收藏本站
《上海大学》 2011年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

板坯连铸非稳定和非对称流动的数学物理模拟

张小伟  
【摘要】:滑板在水口中以其准确控制钢水的浇注流量,易于实现自动控制,且操作简便、安全等优点,被板坯连铸机广泛使用。然而引入滑板控流系统后,由于滑板对钢液的抑制、挤压作用,使水口内的钢水出现挤压又突然扩展的现象,进而先后产生压缩、突扩、分离等流态,使浸入式水口内部、水口出口射流,以及结晶器内部的钢液流动变得十分复杂,在结晶器中形成非对称和非稳定流态,直接影响钢水中夹杂物、气泡等的去除效率和效果,同时对铸坯初凝壳的形成和均衡生长产生重要影响(如无规律或规律不明显的表面裂纹及局部漏钢等)。本文围绕滑动水口的浇注工艺,研究了不同湍流模型对水口内部和水口出口射流的适应性,以及不同连铸工艺条件下,水口出流和结晶器内钢水流动的流态、流速分布,及其物理特征;讨论了不同湍流模型对滑板控流的水口和结晶器内部流动行为和状态的预测能力,展示了标准k-ε模型和雷诺应力模型(RSM)的基本假定及特点,以及在计算连铸浇注和结晶器内钢水运动方面的适应性和准确度等问题;同时,采用水力学物理模拟和超声波多普勒测速等方法定量地研究了水口滑板在不同开度和/或水口部分堵塞的条件下,各工艺(如拉速)和结构参数(如滑板下方浇管长度)等对水口射流流态(如旋转或平直出流)、结晶器内非稳定/非对称流场、液面涡流及其形成规律的影响,其评价指标包括流速分布、液面水平流动、液流对结晶器窄面的冲击和冲刷强度与位置等。在此基础上,总结各种工艺和结构参数对板坯结晶器内非稳定/非对称流场的作用规律,为优化操作工艺、改善铸坯质量提供理论指导或参考。 文中首先讨论了标准k-ε模型和雷诺应力模型(RSM)在模拟滑板沿垂直于结晶器宽面开启条件下,水口内部和水口出口射流特征的适应性,进而研究水口入口速度、滑板开度和水口浇管长度等因素对水口出口射流特征的影响规律。结果表明:与标准k-ε模型相比,RSM能够准确地预测水口出口射流的旋转特征,并与物理模拟实验中超声波流速测量的结果相一致,其计算准确度优于前者,具有较强的适应性;水口入口速度对水口出口的射流特征不会产生大的影响;在滑板开度小于35%时,滑板下方浇管内先后出现二次流和分离流,浇管较长(600 mm)时,水口底部出现自滑板堵塞侧经由水口底部向滑板开启侧流动的旋转射流,该射流的旋转方向与水口浇管长度有关,当浇管长度减小到400 mm时,射流的旋转方向与前者相比将发生逆转;在滑板开度为35~40%之间时,在浇管中的液流在流体惯性力、湍流脉动性和流线扩张效应之间出现动态平衡点,届时水口出口射流表现为对称/平滑出流;以后,随滑板开度增大,射流的旋转方向也随之改变,即滑板开度为40~65%的区间范围内,射流由滑板开启侧经由水口底部向滑板堵塞侧旋转,且该旋转方向不再受浇管长度影响;当滑板开度在65~70%之间时,水口内的液流面临第二个对称/平滑出流的动态平衡点,此后,随着浇管长度减小,水口内滑板所引起的扩张流指向滑板堵塞侧内壁方向的速度分量的作用逐渐增强,在浇管长度较小的情况下,将出现滑板开度小于35%时同向的旋转射流;而当水口滑板开度超过90%后,水口出口射流的旋转现象基本消失,液流表现为准对称/平滑出流状态。 其次,文中讨论了湍流模型在不同滑板开启条件下对结晶器内部钢水流动的模拟和预测能力,并采用水力学物理模拟实验和超声波多普勒流速测量的方法研究多种操作工艺参数对结晶器内非对称流等的影响规律。这里,通过调节水口滑板的开度或部分堵塞水口出口来形成结晶器内液流的非对称流态,并根据物理模拟实验结果分析和总结滑板开度与水口堵塞度等对结晶器内非对称流场的影响规律。结果表明:(1)在滑板沿垂直于结晶器宽面开启条件下,水口的旋转出流使结晶器两边宽壁面附近及两侧的流动出现不对称,对此,RSM三维计算能够相对准确地反映结晶器上部的流态、流速分布和流动特征,但对结晶器下部的计算结果与物理模拟实验实测的结果仍有差距;在该种滑板开启方式下,水口出口一侧堵塞会对结晶器内流场的对称性产生严重影响。(2)在滑板沿平行于结晶器宽面开启条件下,其不全开启使水口左右两侧出流不平衡,呈现出两侧射流的冲击深度和射流角不对称,导致结晶器内流场呈现左右不平衡状态;对此,标准k-ε模型和RSM均能够计算和预测出结晶器内钢水的基本流动特征,而RSM的结果与物理模拟实验实测的结果更为接近,显示出其在模拟该类问题时的优势。