CN108346366B - 一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型及结晶器流场模拟方法 - Google Patents

一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型及结晶器流场模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型及结晶器流场模拟方法，属于连续铸钢技术领域。本发明的用于结晶器内流场研究的结晶器模型，包括结晶器本体，结晶器本体的顶部设有浸入式水口，该浸入式水口与入水管相连，结晶器本体的底部设有出水口，且结晶器本体的内部设有流量分配器。本发明通过在结晶器模型内添加一个流量分配器避免模型出口处产生的涡流对结晶器内流场的影响，从而使得结晶器内的流场更加准确。然后采用有限元软件包ANSYS，建立结晶器内的钢水流动模型，模拟出各种工艺条件下的结晶器内钢液的流场，对水模拟实验结果进行验证比较；最后利用水模拟实验结果及数值计算结果，结合现场实际，对工艺操作参数进行优化设计。

Description

一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型及结晶器流场模拟 方法
技术领域
本发明涉及一种考虑涡流行为的用于结晶器内流场研究的结晶器模型及结晶器流场模拟方法，主要应用于连续铸钢技术领域结晶器内流场及工艺操作参数优化等研究，适用于方坯、板坯、圆坯连铸及其它所有类型的连铸，尤其是超薄异形坯连铸领域。
背景技术
连铸过程是包含流动、传质、传热等复杂现象的液态金属凝固成形的过程，尤其是对于连铸机的结晶器段，流动、传质、传热过程交互作用，相互影响，采用实物研究非常困难，几乎是不可行的。如果结晶器内的流场控制不当，会导致结晶器表面波动较大，造成保护渣卷入、保护渣融化不充分，从而不能起到润滑的作用，导致粘结漏钢以及夹杂物上浮不干净等问题，进而影响产品质量，尤其对于超薄异形坯很容易出现角部裂纹等质量问题。因此，研究并优化设计结晶器内钢液流动过程非常重要。
结晶器内钢液流动行为的研究方法有实际生产实验、数学模拟和物理模拟。但实际生产实验不便于观测和代价昂贵；而数学模拟采用了很多假设，并且其准确性主要取决于数学模型和边界条件。物理模拟基于相似原理，主要用水的流动模拟钢液的流动，由于它具有方便、直观、比较可靠等优点，受到广大研究者的青睐。目前国内外对结晶器内流场的研究，主要是采用物理模拟方法，即通过建立结晶器模型，然后借助先进的测试方法和测试仪器研究不同工艺条件下的流场，但是对模型本身的优化还没有受到太大的关注，研究者主要关注结晶器内的液面波动、冲击深度、卷渣等现象以及不同的工艺操作参数对结晶器内这些现象的影响。
如，中国专利申请号为201310182341.0，申请日为：2013年05月16日，发明创造名称为：考虑振动行为的连铸结晶器流场物理模拟方法，该申请案所用物理模拟装置包括中间包、浸入式水口、结晶器和循环泵，浸入式水口插入结晶器中；结晶器在高度方向由上至下逐渐收缩，结晶器的下端通过软连接与结晶器延长段连接，结晶器延长段高度大于结晶器高度；软连接可在结晶器振动时随之伸缩变形；在结晶器延长段底部设有循环水出口，循环水出口共三个，以减少出口对结晶器流场的影响；循环水出口、循环泵、中间包和浸入式水口依次连接，从而在中间包、浸入式水口、结晶器、循环水出口和循环泵之间形成循环水路；结晶器通过夹持装置夹持并处于悬空状态，结晶器延长段水平放置于稳定的支架上，所述夹持装置放置在振动台上，可由振动台带动结晶器振动。该申请案由于考虑了结晶器振动行为对其流场的影响，结晶器内流动状态和液面波动状态的物理描述更为真实。
然而目前结晶器水模拟实验用的模型在模拟结晶器流场时，模型出口处易产生涡流现象，实验过程中出口涡流产生的流场与结晶器自身的流场可能会叠加，从而导致水模拟实验中优化的流场在实际生产中应用的效果不佳。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服采用现有连铸结晶器模型难以真实地反映实际生产中结晶器内流场的不足，提供了一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型及结晶器流场模拟方法。采用本发明的结晶器模型对结晶器内流场的研究更加准确和符合实际情况，从而有利于指导实际生产中结晶器内流场及工艺操作参数的优化。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
