油水卷渣基礎實驗裝置設計

趙 鵬， 丁義灝， 李 強， 鄒宗樹

(東北大學 冶金學院， 遼寧 沈陽 110819)

油水卷渣基礎實驗裝置設計

趙 鵬， 丁義灝， 李 強， 鄒宗樹

(東北大學 冶金學院， 遼寧 沈陽 110819)

針對連鑄過程中發(fā)生卷渣現(xiàn)象，設計了模擬卷渣冷態(tài)實驗裝置。通過設計不同斜坡構造和使用不同種類油模擬油水卷渣過程。通過設計油水卷渣模擬實驗，可實現(xiàn)教學內(nèi)容形象化、趣味性，適用于課程教學實驗、專業(yè)綜合實驗、創(chuàng)新研究。該實驗裝置已經(jīng)投入使用，實驗取得較好教學效果。

油水卷渣； 斜坡構造； 實驗設計

保護渣廣泛應用于冶金過程中,針對連鑄結晶器內(nèi)卷渣做了大量工作[1-4]。在卷渣機理的探索方面,雷洪等[5-6]利用物理模型研究了高拉速條件下結晶器內(nèi)的卷渣機理,考察了操作參數(shù)和物性參數(shù)對結晶器內(nèi)卷渣行為的影響；Gupat等[7-8]利用攝像機和圖像分析設備研究了油覆蓋下油水界面的波動規(guī)律。連鑄結晶器發(fā)生卷渣,是由浸入式水口進入結晶器的鋼液上升到彎月面處向水口方向回流過程中,與覆蓋在結晶器表面的液態(tài)保護渣相互運動,引起保護渣與鋼液混卷發(fā)生。保護渣卷入鋼液后,隨著鋼液流動進入結晶器內(nèi)部。如果保護渣進入結晶器深部無法及時上浮或者被壁面處凝固坯殼捕獲,停留在鑄坯內(nèi)保護渣會造成連鑄坯表面和內(nèi)部缺陷[9-10]。鋼鐵冶金生產(chǎn)過程是連續(xù)高溫過程,實際生產(chǎn)過程中一般不允許改變工藝參數(shù),也很難觀察到不同條件下卷渣現(xiàn)象。同時,考慮到安全等因素,在學生實習過程中,不可能動手操作。為了保證冶金工程專業(yè)課程教學質(zhì)量、提高實驗的可操作性和直觀性、加深學生對鋼鐵冶金連鑄生產(chǎn)過程認識、促進學生對鋼鐵冶金過程(結晶內(nèi))卷渣過程理解、提高工程實踐能力和創(chuàng)新能力,開發(fā)了鋼鐵冶金工藝卷渣模擬冷態(tài)裝置。

1 連鑄過程卷渣機理及過程

連鑄結晶器內(nèi)卷渣是由于具有不同密度兩層流體相對運動引起上層密度小的渣層波動和混卷,這種現(xiàn)象可以用Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性解釋[11],即有剪力速度的連續(xù)流體內(nèi)部或有速度差的兩個不同流體的界面之間發(fā)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象。連鑄結晶器內(nèi)卷渣過程見圖1。

圖1 連鑄結晶器內(nèi)卷渣過程

2 冷態(tài)卷渣模擬設備

連鑄結晶器內(nèi)卷渣是由剪切流動以一定角度沖擊渣層而造成卷渣發(fā)生(見圖1),然而實際生產(chǎn)過程中很難觀察到,為此設計不同角度斜坡構造研究卷渣現(xiàn)象。油水卷渣冷態(tài)模擬設備主要包括多種斜坡構造、水槽、泵、流量計以及相關配套管路,實驗裝置示意圖和油水卷渣實驗過程分別見圖2和圖3。

圖2 實驗裝置示意圖

圖3 油水卷渣斜坡構造實驗裝置

(1) 水槽：根據(jù)實際設備按一定比例制作,為使學生了解水槽內(nèi)部狀態(tài)和現(xiàn)象,材質(zhì)采用透明有機玻璃,長度為800 mm,高度是300 mm,寬度120 mm。水從模型右側底部進水口流入，經(jīng)過充分發(fā)展后,經(jīng)斜坡裝置沖擊油層而形成卷渣,最后從水槽左側出水口流出。

(2) 循環(huán)系統(tǒng)：安裝循環(huán)泵以保證水在密閉系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)定流動,并維持水槽中液面穩(wěn)定,同時使用變頻器調(diào)節(jié)泵的輸出功率而改變流量,并通過安裝在循環(huán)管路中的流量計讀出流量值。

(3) 斜坡構造：為了觀察水槽中水流在不同角度下對油層的沖擊影響,設計多個不同形狀(不同傾角)的斜坡構造。斜坡高度均為200 mm,寬度為120 mm,材質(zhì)采用透明有機玻璃。

3 冷態(tài)水模擬實驗設計

為使學生更好地認識卷渣過程,本實驗研究在不同斜坡構造、不同種物理屬性油的影響下卷渣發(fā)生的過程。利用激光多普勒儀器測定斜坡發(fā)生卷渣時的臨界速度,并使用高速攝影儀記錄整個卷渣過程和不同時刻液面波動,實驗后用ImageJ軟件分析卷渣后渣滴粒徑。