(3)水口的浸入深度和结晶器宽度对结晶器内流场非对称的影响不大;增加拉速,可使水口两侧出流的冲击点位置上移,结晶器内流场的不对称度将减弱;另外,增加水口滑板下方的浇管长度,有利于消除滑板不全开启时水口出流旋转等非对称现象。 最后,本文采用物理模拟实验和流速超声波实测研究板坯结晶器内出现液面涡流的规律和分布情况,以及连铸操作工艺对其的影响。在板坯连铸结晶器中,若液面流不均衡,水口两侧的液面来流(上回流)会在水口一侧某点相遇并发生剪切,形成旋转的流态,进而引发周围液流呈圆周运动,并在离心力作用下形成螺旋形水涡(又称液面涡流),该涡流是铸坯液面卷渣、吸气、二次氧化的主要原因。本文进行了不同工艺参数组合条件下的物理模拟实验,考察和分析工艺参数对涡流形成的影响。结果表明:形成液面涡流的原因,一是表面流的湍动性造成的水口两侧表面流动量不对称;二是操作工艺导致的水口两侧表面流不对称。在结晶器液面,涡流出现形式分为水口一侧单涡流、水口一侧双涡流和水口附近区域对角双涡流三类,均与水口周围的液流流态有关。涡流“强度”(文中用涡流直径和长度表征),以及涡流出现的频度均随表面液流的动量增大而增加,而连铸中增大水口浸入深度或增加水口出流的射流角度均有利于减小液面涡流出现的频度和强度。
【学位授予单位】:

知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 尹皓,辜小安,陈哲京,刘宪章;铁路环境噪声评价物理模拟方法研究[J];环境工程;1998年01期
2 谭文辉,王家臣,周汝弟;岩体边坡渐进破坏的物理模拟和数值模拟研究[J];矿业研究与开发;2000年05期
3 柯式镇,冯启宁,袁秀荷,张友义;裂缝地层双侧向测井响应物理模拟研究[J];测井技术;2003年05期
4 蒋智,任广升,徐春国,刘桂华;圆柱体热锻件内部单空洞闭合的模拟分析[J];塑性工程学报;2005年01期
5 郑淑国;朱苗勇;;多流连铸中间包各流流动特性一致性的判别[J];过程工程学报;2006年04期
6 杨国彬;郑旭煦;方明建;白建军;;城市街道峡谷内大气污染扩散模式[J];重庆工商大学学报(自然科学版);2007年04期
7 陈振宏;宋岩;秦胜飞;;沁水盆地南部煤层气藏的地球化学特征[J];天然气地球科学;2007年04期
8 屈天鹏;姜茂发;王德永;冯丽萍;;薄板坯连铸中间包吹氩行为的物理模拟[J];中国冶金;2008年03期
9 柳杨;孙守迁;徐爱国;;织物物理模拟与三维服装实时仿真技术[J];纺织学报;2008年07期
10 李永华;檀雯;张宁;王勇;邓子玉;;锻件内部孔洞闭合的研究[J];沈阳理工大学学报;2008年06期
11 黄奥;陶晓林;顾华志;张美杰;汪厚植;胡铁山;;气幕挡墙中间包数理模拟及实践[J];炼钢;2009年03期
12 罗庆;杨兆中;李小刚;赵伊南;;低渗稠油油藏注水降粘物模研究[J];重庆科技学院学报(自然科学版);2010年02期
13 张景利;颜正国;于景坤;;中间包控流装置的物理模拟研究[J];材料与冶金学报;2010年01期
14 徐海伦;文光华;唐萍;;连铸结晶器物理模拟中吹气量的相似转换[J];北京科技大学学报;2010年07期
15 张献光;陈登福;张立峰;靳星;张健;温良英;张大江;王翠娜;毕艳艳;;吹氩对板坯连铸结晶器流体流动的影响[J];过程工程学报;2010年S1期
16 罗威;武迎麦;陈锟;杨弋涛;邵光杰;;Cr5钢工作层的真空熔铸物理模拟[J];铸造技术;2010年08期
17 张欢;彭刘亚;;矿井瞬变电磁场井下人文噪声干扰物理模拟[J];工程地球物理学报;2010年06期
18 张利平;范黎明;何庆文;;三流中间包流场的物理模拟研究[J];莱钢科技;2010年05期
19 严筱琴;数学模拟-物理模拟法测定材料导热率[J];浙江大学学报(农业与生命科学版);1989年03期
20 周易凯;;水平井双向汽驱实验研究[J];新疆石油科技;1994年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 曹均;贺振华;黄德济;李琼;;储层孔洞的物理模拟与超声波实验研究[A];中国地球物理.2003——中国地球物理学会第十九届年会论文集[C];2003年
2 林明;;国内土工离心机设计技术发展近况[A];中国水利学会2007学术年会物理模拟技术在岩土工程中的应用分会场论文集[C];2007年
3 张鸣雷;;土工离心机自动平衡系统设计[A];中国水利学会2007学术年会物理模拟技术在岩土工程中的应用分会场论文集[C];2007年
