能去除微米级夹杂物的新型中间包物理与数值模拟研究

论文摘要

本文以某钢厂单流薄板坯中间包为原型,应用针对微米级夹杂物去除而新开发的双层多孔挡墙及旋流型湍流抑制器二级控流装置,探索新型中间包结构。通过数学模拟与物理模拟相结合的方法,对不同结构的新型中间包对钢液流场及≤10μm夹杂物去除效果进行分析评估;采用数学模拟方法,应用离散相模型和湍流模型,对双层填料挡墙局部区域建模,探究了双层挡墙的内部流场与小颗粒夹杂物运动规律,并对采用多级控流装置的新型中间包整体进行模拟优化;采用物理模拟方法,建立了1:2.5的中间包有机玻璃水模型,完成了流场显示实验、RTD曲线测定和微米级夹杂物去除模拟,对数学模型进行验证与对比,主要结论如下:夹杂物模拟结果表明:微米级夹杂物的运动轨迹与钢液的流动轨迹基本一致,表明小颗粒夹杂物的运动受流场影响显著,而控流装置对中间包流场的精细化调整能力为有效地提升≤10μm夹杂物的去除提供了可行方法。双层填料挡墙局部模拟结果表明:填料层对微米级夹杂物的捕捉、过滤能力使带填料双层挡墙的整体去除率显著高于无填料双层挡墙,最高去除率高达88.64%,为无填料挡墙中最低去除率的2倍以上。RTD曲线分析表明:新型中间包各方案的活塞区体积分数均高于原型中间包,最大升幅超过68%,同时大多数设计方案的死区体积分数也低于原型中间包,钢液混匀效果较好。流场模拟结果表明:挡墙开孔方式与斜向上30°倾角导流孔设计能直接改变钢液流场,减少短路流发生,提升中间包下游区钢液顶面流动的延伸距离,从而显著提高夹杂物的去除;月牙形湍流抑制器在注流区能形成更高强度向上旋流,利于钢液混匀和向中心聚集,促进夹杂物碰撞长大,同时不易造成卷渣、钢液裸露。导流孔牵引效应导致导流孔外部出现明显的高速流区域,而钢液或夹杂物一旦进入该区域会出现速度突变现象,很难再次脱离,研究表明速度突变位置在距离挡墙30100mm以内,其中月牙形湍流抑制器能削弱该效应。数学模拟与物理模拟的结果基本吻合,其中≤10μm夹杂物去除效果较好的方案为采用“月牙形湍流抑制器+X型开孔方式挡墙+47.5mm直径填料球”的中间包,去除率约为87.84%,超过原型中间包相应去除率18.35%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
•   1.1 前言
•   1.2 中间包冶金控流技术
•     1.2.1 湍流抑制器的应用
•     1.2.2 挡墙和坝的应用
•     1.2.3 导流挡墙的应用
•     1.2.4 过滤器的应用
•   1.3 中间包内流场与夹杂物运动的研究方法
•     1.3.1 数值模拟
•     1.3.2 物理模拟
•   1.4 中间包去除微米级夹杂物的方法及难点
•   1.5 新型中间包的设计思路
•     1.5.1 带填料双层多孔挡墙
•     1.5.2 旋流型湍流抑制器
•   1.6 论文研究的内容及意义
•     1.6.1 研究意义
•     1.6.2 研究思路
•     1.6.3 研究内容
• 第2章 双层挡墙局部模型流场及夹杂物去除研究
•   2.1 中间包结构参数
•   2.2 双层挡墙控流及夹杂物运动研究
•     2.2.1 几何模型
•     2.2.2 模型假设
•     2.2.3 控制条件和边界条件
•     2.2.4 流场分析
•     2.2.5 夹杂物分布
•   2.3 带填料双层挡墙控流及夹杂物运动研究
•     2.3.1 模型建立
•     2.3.2 模拟方案
•     2.3.3 流场分析
•     2.3.4 夹杂物分布
•   2.4 本章小结
• 第3章 中间包数学模拟
•   3.1 模拟方案设计
•     3.1.1 控流装置设计
•     3.1.2 模拟方案
•   3.2 数学模型建立
•     3.2.1 模型假设与控制方程
•     3.2.2 边界条件与网格划分
•   3.3 RTD曲线分析
•     3.3.1 曲线测定与分析方法
•     3.3.2 结果与分析
•   3.4 流场分析
•     3.4.1 流场图像分析
•     3.4.2 注流区钢渣界面分析
•   3.5 夹杂物运动分析
•     3.5.1 导流孔牵引效应
•     3.5.2 夹杂物运动轨迹
•   3.6 本章小结
• 第4章 中间包物理模拟
•   4.1 模型建立
•     4.1.1 基本理论依据
•     4.1.2 水模型参数
•   4.2 实验方案
•   4.3 数学模型验证
•     4.3.1 RTD曲线测定
•     4.3.2 模型对比验证
•   4.4 实验结果与分析
•     4.4.1 流场显示实验
•     4.4.2 夹杂物模拟实验
•   4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 董晓森

导师: 金焱

关键词: 中间包,双层多孔挡墙,微米级夹杂物,数学模拟,物理模拟

来源: 武汉科技大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 冶金工业

单位: 武汉科技大学

基金: 国家自然科学基金项目(51874215)“中间包上水口环形气幕与钢液旋流耦合作用下夹杂物的迁移行为”

分类号: TF341.6

总页数: 118

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