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钢包出钢过程中旋涡的形成及其防治研究

发布时间:2023-02-06 15:08 　作者:admin　点击量：　

在连铸生产过程中，钢液从钢包向中间包流入过程中，随着液面的不断下降，会产生一个重要的流动现象，那就是会形成快速旋转的自由表面涡。这种自由表面涡不仅在钢包出钢时会发生，在转炉出钢以及中间包出钢过程中也会出现。当自由表面涡一旦形成容易造成卷渣，尤其在出钢末期当钢液液位高度低于漩涡的临界高度（漩涡尖端延伸至水口上沿处的液面高度）时，漩涡卷渣现象会非常严重，甚至还能卷入空气，对钢液造成污染。同时还会造成夹杂物上浮困难，水口易堵塞，长水口以及中间包内衬易腐蚀等危害。目前采用的防漩方法存在着金属收得率低、钢包结构改动大等缺点。

结论：
1）科氏力对钢包出钢过程中形成的漩涡几乎没有作用，而是出钢前钢包内存在的切向扰动对漩涡的形成起到了主要作用。当打开水口时，由于静压力差的作用钢包内的流体促使了漩涡的形成，即漩涡运动发展的能量来源是流体自身的重力。在初始时流体内部必须存在切向的扰动，漩涡才可以形成。同时流体运动遵循角动量守恒定律，使得漩涡越转越快，最后当液面到达一定高度时，重力不能再提供足够的能量，导致液面凹陷并贯穿至水口。而靠近水口的钢包底部区域是漩涡形成的触发区域。
2）漩涡的临界高度随着偏心率（水口到钢包中心的距离与钢包半径的比值）的增加而明显增加；对于中心水口钢包，漩涡的临界高度随着初始切向速度的增加增加，随着水口直径的增加而略有下降；对于偏心水口钢包，漩涡的临界高度随着初始切向速度的增加而先增加然后几乎不再变化，随着水口直径的增加而增加；无论中心水口钢包还是偏心水口钢包，流体的物理性质对漩涡临界高度的影响都不是很大。同时通过量纲分析的方法得到了漩涡的临界高度估算公式。
3）通过分析发现改变出钢过程中漩涡形成时的切向速度的分布形式和减小切向速度值的大小，可以有效抑制漩涡的形成。根据此漩涡抑制机制设计出底部施加防漩力和底部吹气两种防漩方法。通过施加与漩涡方向相反的防漩力使钢包内的切向速度值明显减小，而采用吹气的方式主要打乱了漩涡形成时的速度场分布形式，两者均降低了漩涡的临界高度，对漩涡的形成进行了有效抑制。
4）通过水模型实验进一步验证了漩涡的运动规律和抑制机制，进一步证明了吹气抑制漩涡的可行性。通过实验发现，钢包出钢过程中进行底部吹气确实可以打乱钢包内漩涡形成时的流场分布形式，有效降低了漩涡的临界高度。同时，随着吹气流量的增加漩涡的临界高度先明显下降，然后几乎不再降低。对于中心水口钢包选择离水口较近的吹气孔位置进行吹气，漩涡的抑制效果最好；对于偏心水口钢包选择钢包中心附近的吹气孔位置进行吹气，漩涡的抑制效果最好。
（来源：铸锻热处理新技术新方法作者：李宏侠）

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