油水卷渣基础实验装置设计

赵 鹏， 丁义灏， 李 强， 邹宗树

(东北大学 冶金学院， 辽宁 沈阳 110819)

油水卷渣基础实验装置设计

赵 鹏， 丁义灏， 李 强， 邹宗树

(东北大学 冶金学院， 辽宁 沈阳 110819)

针对连铸过程中发生卷渣现象，设计了模拟卷渣冷态实验装置。通过设计不同斜坡构造和使用不同种类油模拟油水卷渣过程。通过设计油水卷渣模拟实验，可实现教学内容形象化、趣味性，适用于课程教学实验、专业综合实验、创新研究。该实验装置已经投入使用，实验取得较好教学效果。

油水卷渣； 斜坡构造； 实验设计

保护渣广泛应用于冶金过程中,针对连铸结晶器内卷渣做了大量工作[1-4]。在卷渣机理的探索方面,雷洪等[5-6]利用物理模型研究了高拉速条件下结晶器内的卷渣机理,考察了操作参数和物性参数对结晶器内卷渣行为的影响；Gupat等[7-8]利用摄像机和图像分析设备研究了油覆盖下油水界面的波动规律。连铸结晶器发生卷渣,是由浸入式水口进入结晶器的钢液上升到弯月面处向水口方向回流过程中,与覆盖在结晶器表面的液态保护渣相互运动,引起保护渣与钢液混卷发生。保护渣卷入钢液后,随着钢液流动进入结晶器内部。如果保护渣进入结晶器深部无法及时上浮或者被壁面处凝固坯壳捕获,停留在铸坯内保护渣会造成连铸坯表面和内部缺陷[9-10]。钢铁冶金生产过程是连续高温过程,实际生产过程中一般不允许改变工艺参数,也很难观察到不同条件下卷渣现象。同时,考虑到安全等因素,在学生实习过程中,不可能动手操作。为了保证冶金工程专业课程教学质量、提高实验的可操作性和直观性、加深学生对钢铁冶金连铸生产过程认识、促进学生对钢铁冶金过程(结晶内)卷渣过程理解、提高工程实践能力和创新能力,开发了钢铁冶金工艺卷渣模拟冷态装置。

1 连铸过程卷渣机理及过程

连铸结晶器内卷渣是由于具有不同密度两层流体相对运动引起上层密度小的渣层波动和混卷,这种现象可以用Kelvin-Helmholtz不稳定性解释[11],即有剪力速度的连续流体内部或有速度差的两个不同流体的界面之间发生的不稳定现象。连铸结晶器内卷渣过程见图1。

图1 连铸结晶器内卷渣过程

2 冷态卷渣模拟设备

连铸结晶器内卷渣是由剪切流动以一定角度冲击渣层而造成卷渣发生(见图1),然而实际生产过程中很难观察到,为此设计不同角度斜坡构造研究卷渣现象。油水卷渣冷态模拟设备主要包括多种斜坡构造、水槽、泵、流量计以及相关配套管路,实验装置示意图和油水卷渣实验过程分别见图2和图3。

图2 实验装置示意图

图3 油水卷渣斜坡构造实验装置

(1) 水槽：根据实际设备按一定比例制作,为使学生了解水槽内部状态和现象,材质采用透明有机玻璃,长度为800 mm,高度是300 mm,宽度120 mm。水从模型右侧底部进水口流入，经过充分发展后,经斜坡装置冲击油层而形成卷渣,最后从水槽左侧出水口流出。

(2) 循环系统：安装循环泵以保证水在密闭系统内稳定流动,并维持水槽中液面稳定,同时使用变频器调节泵的输出功率而改变流量,并通过安装在循环管路中的流量计读出流量值。

(3) 斜坡构造：为了观察水槽中水流在不同角度下对油层的冲击影响,设计多个不同形状(不同倾角)的斜坡构造。斜坡高度均为200 mm,宽度为120 mm,材质采用透明有机玻璃。

3 冷态水模拟实验设计

为使学生更好地认识卷渣过程,本实验研究在不同斜坡构造、不同种物理属性油的影响下卷渣发生的过程。利用激光多普勒仪器测定斜坡发生卷渣时的临界速度,并使用高速摄影仪记录整个卷渣过程和不同时刻液面波动,实验后用ImageJ软件分析卷渣后渣滴粒径。

为了更好描述了装置内斜坡处油水卷渣不同变化过程,图4显示了典型油水卷渣实验现象变化过程。当水流量为零时,油水明显分离,界面平静(见图4(a))；当水流量较小时,水通过油水界面,油/水界面开始突起(见图4(b))；随着水流量增加,正如(见图4(c))显示那样,斜坡构造顶端位置处油/水界面出现波动,水流将油层吹开,油层沿着斜坡构造向下移动；当水流量再增大后,斜坡构造顶端位置左右两处出现高度差,剪切流动冲击油层,油层破碎后油滴被卷入水中,油滴破碎和卷渣过程见图4(d)。

通过观察和分析油水卷渣过程,使学生能更好了解实际连铸结晶内卷渣过程,并且可以通过调整斜坡构造和不同种类油模拟不同条件下的卷渣过程,并分析和讨论卷渣影响因素。

4 结语

本文针对连铸卷渣过程设计了冷态油水卷渣模拟实验,通过卷渣冷态实验设计,加深了学生对于卷渣过程的理解,实验取得较好教学效果。本实验在实践教学中具有如下特性：

(1) 机构相对简单、成本低廉，操作方便直观、使用可靠,该实践教学系统以其直观的形式使学生了解卷渣形成过程,提高了教学效果。

(2) 引导学生根据实际问题设计模拟装置,该实验可研究不同的油和不同的斜坡构造对临界卷渣速度、不同时刻界面波动和卷渣后渣滴尺寸影响过程。

图4 实验装置斜坡处卷油现象变化过程

(3) 该卷渣冷态模拟系统可以满足学生认识、实验、毕业实习等实训环节的要求,具有较强的灵活性和较为广泛的适应性,可以通过改变某一操作参数观察油水卷渣过程,弥补了现场实习只看不能动的不足,加深了对实践知识的理解。

(4) 该装置不仅实现了教学内容形象化、时空化,而且提供了一个安全的学习和实践平台,可在较为轻松的环境中完成实验任务,获得知识和技能,避免了现场学习实践中的安全问题。

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. スうづ高速铸造时の连铸型内溶钢流动にすよぼす铸造条件の影响[J]. 铁と钢,1993,79(5):40-46.

[4] 朱苗勇,萧泽强. 钢的精炼过程数学物理模拟[M]. 北京: 冶金工业出版社,1998.

[5] 雷洪,许海虹,朱苗勇. 高速连铸结晶器内卷渣机理及其控制研究[J]. 钢铁,1999,34(8):20-23.

[6] 雷洪,朱苗勇,赫冀成. 连铸结晶器内卷渣过程的数学模型[J].金属学报,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] 张胜军,朱苗勇,张永亮,等. 高拉速吹氩板坯连铸结晶器内的卷渣机理研究[J],金属学报,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

国家自然科学基金项目(51104307)

赵鹏(1983—)，男，山东济南，博士研究生，研究方向为冶金传输及反应工程.

TF777；G484

A

1002-4956(2017)4-0086-03