Bei der Herstellung von sauberem Stahl dient der Tundish als Schlüssel ausrüstung zwischen der Raffination von geschmolzenem Stahl und dem Strang gießen. Sein internes Strömungs feld wirkt sich direkt auf die Effizienz der Einschluss entfernung und die Reinheit von geschmolzenem Stahl aus.Traditionelle Durchfluss kontroll geräteSind anfällig für Probleme wie erhöhten Rests tahl und Erosion von feuerfesten Materialien, und ihre Effizienz bei der Entfernung feiner Einschlüsse ist begrenzt. Gas rühr technologien wie Gas vorhänge haben sich als neue Richtung heraus kristall isiert, stehen jedoch vor Herausforderungen wie Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Blasen größe und unzureichende Optimierung des Strömungs felds. Das Forschungs team der Taiyuan University of Technology konzentrierte sich auf einen einst rängigen Tundish ohne Durchfluss kontroll geräte und schlug innovativ ein Seitenwand-Gasblas schema (rechte Seitenwand/vordere Seitenwand) vor. Kombiniert mitHoch geschwindigkeit kamerasUnd einPartikelbild-Velocimetrie (PIV)-SystemSie führten visuelle Beobachtungen der Strömungs felde igen schaften unter Bedingungen der rechten Seitenwand und der vorderen Seitenwand durch und verwendeten die Ergebnisse, um die Zuverlässigkeit des CFD-Modells zu überprüfen. Die detaillierten Forschungs ergebnisse wurden in Steel Research Internat ional (2024, 95, 2400037) mit dem Titel ver öffentlicht"Physikalische und numerische Studie über Gas auf der rechten und vorderen Seite, das an Wänden in einem Einzelstrang-Tundish bläst".
Ich. Physikalisches Modell design
Das Experiment übernahm ein Wasser modell gerät mit einem geometrischen Maßstab von 1:5, um den tatsächlichen Tundish zu simulieren. Das Arbeits medium war ent ionisiertes Wasser, und Hohlglas mikro kugeln (mit einer Partikel größe von ungefähr 50 μm) mit einer Dichte nahe der von Wasser wurden als Tracer partikel ausgewählt. Das Gas wurde von einem Mikro durchfluss messer gesteuert und durch kleine Löcher in die Wand injiziert, um den industriellen Argon spül prozess zu simulieren.
II. Durchfluss feld messgeräte (siehe Abbildung 1)
AHoch geschwindigkeit kameraZur Verfügung gestellt vonHF Agile Gerät Co.,LtdWurde mit einer Auflösung von 1920 × 1080 @ 2000fps verwendet, um die Bewegungs bahn von Tracer-Partikeln zu erfassen.
Ein Dauerwellen laser mit einer Wellenlänge von 532 nm und einer Leistung von 10 W, wurde verwendet, um eine Blatt lichtquelle mit einer Dicke von 1mm und einem Divergenz winkel von 15 ° zu erzeugen.
EnthüllerDie selbst entwickelte Durchfluss feld messungPIV-SoftwareRFlow wurde verwendet, um die Verschiebung komponenten von Partikeln in benachbarten Rahmen zu extrahieren, die Geschwindigkeit vektor verteilung zu berechnen und Fließfeld geschwindigkeit vektor diagramme zu erzeugen.
Abbildung 1
Diese Studie konzentrierte sich auf drei Kern verifizierungs objekte: "leeres Tundish (Schema N), rechtes Seitenwand gas blasen (Schema R1) und vordere Seitenwand gas blasen (Schema F2)". Die Zuverlässigkeit des numerischen Modells wurde überprüft, indem die gemessenen Daten des PIV-Systems mit den CFD-Simulations ergebnissen verglichen wurden. Die detaillierten Schritte lauten wie folgt:
Ich. Stabilisieren Sie das Wasser modell, kalibrieren Sie und fügen Sie Tracer-Partikel hinzu
Stellen Sie den Wasserfluss im Wasser modell in einen stabilen Zustand ein und führen Sie dann Tracer-Partikel mit einer Dichte ein, die der von Wasser nahe kommt. Führen Sie eine Gitter kalibrierung in statischem Wasser durch, um die entsprechende Beziehung zwischen dem Sichtfeld bereich und dem Koordinaten system zu bestimmen. Schalten Sie die Wasserpumpe und die Gas versorgung ein und warten Sie, bis sich der Durchfluss stabilisiert hat.