為了更好描述了裝置內(nèi)斜坡處油水卷渣不同變化過程,圖4顯示了典型油水卷渣實驗現(xiàn)象變化過程。當水流量為零時,油水明顯分離,界面平靜(見圖4(a))；當水流量較小時,水通過油水界面,油/水界面開始突起(見圖4(b))；隨著水流量增加,正如(見圖4(c))顯示那樣,斜坡構造頂端位置處油/水界面出現(xiàn)波動,水流將油層吹開,油層沿著斜坡構造向下移動；當水流量再增大后,斜坡構造頂端位置左右兩處出現(xiàn)高度差,剪切流動沖擊油層,油層破碎后油滴被卷入水中,油滴破碎和卷渣過程見圖4(d)。

通過觀察和分析油水卷渣過程,使學生能更好了解實際連鑄結晶內(nèi)卷渣過程,并且可以通過調(diào)整斜坡構造和不同種類油模擬不同條件下的卷渣過程,并分析和討論卷渣影響因素。

4 結語

本文針對連鑄卷渣過程設計了冷態(tài)油水卷渣模擬實驗,通過卷渣冷態(tài)實驗設計,加深了學生對于卷渣過程的理解,實驗取得較好教學效果。本實驗在實踐教學中具有如下特性：

(1) 機構相對簡單、成本低廉，操作方便直觀、使用可靠,該實踐教學系統(tǒng)以其直觀的形式使學生了解卷渣形成過程,提高了教學效果。

(2) 引導學生根據(jù)實際問題設計模擬裝置,該實驗可研究不同的油和不同的斜坡構造對臨界卷渣速度、不同時刻界面波動和卷渣后渣滴尺寸影響過程。

圖4 實驗裝置斜坡處卷油現(xiàn)象變化過程

(3) 該卷渣冷態(tài)模擬系統(tǒng)可以滿足學生認識、實驗、畢業(yè)實習等實訓環(huán)節(jié)的要求,具有較強的靈活性和較為廣泛的適應性,可以通過改變某一操作參數(shù)觀察油水卷渣過程,彌補了現(xiàn)場實習只看不能動的不足,加深了對實踐知識的理解。

(4) 該裝置不僅實現(xiàn)了教學內(nèi)容形象化、時空化,而且提供了一個安全的學習和實踐平臺,可在較為輕松的環(huán)境中完成實驗任務,獲得知識和技能,避免了現(xiàn)場學習實踐中的安全問題。

References)

[1] Gebhard M. Vortexing Phenomena in Continuous Slab Casting Moulds. Steelmaking Conference Proceedings[C]//Dallas: The Iron and Steel Society.1993:441-446.

[2] He Q L. Observations of Vortex Formation in the Mould of a Continuous Slab Caster[J]. ISIJ Internatinal,1993,33(2):343-345.

[3] 久保田俊雄. スうづ高速鑄造時の連鑄型內(nèi)溶鋼流動にすよぼす鑄造條件の影響[J]. 鐵と鋼,1993,79(5):40-46.

[4] 朱苗勇,蕭澤強. 鋼的精煉過程數(shù)學物理模擬[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社,1998.

[5] 雷洪,許海虹,朱苗勇. 高速連鑄結晶器內(nèi)卷渣機理及其控制研究[J]. 鋼鐵,1999,34(8):20-23.

[6] 雷洪,朱苗勇,赫冀成. 連鑄結晶器內(nèi)卷渣過程的數(shù)學模型[J].金屬學報,2000,36(10):1113-1117.

[7] Gupta D. Water-modeling Study of the Surface Disturbances in Continuous Slab Caster[J]. Metallurgical and Materials Transactions B,1994,25(4):227-233.

[8] Gupta D. Cold Model Study of the Surface Profile in a Continuous Slab Casting Model: Effect of Second Phase [J]. Metallurgical and Materials Transactions B,1996,27(8):695-697.

[9] Yuan Q,Thomas B G,Vanka S P. Computational and experimental study of turbulent flow in a 0.4-scale water model of a continuous steel caster[J]. Metallurgical and Materials Transactions B,2004,35(5):703-714.

[10] 張勝軍,朱苗勇,張永亮,等. 高拉速吹氬板坯連鑄結晶器內(nèi)的卷渣機理研究[J],金屬學報,2006,42(10):1087-1090.

[11] Pullin D I. Numerical studies of surface-tension effects in nonlinear Kelvin-Helmholtz and Rayleigh-Taylor instability[J]. Journal of Fluid Mechanics,1982,119(1): 507-532.

Fundamental experimental design on oil-water slag entrainment

Zhao Peng,Ding Yihao, Li Qiang, Zou Zongshu

(School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Aiming at the phenomenon that the slag entrainment occurs in the process of the continuous casting, an experimental device for simulating the cold state of the slag entrainment is designed. Through the design of the different ramp structures and by using the different kinds of oil, the process of the oil-water slag entrainment is simulated. Through the design of the oil-water slag simulation experiment, the teaching content can be visualized and interesting, which is suitable for the curriculum teaching experiment, the professional comprehensive experiment and the innovation research. This experimental device has been put into use, and the experiment achieves good effects of the teaching and experimental research.

oil-water slag entrainment; ramp structure； experimental design

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.022

2016-10-18

國家自然科學基金項目(51104307)

趙鵬(1983—)，男，山東濟南，博士研究生，研究方向為冶金傳輸及反應工程.

TF777；G484

A

1002-4956(2017)4-0086-03