针对现有技术存在的以上不足，本发明通过以相似三定理为理论基础对结晶器建立物理模型并在模型内加入流量分配器进行水模拟实验，进而观察、检测结晶器内流场，评价流场优良的方式为：1、通过波高仪检测结晶器液面波动情况；2、通过高速摄像机对实验过程进行录像从而检测结晶器内的冲击深度，从而确定最适合的冲击深度；3、通过采用植物油模拟保护渣从而检测结晶器内流场的卷渣情况。如果以上指标没有达到最佳状态，则可通过调节拉速、水口插入深度及水口结构参数包括侧孔大小、侧孔倾角和底孔大小等工艺操作参数使其达到最佳状态。然后采用大型商业有限元软件包ANSYS，建立结晶器内的钢水流动模型，模拟出各种工艺条件下的结晶器内钢液的流场，对水模结果进行验证比较；最后利用水模拟实验结果及数值计算结果，结合现场实际，对工艺操作参数进行优化设计。
具体的，本发明的一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型，包括结晶器本体，结晶器本体的顶部设有浸入式水口，该浸入式水口与入水管相连，结晶器本体的底部设有出水口，且结晶器本体的内部设有流量分配器。
更进一步的，所述流量分配器的形状及尺寸与结晶器本体的内腔相匹配。
更进一步的，所述的流量分配器安装于距离结晶器本体底部180-200mm处。
更进一步的，所述流量分配器的厚度为18-22mm，其上加工有均匀分布的开孔，且流量分配器上所有开孔的总面积S为：
其中Vm为模型流速，Am为模型截面积，Vs为钢坯拉速，As为钢坯截面积，Qs为现场流量，根据公式Qs＝钢包钢水重量/钢包浇注周期计算得到。
更进一步的，所述入水管上设有第一阀门和流量计。
更进一步的，所述入水管上靠近浸入式水口处设有漏斗，该漏斗用于向结晶器本体内添加示踪剂。
更进一步的，所述结晶器本体底部的出水口与出水管相连，该出水管上设有第二阀门。
更进一步的，所述结晶器本体内设有电导率仪、DJ800检测系统及波高仪，且结晶器本体外侧设有摄像机和偏光源。
本发明的一种结晶器流场模拟方法，采用本发明的结晶器模型进行模拟，包括以下过程：打开第一阀门，使水从浸入式水口进入结晶器本体内；当水的高度达到模拟设定的结晶器液位时，打开第二阀门，保证结晶器内液面保持稳定，从而进行水模拟实验，进而观察、检测结晶器内流场。
更进一步的，水模拟实验过程中，在结晶器表面通过波高仪采集波动数据信息，利用偏光源拍照和摄像机录像检测结晶器内的冲击深度，采用植物油模拟保护渣检测结晶器内流场的卷渣情况，最后分析实验数据，根据数据分析结果调节拉速、水口插入深度及水口结构参数，使上述指标达到最佳状态，从而优化结晶器流场。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型，包括结晶器本体，本发明考虑了出口处涡流现象对结晶器流场的影响，在结晶器本体的内部设有流量分配器，从而可以有效避免结晶器出口处发生涡流现象，因此采用该模型对结晶器内流场的研究更加准确和符合实际情况，水模拟实验中优化的流场在实际生产中应用的效果更佳。
(2)本发明的一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型，通过对流量分配器的安装位置与厚度，尤其是通过对流量分配器上的开孔面积进行优化设计，从而可以进一步保证所模拟流场与实际生产中结晶器流场的接近程度，进而保证结晶器流场的优化效果。
(3)本发明的一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型，结晶器本体内设有电导率仪、DJ800检测系统及波高仪，且结晶器本体外侧设有摄像机和偏光源，通过波高仪检测结晶器液面波动情况，通过高速摄像机对实验过程进行录像从而可以检测结晶器内的冲击深度，进而有利于确定最适合的冲击深度，通过对模拟结果的数据分析结果可以直接作为指导实际工艺操作参数如拉速、水口插入深度及水口结构参数等优化的依据。