II. Durchführung der PIV-Durchfluss feld messung
Starten Sie die 532 nm Laser blatt lichtquelle, um den Messbereich in der Mitte der Tundish zu beleuchten. Schalten Sie gleichzeitig dieHoch geschwindigkeit kamera3 Sekunden lang mit einer Bildrate von 400 fps kontinuierlich zu schießen, um die Folge von Bewegungs bildern von Tracer-Partikeln zu erhalten. Dann verwenden SiePIV-Software von RevealerUm eine Cross-Frame-Analyse der Bilder durch zuführen, Partikel verschiebung daten zu extrahieren, Strömungs feld vektor diagramme zu berechnen und zu erzeugen.
III. Modell verifizierung und Vergleich
Erstellen Sie ein CFD-Modell basierend auf den geometrischen Parametern des Wasser modells. Die Euler-Euler-Methode wurde verwendet, um die Gas-Flüssig-Zwei phasen strömung zu simulieren. Das Turbulenz modell für die kontinuierliche Phase (Wasser) war das realisierbare k-ε-Zwei schicht modell (RKE-2L), und die diskrete Phase (Luft) übernahm das Issa-Turbulenz reaktions modell. Vergleichen Sie quantitativ diePIV-gemessenGeschwindigkeit sfeld mit den CFD-Simulations ergebnissen, das sich auf die Überprüfung der Konsistenz von Wirbels trukturen und Geschwindigkeit verteilungen unter drei Schlüssels chemata konzentriert: kein Gasblasen (Schema N, leerer Tundish), gas blasen der rechten Seitenwand (Schema R1) und Gas blasen der vorderen Seitenwand (Schema F2).
Der Wert derParticle Image Velocimetry (PIV)-InstrumentLiegt in der Bereitstellung eines gemessenen Benchmarks für das CFD-Modell, der das CFD-Modell aus drei Dimensionen überprüft: Wirbels truktur, Strömungs geschwindigkeit verteilung und Strömungs muster konsistenz.
Ich. Schema N (Empty Tundish, d.h. Benchmark-Zustand ohne Gasblasen)
Dieses Schema dient zur Überprüfung des grundlegenden Fluss feldes.PIV-MessungDie Ergebnisse zeigen, dass sich im Geschwindigkeit vektor diagramm zwei Wirbel gegen den Uhrzeiger sinn in der Mitte der Tundish befinden. Die Geschwindigkeit vektor verteilung, die durch CFD-Simulation erhalten wird, ist in hohem Maße konsistent mit demPIV-MessungErgebnisse-sowohl in den Positionen der beiden Wirbel gegen den Uhrzeiger sinn als auch in der Geschwindigkeit amplitude im Wirbel bereich, was in hohem Maße mit dem PIV-Messwert überein stimmt. Dies zeigt an, dass das Grundmodell das Haupt fluss muster in der bloßen Tundish genau wiedergeben kann (Einzelheiten siehe Abbildung 2).
Abbildung 2
II. Schema R1 (d. H. Gas blasen zustand der rechten Seitenwand)
Dieses Schema dient zur Überprüfung lokaler Wirbels trukturen.PIV-MessungDie Ergebnisse zeigen, dass nach dem Gasblasen der rechten Seitenwand ein großer Haupt wirbel gegen den Uhrzeiger sinn, der den mittleren Bereich durchdringt, induziert wird und der nach oben gerichtete Gasstrom die umgebende Flüssigkeit antreibt, um eine Zirkulation struktur zu bilden. Die Abweichung zwischen der Geschwindigkeit im zentralen Bereich des Haupt wirbels gemessen durch diePIV-SystemUnd der vorhergesagte CFD-Wert beträgt weniger als 8%. Die räumliche Verteilung der Geschwindigkeit richtung und-intensität ist in guter Konsistenz, was bestätigt, dass das CFD-Modell den "Rekonstruktion effekt des Seitenwand gasblasens auf die Wirbels truktur", einschl ießlich der Anzahl, genau erfassen kann. Position der Wirbel und lokale Strömungs geschwindigkeit änderungen. Es kann verwendet werden, um den Optimierung effekt des Gas blasens der rechten Seitenwand auf das lokale Strömungs feld zu analysieren (Einzelheiten siehe Abbildung 3).
