Lance Design for Argon Bubbling in Molten Steel

Three lance designs for argon bubbling in molten steel are presented. Bottom bubbling is considered too. Geometries considered are straight-shaped, T-shaped, and disk-shaped. The bubbling behavior of these lances is analyzed using Computational Fluid Dynamics, so transient three dimensional, isothermal, two-phase, numerical simulations were carried out. Using the numerical results, the bubble distribution and the open eye area are analyzed for the considered lance geometries. The plume volume is calculated from the open eye area and the lance immersion depth using geometrical considerations. Among the three lance designs considered, disk-shaped lance has the bigger plume volume and the smaller mixing time. As the injection lance is deeper immersed, the power stirring is increased and the mixing time is decreased.

真空激光焊接技术研究进展

随着激光器功率的增加,激光传输受等离子体羽辉影响损耗严重,导致激光焊接一次性可穿透深度并非与激光输出功率成正比,焊缝成形稳定性无法可靠保证。而在真空环境下,激光焊接能够展现出不同的工艺特征,能有效抑制等离子体羽辉,增加焊缝熔深,改善熔池稳定性,获得高质量的焊缝。真空激光焊接为实现厚壁构件优质、高效焊接提供了新的工艺方法与研究思路。在综合评述国内外研究成果的基础上,介绍了真空激光焊接技术的发展历史,分析真空环境下激光焊接过程中的焊缝成形、熔池与匙孔、等离子体羽辉特征,梳理了真空激光焊接装备设计和真空激光焊接的相关应用等内容,并对目前该技术研究中存在的问题进行探讨以及对真空激光焊接技术未来发展方向进行展望。

真空激光焊接技术研究现状与展望

真空环境下激光焊接熔深得到显著提高,焊缝成形及气孔等缺陷得到极大改善,可以获得常规激光焊接方法难以获得的显著效果。近些年,有关真空激光焊接过程机理,低真空甚至局部负压环境激光焊接装置的研究日益完善,真空激光焊接技术在船舶、核电及压力容器等领域大厚板焊接中展现出良好的应用前景。本文首要概述环境压力变化对激光焊缝熔深,焊缝表面成形及气孔等缺陷的影响规律,从焊接过程等离子体羽辉及匙孔、熔池的动态行为特性方面总结国内外学者有关真空激光焊接机理的研究成果,并介绍了真空焊接技术在工业领域的应用情况,最后对目前已报道的研究中存在的问题进行分析并对真空焊接技术的发展前景进行展望。

俯冲板片熔融柱的数值模拟:上覆板块破坏及动力地形效应

洋壳俯冲过程中温度、压力升高和密度差异,可导致俯冲板片熔融柱的快速上涌,并作用在上覆板块岩石圈地幔底部,从而导致岩石圈的破坏减薄以及地表形态的剧烈变化,该过程类似于地幔柱对岩石圈的破坏作用。目前,对于俯冲板片熔融柱的形成及其对岩石圈破坏程度的研究相对较少,特别是地表动力地形变化与深部岩石圈破坏作用之间的响应关系依然不清楚。为此,本文将利用I2VIS有限差分方法,基于质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程,通过给定材料参数和一定边界条件,计算揭示俯冲洋壳在不同时间和不同深度下发生部分熔融并形成俯冲板片熔融柱的过程,从而模拟再现该熔融柱对上覆板块岩石圈的破坏过程,并进一步分析其导致的浅部地表地形变化响应。数值模拟结果显示,在大洋板片俯冲过程中,由俯冲的陆源沉积物以及洋壳形成的混合熔融柱垂向侵蚀岩石圈底部,造成岩石圈减薄。在熔融柱的横向侵蚀过程中,岩石圈地幔熔融范围增加,可达300km。在地形变化方面,板块俯冲造成大陆前缘受挤压变形,引起构造变形,构造变形范围可达300km。同时,与俯冲相关形成的熔融柱对岩石圈地幔底部的侵蚀作用逐渐增强,动力地形变化幅度增大,并持续抬升,最终可垂向抬升至4km。动力地形的变化范围局限在300km以内,这与岩石圈地幔的破坏范围保持一致。