(4)本发明的一种结晶器流场模拟方法，采用本发明的结晶器模型进行模拟，通过流量分配器的设置消除了结晶器出口处涡流对其内流场的影响，从而能够更加真实地模拟出现场结晶器的流场，为结晶器流场的优化提供更加可靠的依据。
附图说明
图1为一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型的结构示意图；
图2为本发明的一种结晶器流场模拟方法的流程示意图；
图3为本发明的结晶器流场数值模拟的计算流程图；
图4为实施例4的用于结晶器内流场研究的异形结晶器模型的结构示意图；
图5为实施例4中流量分配器的结构示意图。
图中：1、入水管；101、第一阀门；102、流量计；2、漏斗；3、浸入式水口；4、结晶器本体；5、流量分配器；6、出水管；601、第二阀门；7、偏光源。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，现结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型，包括结晶器本体4，结晶器本体4的顶部设有浸入式水口3，该浸入式水口3与入水管1相连，结晶器本体4的底部设有出水口，且结晶器本体4的内部设有流量分配器5。物理模拟是目前结晶器内流场研究的主要手段，其中结晶器模型的建立对于模拟结果及结晶器流场的优化效果至关重要。申请人在研究过程中发现，采用现有结晶器模型进行模拟时，模型出口处易产生涡流现象，涡流产生的流场与结晶器自身的流场会进行叠加，而现有技术中并没有考虑上述涡流现象对结晶器内流场的影响，从而导致对结晶器流场的模拟结果存在较大的偏差，水模拟实验中优化的流场在实际生产中应用的效果相对较差。
针对以上问题，申请人综合考虑了结晶器出口处涡流现象的影响，对结晶器模型的结构进行优化设计，在模型内加入了流量分配器，从而可以有效避免结晶器出口处发生涡流现象，采用本实施例的模型对结晶器内流场的研究更加准确和符合实际情况，水模拟实验中优化的流场在实际生产中应用的效果更佳。
实施例2
本实施例的一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型，其结构基本同实施例1，其区别主要在于：所述流量分配器5的形状及尺寸与结晶器本体4的内腔相匹配。本实施例的流量分配器5安装于距离结晶器本体4底部180-200mm处，其厚度为18-22mm，流量分配器5上加工有均匀分布的开孔，且流量分配器5上所有开孔的总面积S为：
其中Vm为模型流速，Am为模型截面积，Vs为钢坯拉速，As为钢坯截面积，Qs为现场流量，根据公式Qs＝钢包钢水重量/钢包浇注周期计算得到。申请人通过大量实验，对流量分配器的安装位置与厚度，尤其是通过对流量分配器上的开孔面积进行优化设计，从而可以进一步保证所模拟流场与实际生产中结晶器流场的接近程度，进而保证结晶器流场的优化效果。
实施例3
本实施例的一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型，其结构基本同实施例2，其区别主要在于：所述入水管1上设有第一阀门101和流量计102，且入水管1上靠近浸入式水口3处设有漏斗2，该漏斗2用于向结晶器本体4内添加示踪剂。所述结晶器本体4底部的出水口与出水管6相连，该出水管6上设有第二阀门601，且结晶器本体4内设有电导率仪、DJ800检测系统及波高仪，结晶器本体4外侧设有摄像机和偏光源7。
结晶器流场的水模拟实验是以相似三定理为基础原理的，模型与实型中液体流动相似的基本条件是几何相似和动力相似，并在模型中加入流量分配器从而使结晶器模型内的流场更加真实。对于几何相似，可采用任何比例，对于动力相似，要求模型和实型中的流体的雷诺准数Re和付鲁德准数Fr分别相等。但同时满足模型和实型中的雷诺准数和付鲁德准数相等相当困难，考虑到在此试验条件下，模型和实型中流体流动状态已处于第二自模化区。因此，该系统的流动状态及流速分布与雷诺准数Re无关，只要保证与重力有关的付鲁德准数Fr准数相等即可达到动力相似。根据实验室条件确定合适的相似比，然后根据实际模型参数，建立水模拟实验模型，利用一系列检测手段，观察、检测不同工艺条件下的流场，从而优化结晶器流场。
