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新型浸入式三孔水口与传统两孔水口探析

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摘要:

通过数值模拟和物理模拟对优化后的三孔水口和传统的两孔水口进行分析对比,从而得出:三孔水口形成了上、中、下3个主要的回旋区,而两孔水口形成了两个回旋区;三孔水口的平均表面流速为1.07m/s,相对两孔水口流速降低了将近28%,三孔水口的平均湍动能0.0022,较两孔水口的湍动能降低了42%;三孔水口的波峰与波谷的最大差值为7.6mm,周期为10s,而两孔水口的波峰与波谷的最大差值为15.3mm,周期为20s。优化后的三孔水口较传统的两孔水口能更好的提高铸坯品质。

关键词:

两孔水口;三孔水口;数值模拟;物理模拟

近几年,对钢材品质的要求更为严格,在铸坯缺陷中,铸坯表面被分为上下或者多层和微小裂纹聚集到一起形成大裂纹是中厚板表面所要解决的重要难题[1]。为了获得品质更好的铸坯,很多钢厂更加注重导致废品钢的原因,关注轧制过程、设备运行情况以及精细检验等,尤其是对可能产生缺陷的环节更加注意[2]。而结晶器是连铸的“心脏”[3],直接关系到铸坯品质的好坏。根据大量的研究学者的统计,结晶器弯月面上的热量,指结晶器弯月面上钢液放出的热量较水平方向放出的热量较少,可以忽略,在结晶器中由于钢坯要经过冷却凝固的一系列热效应过程,因此,对结晶器的研究是十分重要的[4,5]。本文对结晶器影响最大的水口进行分析研究,介绍优化后的三孔水口对结晶器的流场、保护渣卷渣等方面的改善效果,从而能够更好地提高铸坯品质。

1实验装置及模型建立

通过物理模拟和数值模拟对两孔水口和三孔水口进行对比和分析,图1为物理模拟的模型,图2为实验图。图3传统两孔水口和图4优化后的三孔水口,两个水口侧孔倾角均为15°,侧孔出口的面积都为2.9cm,侧孔出口的长宽分别为85mm和60mm。

2研究方法

2.1实验设计

本次试验是在高拉速为1.8m/min时,通过数值模拟和物理模拟对三孔水口和两孔水口的近钢-渣界面表面流速、液面波高、保护渣的覆盖效果进行分析研究,从而能够更好的说明三孔水口相对于两孔水口的优势所在,使得结论更具有说服性。

2.2实验方法

本实验主要是根据ANSYSFLUENT15.0软件来模拟,钢液流经三孔水口和两孔水口时结晶器中钢渣界面、结晶器流场中湍动能等的变化,再通过物理模拟进行分析研究。

3结果与分析

3.1两孔水口与三孔水口的流场

图5是两孔水口和优化后的三孔水口流场的矢量图,在图6中A表示传统两孔水口,B表示新型三孔水口。由于第三孔的作用,使新型水口形成了主要的3个回旋区;从图中可以看出,模拟钢液从传统水口流出时的最大速度为1.49m/s,而从新型水口流出的最大速度为1.07m/s,流速降低了将近28%,左右两孔的流量为7.76kg/s,第三孔的流量为1.3kg/s,侧孔流量减少了大约14.3%,从而使得结晶器窄面所受的冲刷较少,增加了窄面的寿命[6]。

3.2两孔水口与三孔水口的表面流速

表1为钢渣表面参数的对比,无论是最大表面流速、平均表面流速和最大、平均湍动能,优化后的三孔水口都比传统的两孔水口要小很多,这主要是由于第三孔的分流作用而产生的。图7为钢渣界面表面流速的云图,两种水口的最大表面流速的位置均在距离窄面1/3[7],这与许多学者的结论是一致的。这个结论对于新型三孔水口减少结晶器卷渣效果有所提高,同时也可以更好地控制结晶器中旋涡的作用,使得结晶器中流场更为稳定,分布更加均匀,这有助于提高铸坯质量。

3.3钢-渣界面行为对比

3.3.1钢-渣界面波动周期的验证实验

图8和图9分别是数值模拟和物理模拟下的钢渣界面波动的情况。对于优化的三孔水口,拉速为1.8m/min时液面波动最大达到了15.3mm。当此情况持续了7s后降到了13.8mm,经过了12s后再次到达高峰,波峰与波谷的差值为1.5mm,这就产生了周期现象,钢渣界面在这个周期的范围内循环往复的运动,这里的周期、波峰与波谷以及差值都会影响铸坯的品质。对于图9来说,通过物理模拟可以看出14s时的液面波高情况大致与24s时的情况一致,并经过10s左右的时间出现了循环往复的情况,这与数值模拟的结果基本一致,从而证明了数值模拟结果的可靠性。

3.3.2钢、渣界面波动周期的情况分析

图10为两孔水口和优化后的三孔水口的钢渣界面波动情况对比图,三孔水口的最大波高差值大约为7.6mm,而两孔水口的波峰与波谷的差值为三孔水口波高差值的两倍之多;三孔水口一个周期的时间大约为8s,传统的两孔水口一个周期的时间为20s,因此,可以看出优化后的三孔水口时钢渣界面波动较小、较为稳定,卷渣情况也较小,钢坯品质会得到一定的提高。

4结论

(1)三孔水口由于第三孔的原因,使结晶器形成了上、中、下三个主要的回旋区,而两孔水口只形成了上回流区和下回流区。

(2)三孔水口的分流作用较为明显,无论是平均表面流速和最大表面流速,还是结晶器内的平均或最大湍动能都要比传统的两孔水口要低很多,这说明三孔水口的液面波动较为平缓,卷渣情况较小。

(3)通过钢渣界面波动周期和波峰与波谷的最大差值,也可以看出两孔水口的结晶器更容易发生卷渣现象。

参考文献:

[1]吕亚平.浅谈影响铸坯质量和钢板分层的主要因素[J].酒钢科技,2005(2):44-47.

[2]蔡开科,孙彦辉,韩传基.连铸坯质量控制零缺陷战略[J].连铸,2011(3):288-297.

[3]王挺.板坯连铸结晶器内流动传热和凝固收缩的数值模拟[D].西安:西安建筑科技大学,2012.

[4]闫小林.连铸过程原理及数值模拟[M].石家庄:河北科学技术出版社,2001.

[6]王晓红.CSP薄板坯连铸结晶器三维流场与温度场的数值模拟[D].武汉:武汉科技大学,2006.

[7]张大江.板坯连铸结晶器钢液流动行为的物理模拟研究[D].重庆:重庆大学,2009.

作者:刘阳 张彩军 刘中柱 乔士宾 单位:华北理工大学冶金与能源学院

Acta Mathematica Scientia杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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