板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面行為的數(shù)值模擬

1、243板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面行為的數(shù)值模擬板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面行為的數(shù)值模擬曹娜朱苗勇宋景欣冷祥貴程乃良（東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，沈陽110004）（上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠，南京210039）摘要本文對(duì)板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面行為進(jìn)行了數(shù)值模擬，考察了拉速、水口出口角度及浸入深度、鑄坯寬度和保護(hù)渣黏度對(duì)界面行為的影響。結(jié)果表明：在一定拉速下，增加水口浸入深度和向下的張角能有效抑制鋼渣界面波動(dòng)；熔渣黏度對(duì)鋼渣界面形狀幾乎沒有

2、影響，而界面速度隨熔渣黏度的增加而減小。關(guān)鍵詞連鑄結(jié)晶器，鋼渣界面行為，數(shù)值模擬NumericalSimulationofInterfacialBehaviofSteelSlaginaSlabContinuousCastingMoldCAONaZHUMiaoyongSONGJingxin1)LENGXianggui1)CHENGNailiang1)SchoolofMaterialsMetallurgy，NtheasternUnivers

3、ity，Shenyang1100041)SteelmakingPlantShanghaiMeishanIronSteelCo.LtdNanjing210039ABSTRACTTheinterfacialbehavibetweenfluidsteelmoltenslaglayerinaslabcontinuouscastingmoldwasnumericallystudiedtheinfluencesofcastingspeedptang

4、lesubmergencedepthofSENmoldwidthmoltenslagviscosityoninterfacialbehaviwereinvestigated.Theresultsshowthatfagivencastingspeedincreasingtheperationdepthdownwardptdegreecaneffectivelyrestraininterfacialoscillations.Moltensl

5、agviscosityhashardlyinfluenceoninterfacialprofileofsteelslag.Steelslaginterfacevelocitydecreaseswithincreasingmoltenslagviscosity.KEYWDScontinuouscastingmoldsteelslaginterfacialbehavinumericalsimulation結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面最為重要的現(xiàn)象就是界

6、面波動(dòng)。波動(dòng)所造成的空氣卷吸及卷渣是引起鋼液二次氧化和鑄坯內(nèi)大顆粒夾雜物的重要來源之一，是導(dǎo)致鋼產(chǎn)品產(chǎn)生表面缺陷甚至裂紋的重要原因，是當(dāng)前困擾連鑄順行和高端產(chǎn)品生產(chǎn)的一個(gè)因素。多年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)此現(xiàn)象的研究給與了高度重視[19]。PanarasGA等[2]利用有限體積法模擬了結(jié)晶器內(nèi)自由表面的振動(dòng)，表明自由表面的行為有一個(gè)起主要作用的波長(zhǎng)和頻率。當(dāng)拉速超過臨界拉速時(shí)，可能產(chǎn)生非穩(wěn)定性波。AnagnostopoulosJ等[5]利用體積追蹤

7、法模擬了水油界面的行為，研究了在不同時(shí)間內(nèi)水油界面行為模式隨浸入深度、體積流量和拉速的變化情況。GuptaD等[7]利用油和ZnCl2溶液研究了第二相的出現(xiàn)對(duì)無量綱化的液面波幅的影響，描述了存在第二相時(shí)彎月面的完整形狀。但是，目前對(duì)于結(jié)晶器內(nèi)實(shí)際鋼渣界面波動(dòng)的研究仍少見報(bào)道[10]，數(shù)值模擬的工作還基本上停留在把界面處理成平坦或無渣界面的情況。本文利用數(shù)值模擬方法對(duì)板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面波動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，在用水模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的

8、基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件系統(tǒng)考察了各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)界面波動(dòng)的影響規(guī)律。1數(shù)學(xué)模型1.1界面波動(dòng)模型采用VOF(volumeoffluid)方法來描述結(jié)晶器內(nèi)的界面波動(dòng)。即將運(yùn)動(dòng)界面在空間網(wǎng)格內(nèi)定義成一種流體體積分?jǐn)?shù)，并構(gòu)造這種流體體積分?jǐn)?shù)的發(fā)展方程。通過追蹤主場(chǎng)的模擬過程，精細(xì)地確定該運(yùn)動(dòng)界面的位置、形狀和變形方向。在VOF方法中，兩種流體共用一組動(dòng)量方程，在全部計(jì)算區(qū)域內(nèi)追蹤流體體積分?jǐn)?shù)。st?對(duì)于非壓縮流體流動(dòng)，假設(shè)鋼液與熔渣的密度恒

9、定。鋼液體積分?jǐn)?shù)應(yīng)滿足以下傳輸方程：st?(1)0???????utstst式中，為速度矢量。當(dāng)=1時(shí)代表鋼液，=0時(shí)為熔渣，在0～1之間為鋼渣界面。ust?st?st?為獲得較精確的界面形狀，采用CICSAM（CompressiveInterfaceCapturingSchemefArbitraryMeshes）算法，保持Courant數(shù)在0.3以下。采用Brackbill等提出的CSF（ContinuumSurfaceFce）模型2

10、45(a)水模結(jié)果(b)計(jì)算結(jié)果WaterOil表2數(shù)值模擬計(jì)算使用的物性參數(shù)PhysicalPropertiesValueWaterdensitykgm31000Waterviscositykgms0.001Oildensitykgm3900Oilviscositykgms0.179Liquidsteeldensitykgm37020Liquidsteelviscositykgms0.0067Moltenslagdensitykgm3

11、2700Moltenslagviscositykgms0.1WateroilinterfacialtensioncoefficientNm0.05SteelslaginterfacialtensioncoefficientNm1.4Contactangleofsteelslaginterfacedegree402水模型實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為、鋼渣界面行為進(jìn)行研究。根據(jù)相似原理，即保證水模型與原型的弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)相等。

12、按1:2.5比例建立了的結(jié)晶器水模型，選擇水和真空泵油分別模擬鋼液和熔渣層。對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行拍攝。3結(jié)果與討論3.1板坯結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面的基本特征圖1水油界面形狀的水模擬與數(shù)值模擬結(jié)果的比較圖1為水油界面形狀的水模擬與數(shù)值模擬結(jié)果。由圖可見，油層厚度在彎月面處為最薄，而在結(jié)晶器寬面的12處左右達(dá)到最大值，在水口附近基本保持不變。水油界面的形狀產(chǎn)生了明顯的波峰和波谷。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果吻合良好。由圖1（b）還可以看出，流體從水口流出后

13、，形成一股很強(qiáng)的射流。射流幾乎沿直線撞擊到窄面的沖擊點(diǎn)位置，且在行進(jìn)過程中不斷擴(kuò)張，流速逐漸降低，到達(dá)窄面后分為上升流和下降流兩大流股。上升流股沿窄面向上表面流動(dòng)，它們的流量和流速直接影響到彎月面的波峰高度。到達(dá)一定高度后，由于重力的作用向下回落。此時(shí)，流體的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使表面流速在波谷處達(dá)到最大值。流體在下落過程中，由于水油界面間表面張力的存在和油層本身的重力作用，使靠近彎月面的油層被鋼液攜帶至波谷和水口附近。這導(dǎo)致波谷和水口附近