采用本实施例的结晶器模型对结晶器流场进行模拟，包括以下过程：打开第一阀门101，使水从浸入式水口3进入结晶器本体4内；当水的高度达到模拟设定的结晶器液位时，打开第二阀门601，保证结晶器内液面保持稳定，从而进行水模拟实验，进而观察、检测结晶器内流场。水模拟实验过程中，在结晶器表面通过波高仪采集波动数据信息，利用偏光源7拍照和摄像机录像检测结晶器内的冲击深度，采用植物油模拟保护渣检测结晶器内流场的卷渣情况，最后分析实验数据，根据数据分析结果调节拉速、水口插入深度及水口结构参数，使上述指标达到最佳状态，从而优化结晶器流场。
结合图2，首先采用本实施例的结晶器模型对结晶器流场进行模拟，然后通过数值计算建立超薄异形坯结晶器内的钢水流动模型，模拟出各种工艺条件下的异型坯结晶器内钢液的流场(如图3所示)，最后利用水模拟实验结果及数值计算结果，结合现场实际，使结晶器液面在不卷渣的前提下液面波动≤±5mm，从而得到该优化目标下的工艺操作参数。
实施例4
本实施例的一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型，其结构基本同实施例3，其区别主要在于：本实施例的结晶器模型为异形坯结晶器模型，其结构如图4所示(H型钢结构)，结晶器本体内流量分配器的结构如图5所示。采用本实施例的结晶器模型能够有效保证异形坯结晶器流场模拟的真实性及其流场优化结果的可靠性，进而有助于更好地指导异形坯的连铸结晶过程的优化，防止其角部裂纹等质量问题的发生。

Claims (8)

1.一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型，包括结晶器本体（4），其特征在于：结晶器本体（4）的顶部设有浸入式水口（3），该浸入式水口（3）与入水管（1）相连，结晶器本体（4）的底部设有出水口，出水口与出水管（6）相连，且结晶器本体（4）的内部设有流量分配器（5），流量分配器（5）安装于距离结晶器本体（4）底部180-200mm处；所述流量分配器（5）的厚度为18-22 mm，其上加工有均匀分布的开孔，且流量分配器（5）上所有开孔的总面积S为：
其中V m为模型流速，A m为模型截面积，V s为钢坯拉速，A s为钢坯截面积，Q s为现场流量，根据公式Q s=钢包钢水重量/钢包浇注周期计算得到。
2.根据权利要求1所述的一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型，其特征在于：所述流量分配器（5）的形状及尺寸与结晶器本体（4）的内腔相匹配。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型，其特征在于：所述入水管（1）上设有第一阀门（101）和流量计（102）。
4.根据权利要求3所述的一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型，其特征在于：所述入水管（1）上靠近浸入式水口（3）处设有漏斗（2），该漏斗（2）用于向结晶器本体（4）内添加示踪剂。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型，其特征在于：所述出水管（6）上设有第二阀门（601）。
6.根据权利要求1或2所述的一种用于结晶器内流场研究的结晶器模型，其特征在于：所述结晶器本体（4）内设有电导率仪、DJ800检测系统及波高仪，且结晶器本体（4）外侧设有摄像机和偏光源（7）。
7.一种结晶器流场模拟方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的结晶器模型进行模拟，包括以下过程：打开入水管（1）上的第一阀门（101），使水从浸入式水口（3）进入结晶器本体（4）内；当水的高度达到模拟设定的结晶器液位时，打开出水管（6）上的第二阀门（601），保证结晶器内液面保持稳定，从而进行水模拟实验，进而观察、检测结晶器内流场。
8.根据权利要求7所述的一种结晶器流场模拟方法，其特征在于：水模拟实验过程中，在结晶器表面通过波高仪采集波动数据信息，利用偏光源（7）拍照和摄像机录像检测结晶器内的冲击深度，采用植物油模拟保护渣检测结晶器内流场的卷渣情况，最后分析实验数据，根据数据分析结果调节拉速、水口插入深度及水口结构参数，使结晶器液面在不卷渣的前提下液面波动≤±5mm，从而优化结晶器流场。
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