连铸结晶器两相流物理模型DOC.docx

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连铸结晶器两相流物理模型

摘要

粒子图像测速技术在板坯连铸结晶器液—气两相流研究中广泛应用。

在低载气率（气体流量/液体流量）流体流动阶段，气体和液体的流动方式不同，随着载气率的增加，气体流场和液体流场变得类似。

在液相中，射流根部的角度（浸入式水口前方）和射流中心（主射流体）对气体流量和拉速有较大的影响。

首先降低浸入式水口端口的角度，其次是增加了载气率。

在拉坯速度为任意值时，射流根部角度从小增大，观察射流中心角处气流达到的最大值。

在大的气流速率下，射流中心角接近侵入式水口角。

在结晶器型腔中通过观察聚集的气泡来判断在低的还是高的气流下拉速最大。

平均气泡尺寸取决于聚结-破裂动力学，即载气率的变化。

即使载气率较小，气体夹带液体中的夹杂物进入渣中的量也随着拉速增加而有较大增加。

为了改善此数学模型的边界条件，需要对两相流动力学做进一步的研究。

1.引言

由于氩气泡、钢液和渣之间紧密的关系，所以结晶器两相流动力学是一个关键问题。

钢液的流动很大程度上取决于气泡的数量和大小，因此两个阶段相互间进行着非常复杂的流动。

最终产品的分析，例如对“管状”、气孔缺陷的分析，揭示了两相流夹带液固界面氩气泡的现象。

这些缺陷往往也伴随着氧化铝的聚集，将严重影响钢铁质量问题，而这些质量问题需要钢铁厂处理。

各种操作因素对结晶器都有一定影响，如增加两相流铸造率，影响氩流量和浸入式水口（SEN）的设计，滑动水口的开度和方向以及结晶器尺寸。

许多研究人员已经将这些问题的各方面加以解决，他们按照不同的方法，包括水建模，数学模拟，金相分析钢样以及上述各种研究方法的组合。

有关两相流（钢液氩气）的第一个研究结果，是由Bessho发表的，他用数学模拟的方法研究了浸入式水口氩气泡对喷射钢液的影响。

最近白和托马斯进行了详细的两相流滑动水口中间包数学模拟，他们使用的是欧拉模型的水口。

他们认为，在浸入式水口的端部，存在密集的氩气射流和液体射流，这往往决定了射流的整体性能。

在浸入式水口内，液体的速度是不均匀的，在每个端口，液体的流量也是不同的，这往往取决于开口位置和方向。

他们还发现，由于其更大的浮力，较大的气泡对给定气体的流动模式有更大的影响。

同一作者又建立了一个物理模型，研究建立在两相流（气体流速和气泡大小）基础上的，向下流动的液体系统，比如在浸入式水口两相流的情况下。

对于给定气体流速的气泡大小和气体成分，高剪切速度对其影响不大。

浸入式水口堵塞，氩气注入和空气吸入对数学模拟都有一定影响。

在堵塞问题开始阶段，由于流体流型改变的影响，促进了流体流动。

托马斯在板坯内进行了氩气流量的数学模拟，他们的研究结果表明，随着注气率的增加或气泡尺寸的减小，都可以加强流动模式的变化。

小气泡可以穿入熔池深部，增加并巩固了其滞留在其内部的可能性。

用数学模拟研究了浸入式水口端口旋转角度为流体流动的影响，这些作者发现，一个30°的旋转角度，可以改善流型和增加结晶器内流体的停留时间。

目前已经对静态磁场中钢的偏析和非偏析流动现象和氩气的吹入现象进行了分析。

在这些研究中，虽然强调了吹气操作，但是研究人员特别重视电磁制动器对其影响。

通过数学模拟研究不同拉速条件下，钢渣界面的稳定性，其中包括表面形状，并通过物理模型数据得以验证。

这些研究人员建立了基于乳化准则情况下修正的弗劳德数。

尽管迄今为止这项伟大的实验主要集中在结晶器两相流量方面，但是液体射流及其与气泡相互作用的动态方面也需要进一步改进，以便更好了解气液相互作用。

此外，即使考虑到有关详细流体动力学性质方面的资料很少。

最坏的情况还没有出现，是基于这样一个事实，即许多钢铁产品的缺陷并不与传统的数学模型类似，因为这种方法只能产生平均湍流变化量。

这是指当物理模型有效时，需要用数学模型补充。

目前的工作主要有两个目的，一是定量地分析两相流和其他气体和液体的动态交互关系，另一是分析由不同气体和液体的流速的改变而引起的的流体流动模式的变化。

2.实验