Abbildung 3
III. Schema F2 (d. H. Gasblasen schema für die vordere Seitenwand)
Dieses Schema dient zur Überprüfung komplexer Strömungs muster.PIV-MessungDie Ergebnisse zeigen, dass das Strömungs feld nach dem Durchblasen des vorderen Seitenwand gases eine umgekehrte Doppel wirbels truktur aufweist: Ein Wirbel gegen den Uhrzeiger sinn befindet sich auf der Seite in der Nähe der Schutz abdeckung. und ein Wirbel im Uhrzeiger sinn befindet sich auf der Seite in der Nähe des Auslasses. Der Abstand zwischen den beiden Wirbeln ist kleiner als der in Schema N und sie sind symmetrisch auf beiden Seiten der Gas säule verteilt. Die durch CFD simulierte umgekehrte Doppel wirbels truktur stimmt vollständig mit dem übereinPIV-Messung; Die Drehrichtung und der Abstand der Wirbel werden genau reproduziert. Der Fehler zwischen der berechneten Strömungs geschwindigkeit im Wirbel auf der Schutz abdeckung seite und derPIV gemessenWert ist weniger als 2%, und die Strömungs geschwindigkeit abweichung des Wirbels auf der Auslaß seite beträgt weniger als 3%. Dies zeigt an, dass das CFD-Modell den "komplexen Spiral wirbel, der durch Gas blasen an der vorderen Seitenwand gebildet wird", genau simulieren kann. Bereitstellung eines zuverlässigen numerischen Werkzeugs für die Optimierung analyze des gesamten Strömungs feldes (Einzelheiten siehe Abbildung 4).
Abbildung 4
Ich. PIV-Messdaten bieten wichtige Verifizierung für das CFD-Modell
Durch direkten Vergleich der Geschwindigkeit vektoren der Scheme N, R1 und F2 wird bestätigt, dass das aktuelle CFD-Modell die Wirbels trukturen, Geschwindigkeit verteilungen wirklich widerspiegeln kann. und Strömungs richtungen unter verschiedenen Gas blas methoden, wobei der durchschnitt liche Geschwindigkeit fehler innerhalb von 10% gesteuert wird.
II. Schema F2 ist das optimale Schema
PIV-CFD kol labor ative Analyse zeigt, dass der im Strömungs feld gebildete große Spiral wirbel die Flüssigkeit in der gesamten Tundish mit einem Totzonenvolumen von nur 39,68% rühren kann. Zusätzlich wird die Oberflächen strömung verbessert, was dem Schweben von Einschlüssen förderlich ist. Im Vergleich zum Durchblasen von Gas an der rechten Seitenwand ist die Gleichmäßigkeit des Strömungs felds besser und vermeidet gleichzeitig das Risiko der Schlacken mitnahme, das durch hohe Durchfluss rate und Gas blasen in hoher Position verursacht wird.
Im sauberen Stahl produktions prozess die Verwendung von visuellenPIV-TechnologieLöst das Problem der "Unfähigkeit, das Hochtemperatur-Strömungs feld aus geschmolzenem Stahl direkt zu beobachten". Durch die Zusammenarbeit vonPIV-MessungUnd CFD-Modell, der Strömungs feld regulierungs mechanismus des tundish Seitenwand gas blasens wird analysiert, wir helfen den Technikern dabei, das optimale Prozess schema zu überprüfen und einen reproduzier baren technischen Weg für die Optimierung des Strömungs feldes von sauberen Stahl schalen bereit zustellen.
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