【正文】 了各種流動(dòng)的流譜，而且還可提供定量的測量數(shù)據(jù)，如激光測速法、高速攝影法等技術(shù) 流動(dòng)顯示技術(shù)l 顯示出來的流動(dòng)圖形既便于直接觀察，也可用照相或攝影的方法記錄下來。示蹤粒子一般在流動(dòng)的上游即中間包上方注流處加人。還要有強(qiáng)的反射性能，以便觀察和攝影。 高速攝影在流場顯示中的應(yīng)用l 高速攝影是把高速運(yùn)動(dòng)變化過程的空間信息和時(shí)間信息緊密聯(lián)系在一起進(jìn)行圖像記錄的一種攝影方法。l 攝影頻率在 102幅 /s以下稱為普通攝影，在 102~103幅 /s的稱為快速攝影，103~4x104幅 /s的稱為次高速攝影 ,4X1O4幅 /s以上的稱為高速攝影。l 此外還有激光多普勒測速和熱線流測速等技術(shù)。 夾雜物的模擬方法l 在中間包冶金學(xué)中，研究非金屬夾雜物的變化和去除是很重要的內(nèi)容。用水模型研究鋼液流動(dòng)時(shí)，也需要用適當(dāng)?shù)牧Ｗ觼砟M非金屬夾雜物在流動(dòng)介質(zhì)中涉及夾雜物去除的現(xiàn)象有：夾雜物的碰撞長大、夾雜物上浮、鋼液對夾雜物的潤濕性以及渣層和包襯捕獲夾雜物的能力等。l 主要材料有空心玻璃球、發(fā)泡塑料粒子等，好的模擬材料對模擬效果非常中要。l (1)選擇 BaO、 SrO、 La2O3等氧化物作為爾蹤劑加人中間包渣及結(jié)晶器保護(hù)渣中以追蹤夾雜物的可能來源；l (2)按一定時(shí)間和規(guī)則在中間包鋼液中取大樣、小樣及渣樣；l (3)按一定時(shí)間和規(guī)則在結(jié)晶器未凝固鋼液中取小樣、鉛筆樣及渣樣；l (4)在鑄坯上按一定部位取長條樣、大樣。l (5)分析鋼中 Si、 Mn、 O全 、 P、 S、 Als含量；l (6)必要時(shí)，對使用過的耐火材料工作層進(jìn)行分析。3 中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)現(xiàn)象 中間包鋼液流動(dòng)特性l 注入?yún)^(qū)的流速很高，達(dá)到 1m/s以上，高速注流抽引周圍鋼液向下流動(dòng)，注流速度逐漸減小，但幅度不大，到達(dá)底部時(shí)速度依然很大。擋墻可以阻止頂面回流，并使注流的沖擊限制在較小區(qū)域內(nèi)，減少渣的卷入。鋼液流過壩后，折向上方的液流重新轉(zhuǎn)向水口，形成回流。注流的危害l 注流卷入空氣有如下四種方式；l (1)注流為光滑的層流，沖擊到中間包表面形成一個(gè)凹坑，卷人到凹坑周圍的空氣強(qiáng)烈振動(dòng)，氣泡崩裂成細(xì)小的氣泡；l (2)注流處于層流與湍流的過渡區(qū)，注流表面出現(xiàn)不規(guī)則形狀，沖擊到熔池表面產(chǎn)生渦流流動(dòng)，不斷卷人崩裂的空氣泡；l (3)注流表面為高度發(fā)展的湍流，注流沖擊區(qū)形成很不規(guī)則的波浪運(yùn)動(dòng)，卷入的空氣分散成細(xì)小的氣泡；l (4)注流分裂成液滴散流，每個(gè)液滴都卷入空氣，吸氧速率大大增加。l 鋼液流出過程形成的匯流旋渦，能把液面上的渣卷入鋼液內(nèi)部．甚至卷入空氣，增加二次氧化，重惡化鋼的質(zhì)量。自然對流對流場的影響l 自然對流的驅(qū)動(dòng)力是由流體的密度差引起的，而密度差則可能由溫度差或濃度差引起，溫度差引起自然對流的情況較多。 改進(jìn)中間包鋼液流動(dòng)的措施l 改進(jìn)中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)的主要方法是：消除包底鋪展的流動(dòng)，使下游的流動(dòng)有向上趨勢，延長注入到出口的時(shí)間，增加熔池深度以減輕匯流旋渦等。