鑄拉速0.15 m/min時注流區(qū)A截面的流場渦量圖和速度圖
Fig.4Vorticity 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, 不傾向采用湍流抑制器, 但是對于特厚板坯連鑄用中間包, 由于注流區(qū)域大, 整個區(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, 由于下部有2個感應(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, 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, 基于湍流時均化的Fluent商業(yè)軟件數(shù)值模擬結(jié)果的流線圖. 對比可以看出, 相對于數(shù)值模擬, 流場的圖像測試對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)流動趨勢, 水模擬工作呈現(xiàn)流動的細(xì)節(jié), 兩種手段相輔相成, 可以對流動有一個全面的認(rèn)識.
圖5拉速為0.15和0.20 m/min時澆注區(qū)B和C截面速度圖
Fig.5Velocity 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.63D 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)動方向轉(zhuǎn)為向上運(yùn)動, 當(dāng)流體運(yùn)動到表面時, 水平運(yùn)動一段距離后有明顯向下運(yùn)動的趨勢, 從而與通道流出的流體形成一個大的環(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, 中間包內(nèi)部變得更為混亂, 同時強(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, 瞬時速度可以到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)動較為緩和, 平均速度小于0.1 m/s.
由于2個通道的存在, 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)動方向集中, 當(dāng)沖擊到側(cè)墻后, 運(yùn)動方向轉(zhuǎn)為向上運(yùn)動, 這樣會使得鋼液對底墻和側(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)湍流流動不均勻, 靠近側(cè)墻的流動劇烈. 由于中間包出水口及塞棒的存在, 影響了出水口的流動, 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”作用會對中間包渣層穩(wěn)定、短路流形成有重大影響, 其在中間包流動過程中盡量避免. 其流動特征如一個圍繞塞棒流動的大的環(huán)流, 這種環(huán)流有利于中間包內(nèi)動量、熱量和質(zhì)量傳遞作用, 有利于提高中間包冶金效果[23].
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來驅(qū)動. 前人的研究工作[24~26]說明, 合理地延長中間包內(nèi)鋼液的停留時間, 有利于夾雜物上浮, 從而提高鋼液潔凈度. 由于中間包是一個連續(xù)非理想反應(yīng)器, 流動復(fù)雜, 一般用平均停留時間來衡量鋼液的流動狀態(tài), 然后利用組合模型通過停留時間分布曲線來計(jì)算鋼液的流動特征, 如活塞流體積分?jǐn)?shù)、死區(qū)體積分?jǐn)?shù)等, 通過流動特征所派生的信息可以對中間包流動行為進(jìn)行評價[27,28], 本研究通過圖像測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間分布曲線. 對比可以看出, 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的峰值在無量綱時間為0.5的位置, 對比一般的板坯連鑄用中間包, 峰值時間靠后, 說明活塞流體積大, 這主要是由于中間包內(nèi)存在2個加熱通道, 導(dǎo)致中間包出口對入口的刺激“響應(yīng)”較慢. 對于大于2倍的平均停留時間的區(qū)域, 即死區(qū)體積, 從圖中可以看出, 相對于整個曲線的面積還是較大的, 說明整個中間包內(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%. 從中間包的停留時間及死區(qū)體積上看, 對該中間包進(jìn)行補(bǔ)熱是有必要的.
圖7拉速0.15 m/min時中間包的RTD曲線
Fig.7Residence time distribution (RTD) curves for the tundish at casting speed of 0.15 m/min
(1) 基于同時滿足連鑄水模擬實(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的實(shí)驗(yàn)平臺, 平臺可實(shí)現(xiàn)對中間包流動特征進(jìn)行整體性分析.
(2) 特厚板連鑄中間包內(nèi)流動呈現(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) 非接觸測量獲得RTD曲線與數(shù)值模擬結(jié)果吻合, 較大的停留時間和死區(qū)體積說明補(bǔ)熱的必要性.
,王寶峰
1 實(shí)驗(yàn)平臺的建立及實(shí)驗(yàn)過程
2 流場實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
3 RTD實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
4 結(jié)論
來源--金屬學(xué)報