4 李志军;贾青;董吉武;张丽敏;;冰对水工结构物作用力的物理模拟[A];农业、生态水安全及寒区水科学——第八届中国水论坛摘要集[C];2010年
5 连献功;李京社;唐海燕;常国平;;45t钢包精炼过程的物理模拟[A];中国金属学会特钢分会,特钢冶炼学术委员会2009年会论文集[C];2009年
6 李建国;周永胜;宋瑞卿;王绳祖;;亚洲中东部大陆构造变形物理模拟的初步研究[A];中国地震学会第六次学术大会论文摘要集[C];1996年
7 孙珍;钟志洪;周蒂;;反转构造的物理模拟及其在东海构造动力学分析中的应用[A];中国地球物理.2003——中国地球物理学会第十九届年会论文集[C];2003年
8 郑淑国;周海斌;朱苗勇;;吹氩宽厚板坯连铸结晶器内液面波动行为的水模型研究[A];第十二届冶金反应工程学术会议论文集[C];2008年
9 马文顶;赵海云;张少华;;岩体采动破坏物理模拟再现新探讨[A];中国科协2004年学术年会第16分会场论文集[C];2004年
10 陈小军;宁伟;陈健;陈贵康;路飞;;玻璃电熔炉的物理模拟中准数放宽及模拟液配制[A];庆祝中国硅酸盐学会成立六十周年全国玻璃窑炉技术研讨交流会论文集汇编[C];2005年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 小溪;硬件物理加速进行时[N];计算机世界;2006年
2 特约记者 郑水平 通讯员 程海清;辽河火烧油层技术达到国际水平[N];中国石油报;2009年
3 王英宇 首席记者 于森;辽河SAGD物理联动试验填补世界空白[N];盘锦日报;2006年
4 记者 刘军 通讯员 于涛;“千米地下”超稠油驱出一目了然[N];中国石油报;2006年
5 周清春;油田开发的永恒主题:提高采收率[N];中国矿业报;2005年
6 本报记者 陈斌;为多核应用铺路[N];计算机世界;2007年
7 宋杰;在应用基础研究领域中奋进[N];中国石油报;2004年
8 本报记者 张海霞通讯员 尚绪兰 伦增珉;整体达到国际领先水平[N];中国石化报;2008年
9 吴艾宁;Web3d技术[N];建筑时报;2003年
10 赵琦;水平井砾石充填防砂技术填补国内空白[N];中国石化报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 曲月霞;海冰与近海结构物作用的物理模拟研究[D];大连理工大学;2001年
2 郁能文;多功能RH精炼过程的数学和物理模拟[D];上海大学;2001年
3 刘永辉;单管球塞连续气举排水采气应用基础研究[D];西南石油学院;2005年
4 李燕;扁挤压筒受力与变形分析及结构优化设计研究[D];合肥工业大学;2005年
5 王可新;低煤级储层三相态含气量物理模拟与数值模拟研究[D];中国矿业大学;2010年
6 张培忠;火炮物理模拟理论与试验技术研究[D];南京理工大学;2002年
7 湛利华;铝合金连续铸轧过程流变行为研究及热—力耦合分析[D];中南大学;2005年
8 杨勤勇;裂缝型储层预测的纵波地震方法技术研究[D];吉林大学;2006年
9 陈林媛;高渗透、高含水油藏气水交替驱替机理研究[D];中国地质大学(北京);2007年
10 陈振宏;高、低煤阶煤层气藏主控因素差异性对比研究[D];中国科学院研究生院(广州地球化学研究所);2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 杜华坤;勘查海底热液硫化物的海洋伪随机激电法研究[D];中南大学;2005年
2 张智亮;缝洞储层物理模拟试验装置研究[D];西南石油大学;2009年
3 雷加鹏;大方坯SEN的设计优化与结晶器流场的物理模拟[D];武汉科技大学;2004年
4 刘丽;聚驱后剩余油分布规律及挖潜措施[D];大庆石油学院;2005年
5 张丽敏;冰对码头水工结构作用力的物理模拟试验研究[D];大连理工大学;2006年
6 梅杰;彩泥层状试样物理模拟法及其在连杆楔横轧精制坯中的应用[D];吉林大学;2004年
7 蒋睿;玻璃电熔窑内电场分布对温度场与流体场的关系的研究[D];东华大学;2006年
8 张春龙;河流相储层层内剩余油分布模式及预测方法研究[D];大庆石油学院;2006年
9 潘伟义;弱凝胶深部调剖作用机理研究[D];中国地质大学(北京);2006年
10 王剑峰;阿拉新稠油油藏降粘剂驱油物理模拟研究[D];大庆石油学院;2007年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978