l 改進(jìn)包型。對于不夠大的中間包，可通過改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如加設(shè)擋墻或壩。l 二是便于與拉坯速度配合，行利于換包時(shí)順利澆注，改善換包時(shí)鑄坯的質(zhì)量。 較深的熔池表面流速較小，減輕了液面波動(dòng)，這對減輕二次氧化也是有利的。l 壩的作用是阻擋沿包底的流動(dòng)，使流動(dòng)方向轉(zhuǎn)向上方。l 考慮到自然對流對鋼液流動(dòng)方向的影響以及避免壩體上浮的危害，用導(dǎo)流隔墻來控制中間包流動(dòng)是更有效的方法。l 導(dǎo)流隔墻可以與過濾器和其它控流裝置配合使用。l 外側(cè)水口的距離 L長，停留時(shí)間長，熱損失大，有時(shí)容易凍結(jié)，不能順利開澆。改進(jìn)措施 中間包湍流控制技術(shù)l 在注流沖擊點(diǎn)設(shè)置緩沖器，緩沖器均構(gòu)造簡單，安裝方便，容易在個(gè)間包上應(yīng)用。取得控制鋼液流動(dòng)的效果。湍流控制器的種類中間包流場優(yōu)化實(shí)驗(yàn)舉例l 1 薄板坯連鑄中間包堰壩位置優(yōu)化 l 堰與水口中心距優(yōu)化 l 將原中間包的單擋墻控流方式改為堰－壩組合控流方式。 圖 中 間 包內(nèi)堰 壩 位置示意 圖l 其中 X1的變化水平為： 272mm、 322mm、 372mm、 422mm、 472mm、 522 mm 、 572 mm 、 622mm； X2的變化水平為： 200mm、 230mm、 260mm、 290mm、 320mm、 350mm、 450mm。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩遍。故本研究以堰壩中心距為 290mm為例，分析了堰壩中心距不變情況下，堰與水口中心距變化對流體流動(dòng)特征的影響規(guī)律，以確定較為合理的堰與水口中心距 X1， 圖 最小停留 時(shí)間 和峰 值時(shí)間 與堰－水口中心距的關(guān)系圖 死區(qū)體 積 分率和堰與水口中心距的關(guān)系 堰壩中心距優(yōu)化 l 綜合三個(gè)特征參數(shù)看，實(shí)驗(yàn)效果較好的堰與水口中心距為 422mm， 472mm和 522mm。l 當(dāng)堰壩中心距為 290mm、 320mm和 350mm時(shí)，最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間均相對較長，且三個(gè)位置對應(yīng)的死區(qū)體積分率分別為%， %和 %，死區(qū)體積變化不大。圖 最小停留 時(shí)間 和峰 值時(shí)間 與堰 壩 中心距的關(guān)系圖 死區(qū)體 積 分率與堰 壩 中心距的關(guān)系2 堰壩幾何尺寸優(yōu)化 l 雖然確定了較佳的堰壩位置，但存在的問題依然比較明顯，即獲得的死區(qū)體積分率較大，仍然難于提供理想的堰壩組合方案。l 實(shí)驗(yàn)中，將堰壩位置固定在效果比較好的優(yōu)化位置上進(jìn)行堰壩尺寸的優(yōu)化，即堰與水口中心距 472mm，堰壩間距 350mm。 3 壩上溢流孔尺寸優(yōu)化l 上述優(yōu)化過程中，無論如何改變堰壩位置和堰壩尺寸，雖然最小停留時(shí)間和峰值時(shí)間會(huì)有所延長，但死區(qū)體積分率仍然比較大，即使最佳堰壩組合方案所對應(yīng)的死區(qū)體積分率也和原方案 (單擋墻 )相差不大，均在 26~28%之間。底流的減小，使得流體的最小停留時(shí)間延長，改善了流體流動(dòng)特性。