使用20毫米厚的透明塑料板建立一个的IMEXSA钢结晶器模型，这个钢结晶器是原来尺寸的的1/2，如图1（a）。

水通过传统设计的浸入式水口输送，如图1（b）所示。

在这一步中，并没有考虑滑动水口开闸及其方向的影响。

截止阀和流量计控制进入结晶器模型中的水量，并通过位于底部的蜂窝式板排出。

外层的水被送回到储水罐以便再次在结晶器循环使用。

通过压缩机向SEN吹入空气，用一个连接装置和一个气体流量计实现不同的气体流速地准确注入。

不同操作条件下的流体动力学，通过使用粒子图像测速设备的离子图像测速技术实现，这种技术的系统是Dantec系统。

绿色频率双脉冲Nd：

采用波长为532纳米的激光。

图1（a）实验模型的几何尺寸图1（b）浸入式水口几何尺寸

为了获得短脉冲光能量，激光腔开关使用Q-开关以使能量可以在6-10ns内达到设定目标，这是激光腔持续响应时间。

从激光输出能量为20mJ的Nd：

它来自光纤束的YAG激光。

这种能量随着光导能量的增加而增加，可以传输500mJ脉冲辐射，其光传输能量大于532nm光传输能量的90%。

每平方毫米扫描的分辨率到达32或64。

将激光仪表放置在模型的轴对称平面处，即平行于宽面，通过带有三维调节器的计算机定位，此平面包括从浸入式水口到它的一个狭窄面孔，并假设在结晶器另一侧形成相同的流体流动模式。

为了符合流体流动规律，取密度为1030kg/m3聚酰胺颗粒进行测试，并注入浸入式水口。

使用快速傅立叶变换交叉相关程序处理的记录信号，利用高斯分布函数确定最大精度像素的峰值位移的位置。

信号配备90mm的尼康镜头和录音记录，使用Dantec耦合器件（CCD），在奔腾IVPC，使用商业程序软件进行绘图，以便对矢量速度场进行处理。

利用安装在一个双向固定器上面两个CCD记录气泡中气体流场。

从第一个激光表的CCD捕捉到的图像，通过一个棱镜，转移到另一个与之平行的CCD上。

在第二个CCD上装有红色过滤器，为了避免绿色通道光的影响。

该过滤器通过屏蔽液相载体气流从而达到对速度场进行检测和记录。

由CCD拍摄的现场照片，从激光表来看尺寸为326261毫米。

通过比较他们在垂直管与已知尺寸和流量的透明管中水的平均速度，从而确定PIV测量流体速度的精度。

测量和计算速度之间的误差没有超过1％。

虽然在3-D系统向量场实现测量是可能的，但是需在2D系统提出。

其实，这些领域的载体是两个矢量分量结果中的2-D空间正交分量的i-j向量。

一百年来，每个实验和每个阶段的流场图像分析，都是使用此流程，呈现给我们的数字图像是一般图像。

分别对系统中记录的每一个实验测量100次，从而计算得到浸入式水口端口喷射角沿X-Y轴的平均流速的分量U-V。

通过下列表达式计算平均速度：

ui和vi为测得的沿x和y方向的速度，它们存储于电脑文件内。

其实对两个喷射角度进行测定，第一个被称为喷气根部，位于浸入式水口端口前部。

表1模型研究条件

参数

数值大小

气体流速

0.1670.3330.50.8331.52.03.04.178.3316.70

拉速

0.01330.020.03

气体流速

0.10.20.30.50.91.21.82.55.010.0

拉速

80120160

另一个角度的命名是以对应的喷射液体达到最高速度时，采用相同的方位角所对应的角度。

PIV测量确定的流动模式的涡流场、速度场，都是通过有限中心​​差分格式导出。

（最终得到的是符号列表）即dy/dx路线的斜率，其中Vy，Vz是流体中2-D空间的正交速度。

射流穿透测量从浸入式水口端口开始，直到喷射速度达到其他不同方向的速度时，所对应向量点的距离。

射流冲击的位置，由静态自由窄面来衡量，并且直接由速度场决定。

气泡的大小，通过CCD拍摄的视频图像计算得到，其数据记录在电脑中，使用的是IMAQ方案，计算气泡的大小和数量。

此图像分析程序使用数学过滤器，其对比度，亮度和放大倍数是可以调节的，可以定义和识别个别气泡或团聚气泡的组合。

从每个实验的100张图片中，随机选择35个进行气泡分析，这意味着，在最高和最低的质量流量（气体/液体质量流量）条件下，可以对约300万个和75万个气泡分别进行分析。

