冶金反应器中流动的PIV测量

       今天,近95%的粗钢是通过连续铸造生产的。鉴于对钢产品质量的要求越来越高,需要进一步优化连续铸造所涉及的工艺-例如,钢包,中间包和模具等冶金反应器的工艺改进。

       化学-物理反应、相变、混合现象以及流动模式(包括悬浮在钢水中的夹杂物的运动)对纯度有决定性的影响。

       例如,熔体的混合必须足以确保一方面均匀的浓度和温度分布以及流体的高停留时间和另一方面非金属夹杂物(例如SiO2和Al2O3)的高分离速率。

       因此,分析由各种处理参数产生的流体流动和混合行为非常重要。

       由于极端的边界条件,温度高达1600°C,在炼钢厂难以进行有意义的实验。因此,在完整或缩小的容器中进行水模拟是物理上模拟熔体流动的常用手段。

       考虑到几何和流体动力学相似性(例如雷诺数,弗劳德数),这些结果可以转移到实际熔体流动。实际上,在大多数实际情况中,流动仅通过注入染料来进行观察。通常,在注入染料,酸或盐之后,通过记录水的电导率作为时间的函数来确定流体的停留时间。停留时间分布(RTD)用于分析容器中塞流、静止水和混合区域的扩展。但是,所有方法都只能产生流体现象的定性陈述。相比之下,像PIV这样的光流量测量技术可以快速提供有关速度和涡度分布的详细和定量信息。

 

       该图描述了使用连续铸造设备例子的PIV应用。钢包是一个冶金反应器和一个用钢水填充中间包的运输设备。在钢包底部额外注入惰性气体使熔体均匀化。中间包是钢包和模具之间的连接,它用作储存器并将连续的铸件与不连续的钢包冶金相结合。液态钢在模具中凝固,钢绞线通过辊式矫直机水平弯曲。整个过程的效率和优化需要密切控制,并了解钢水的流动特性。

       PIV测量已经在冶金反应器的不同有机玻璃模型上进行,例如,钢包(比例尺1:5.5),中间包(比例1:4)和模具(比例1:1)。在研究中使用具有两个脉冲Nd:YAG激光器的Dantec Dynamics PIV 1100 FlowMap系统,其功率为140mJ。激光束通过柔性臂和圆柱形前透镜引导至模型。这些图像由Kodak Megaplus ES 1.0 1K x 1K互相关相机拍摄,并使用64 x64或128 x 128像素的询问区域进行评估,重叠率为50%。在所有情况下,流体中都加入聚酰胺颗粒(P = 1.02g / cm 3,d =100μm)。

       这些例子清楚地表明,大的强涡流结构区域会影响非金属夹杂物的浮选和分离,从而影响钢的质量。所获得的结果将用作使用商业CFD代码理论计算的验证标准,以便改进连续铸造操作。

用于研究冶金反应器中流动的试验台

钢包中的流动(比例1:5.5)

中间包中的流动(比例1:4)

模具中的流动(比例1:1)

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