铁水倾倒过程的热羽流流场特性研究

工业生产中铁水罐以一定角速度旋转,将高温铁水倒入转炉,产生非恒定的热羽流。工况非常复杂,无法实现系统的试验研究。故采用CFD(计算流体力学)方法研究铁水倾倒过程,基于两相流模型结合动网格技术,实现铁水倾倒过程的数值仿真。首先,针对简单二维模型,验证了采用两相流模型进行浮力羽流及浮射流模拟的可行性。然后,考虑了温差对气体粘度的影响,得出各阶段铁水罐和转炉上方尤其是人员操作区域的浮力羽流及浮射流的流场分布。这可为设计外围的通风系统和操作人员的安全防护提供科学的依据。

壁面下方圆管加热熔盐自然对流换热的数值研究

以熔融盐硝酸锂为工作介质,对壁面下方布置的水平圆管自然对流换热进行了数值模拟,研究了圆管周围热羽流态的变化,以及上壁面和圆管间距(h/d)对圆管壁面自然对流换热特性的影响。结果发现:h/d=1时,随着Ra增大,上壁面和圆管间流动滞止区逐渐压缩,热羽逐渐从圆管左右上方移向正上方,圆管顶部换热主要方式从导热变为自然对流;圆管壁面自然对流换热性能随着上壁面远离逐渐增强并趋于稳定,临界间距随着Ra增大而减小;对于Ra≥10 000的自然对流,当h/d≥3以后,上壁面对圆管换热几乎没有影响。

负压激光焊接技术研究进展

传统焊接方法难以满足大型构件厚板焊接对焊接效率和焊接质量的要求,而高功率激光焊接具有能量密度大、焊接效率高、焊缝深宽比大、接头质量高等特点,成为业界研究和应用的热点。然而近年来的研究发现,激光功率增大至一定程度,由于焊缝熔池的液体金属在激光作用下强烈蒸发而产生的金属蒸气和等离子羽烟对激光产生了吸收、折射、散射等屏蔽作用,使激光能量进入熔池小孔受阻,焊接熔深不再随激光功率线性增加。而负压环境却能使相同激光功率下的焊接熔深得到大幅度提升,获得成形良好的焊缝。根据近些年国内外学者在负压激光焊接方面的研究,综合介绍了负压环境下的激光焊接及其相关问题的研究进展,以期对国内相关研究发展起到促进作用。

激光扫描焊接熔池及等离子体动态行为

以5A06铝合金为试验材料,采用高速摄影技术对激光扫描焊接过程中的熔池及等离子体羽辉动态行为进行拍摄,对比分析了常规单激光焊接与激光扫描焊接条件下的熔池表面流动特征和等离子体羽辉波动特征.结果表明,一定条件下的摆动激光光束相比于单激光光束,能够极大地增强等离子体羽辉的稳定性,延长其存在周期,同时熔池流动的方向性增强,稳定性提高,整个焊接液态熔池表面不存在"回流"现象,熔池流动产生的流体动压力对匙孔的冲击力作用降低,匙孔的稳定性提高.

局部负压激光焊缝成形特点及其影响因素

真空激光焊接具有更大的熔深和更小的气孔敏感性,为了利用真空激光焊接的优点,同时消除真空室尺寸对工件大小的限制,设计了局部负压激光焊接方法。此方法将负压腔与激光焊接头固定,通过真空泵对负压腔快速抽气从而在焊接熔池上方形成负压环境,在此环境下进行了一系列的激光点焊试验和连续焊试验,并与相同焊接参数下的常压和常压带侧吹条件的焊缝进行对比。通过高速摄影分析了负压环境下的金属蒸汽羽烟特点和熔池行为。结果表明,点焊时负压环境下金属蒸汽羽烟抑制效果明显,焊缝熔深增加,除去凹坑深度的焊缝熔深相比常压侧吹最大可增加4.5mm。连续焊时熔池后方匙孔闭合,金属液向后堆叠,获得的焊缝成型良好,负压下焊缝熔深比常压侧吹条件下平均增加2mm。