所有这些实验累计存储得到的信息约20G。

表1所示的实验方案，拉速按照最高准则的比例确定，因为这个工艺许可满尺寸雷诺数和弗劳德准则之间的中间数值。

实验的主要变量包括拉速和气体流速或载气率。

图2（a）拉速0.0133m/s,（b）拉速0.02m/s（c）拉速0.03m/s.

图3（a）液体模型根部射流角（b）液体模型中心射流角

3.结果和讨论

图2（a），2（b）和图2（c）显示的是拉速分别为0.8，1.2和1.8m/min（0.0133，0.02和0.03米/秒）的单相流。

在0.8m/min气流达到窄面，流体流动沿着窄面向下，低于气流并形成一个大循环。

部分流体向上流动形成另一个较小的速度循环流，特别是在这个结晶器的右上角。

在射流的起点，即浸入式水口端部上边缘，流体几乎水平流动。

在1.2m/min时两个循环流动（上部和更低的卷筒）上方和下方的流股加强，尤其是后者。

靠近表面有三个旋涡，第一个位于浸入式水口上面，第二个在右上角，最后一个在中间位置。

在这种情况下，射流冲击窄面的程度比先前实验时更加激烈。

在1.8m/min时上面提到的流动特点有所加剧，虽然中间涡流没有离开表面。

绘制出喷射根部和喷气核心的角度的曲线，3（a）和3（b）分别为拉速的函数。

首先随着拉速的增加以及涡流密集，端口上边缘处流体速度成剪刀状，见图2（b）–2（c），上升速度几乎是水平的。

从射流核心的角度来看，也几乎与这个过程中的参数无关。

两相射流喷射根部和核心的角度，都大大影响流速，尤其在气体流速或载气率非常低的时候。

可以观察到拉速为0.8m/min（0.0133m/s）的时候，水的速度场可以达到0.5l/min（8.33×10-6m3/s）,2.5l/min（4.167×10-6m3/s）,5l/min（8.33×10-5mk3/s）and10l/min（1.67×10-4m3/s），分别如图4（a）,4（b）,4（c）和4（d）所示。

射流穿透能力和窄面的冲击距离都随气体流量的增加而增加，因为随着两相射流的气体分数的提高，浮力射流的轨迹弯曲将变大。

在喷射液面上部，液体直接循环流向熔池表面。

在低于喷气核心，即随着气体流量的增加，出现尖端循环的“涡心”。

这个涡心是由液体周围的射流引起的自由剪切形成的。

靠近窄面流动的液体，随着水量的增加，气体流量将随之增加。

夹带气泡的液体形成一个位于射流上方并且向上流动的趋势，一旦沿此面下降时，则到达熔池表面并沿着窄面流动。

同时，随着气体流量的增加，在略低于顶部，浸入式水口流体速度降低形成了停滞区。

图4拉速0.0133m3/s（a）拉速8.33×10_6m3/s（b）拉速4.167×10_5m3/s（c）气体流速为8.33×10_5m3/s（d）气体流速为1.67×10_4m3/s.

喷气根部角度的大幅度下降是因为气体流动速度矢量变化，即在靠近水口的上部边缘，由于浮力的作用，几乎倾向于水平流出。

可以看出，即使有一些高流速气体的影响，载体自由面也是面向上面的。

这就产生了一个整体下降的喷气根角度，即使气体流速非常低。

图5（a）-5（d）显示与4（a）-4（d）图中所示的相同类型的信息。

即拉速为1.8m/min（0.03米/秒）时的信息。

以上所示的两相射流完全指向熔池表面，主要是由于夹带气泡的液体和气体的流速是5或10升/分钟，熔池表面上的液体使浸入式水口表面液体流动产生高的向上流动速度。

气体的吹入消除了以上所述单相流时旋涡的影响。

由于浮力的作用迫使流体流动的状况现在急剧改变，而在低于喷射量的区域的射流顶部，气体流量正在增加。

以上集中在射流湍流扰动非常强烈的熔池表面，可以看到