圖 壩 上溢流孔改 變 前后示意 圖l 溢流孔優(yōu)化之后，最小停留時(shí)間及峰值時(shí)間分別延長了 27s和46s，分別增加了52%和 24%，死區(qū)體積分率由 %減少至 %，減小了 33%。l 通過注流保護(hù)澆鑄，既可防止注流的二次氧化，又能避免澆注沖擊液面使鋼液裸露而造成的二次氧化。氣體保護(hù)的不同措施l 美國伯利恒鋼鐵公司在鋼包上滑板底部開一個(gè)環(huán)形槽，在槽內(nèi)通入氬氣。在插座內(nèi)裝有環(huán)形管，氬氣從環(huán)形管上的縫通入。l 密封中間包，包底吹氬穿過鋼液，在液面上形成保護(hù)氣氛。按常規(guī)看法，夾雜物上浮去除速度服從斯托克斯 (Stokes)公式：l u為夾雜物的上浮去除速度； ρ m為鋼液的密度； ρ s為夾雜物的密度； g為重力加速度。l 從本質(zhì)上來說，斯托克斯 (Sokes)公式所計(jì)算的上浮速度是顆粒在重力場中流體介質(zhì)內(nèi)作加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到介質(zhì)摩擦阻力而達(dá)到的終速度，其初速度比該值還要小得多。l 對鋼液潤濕的夾雜物，在浮到表面后，可能重新被流動(dòng)的鋼液帶回其中。如 Al2O3。顆粒的碰撞有以下四種方式：l 布朗碰撞：是小顆粒夾雜物熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。l 速度梯度碰撞：不同流線上的夾雜物速度不同造成的。 中間包吹氬l 中間包吹氬不是為了增強(qiáng)攪拌，而是用惰性氣泡清洗鋼液。試驗(yàn)證明吹氬 5080NL/min可清除開澆階段的增氫現(xiàn)象。中間包吹氬的主要方式是在中間包底部某個(gè)位置通過多孔磚或多孔氬管吹入微小氣泡。l 許多研究證明，夾雜物去除速率等于氣泡產(chǎn)生數(shù)與每一氣泡和顆粒碰撞數(shù)的乘積：l 積分后可得：l 因子依次分別為每個(gè)氣泡清洗體積；單位體積內(nèi)顆粒數(shù)；捕獲夾雜概率；吹氣生成氣泡數(shù)；溫度變化引起的膨脹。l 中間包吹氬適宜用小的氣泡，有利于捕獲更多的夾雜物顆粒。l 另外，氬氣泡會(huì)帶走一些熱量。實(shí)例l 日本住友金屬鹿島廠在 6080t中間包中用多孔磚吹氬，微孔直徑200um，在吹氬區(qū)上游設(shè)置一個(gè)隧道擋墻，其布置如圖 419所示。對管線鋼 APIX60的抗 HIC(氫誘導(dǎo)裂紋 )指標(biāo)有顯著改進(jìn) ,如圖 420所示。l 常用的方法是通過塞棒中心的鐵管往下吹氬。水口結(jié)瘤的原因可歸納如下：(1)鋼液溫度下降，導(dǎo)致鋁脫氧反應(yīng)平衡移動(dòng)在水口中析出 Al2O3；(2)高速流動(dòng)的鋼液由水口耐火材料的孔隙抽引空氣到鋼液中，與鋼液中的鋁反應(yīng)生成 Al2O3 ；(3)水口內(nèi)鋼流有很大速速度梯度和湍動(dòng)能，使 Al2O3顆粒能碰撞長大，大顆粒夾雜物 (100um)可節(jié)助法向脈動(dòng)速度穿過邊界層到達(dá)并粘附在耐火材料表面；(4)由于凝固偏析和鋼液與耐火材料的化學(xué)反應(yīng)，在耐火壁面附近形成雜質(zhì) (Si、 C等 )富集層，其濃度梯度導(dǎo)致表面張力梯度，產(chǎn)生借助馬拉戈尼 (Marangoni)效應(yīng)使小顆粒夾雜物穿透層流底層而粘附在壁面。l 然而，水口吹氬產(chǎn)生的部分氬氣泡會(huì)隨鋼液進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)，直徑很小的員氣泡有可能在鋼凝固前來不及上浮并析出，造成鋼坯和鋼板的皮下氣泡缺陷。大的氬氣泡能從結(jié)晶器浮出，但上浮速度快造成結(jié)晶器鋼液面波動(dòng)，對鋼坯質(zhì)量也有不利影響。另外，把 Al2O3夾雜改性成為鋁酸鈣夾雜，也