高拉速板坯連鑄結晶器內鋼渣界面行為研究.doc

高拉速板坯連鑄結晶器內鋼渣界面行為研究摘要 本文對高拉速板坯連鑄結晶器內鋼渣界面行為進行了數值模擬研究。在用水模型實驗驗證的基礎上，考察了拉速、水口出口角度、浸入深度、鑄坯寬度和保護渣黏度對界面行為的影響。研究發(fā)現：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；熔渣黏度對鋼渣界面形狀幾乎沒有影響，而界面速度隨熔渣黏度的增加而減小。關鍵詞 高拉速連鑄, 結晶器，鋼渣界面行為，數值模擬Interfacial Behavior of Steel and Slag in a Slab Continuous Casting Mold with High Casting SpeedCAO Na，ZHU MiaoyongSchool of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004ABSTRACT The research described the interfacial behavior between fluid steel and molten slag layer in a slab continuous casting mold with high casting speed by numerical simulation method. Good agreement between the mathematical model and experimental observation was obtained. The influences of casting speed, mold width, port angle, submergence depth of SEN and molten slag viscosity on interfacial behavior were investigated. For a given casting speed, increasing the penetration depth and downward port degree can effectively restrain interfacial oscillations. Molten slag viscosity has hardly influence on interfacial profile of steel and slag. Steel-slag interface velocity decreases with increasing molten slag viscosity.KEY WORDS continuous casting with high speed, mold, steel-slag interfacial behavior, numerical simulation結晶器內鋼渣界面最為重要的現象就是界面波動。波動所造成的空氣卷吸及卷渣是引起鋼液二次氧化和鑄坯內大顆粒夾雜物的重要來源之一，是導致鋼產品產生表面缺陷甚至裂紋的重要原因，是當前困擾連鑄順行和高端產品生產的一個因素。多年來，國內外對此現象的研究給與了高度重視1-9。Panaras GA等2利用有限體積法模擬了結晶器內自由表面的振動，表明自由表面的行為有一個起主要作用的波長和頻率。當拉速超過臨界拉速時，可能產生非穩(wěn)定性波。Anagnostopoulos J等5利用體積追蹤法模擬了水油界面的行為，研究了在不同時間內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。Gupta D等7利用油和ZnCl2溶液研究了第二相的出現對無量綱化的液面波幅的影響，描述了存在第二相時彎月面的完整形狀。但是，目前對于結晶器內實際鋼渣界面波動的研究，尤其是高拉速條件下仍少見報道10，數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。本文利用數值模擬方法對高拉速板坯連鑄結晶器內鋼渣界面波動現象進行了研究，在用水模型實驗驗證計算結果的基礎上，采用現場實際條件系統(tǒng)考察了各個工藝參數對界面波動的影響規(guī)律。1數學模型1.1界面波動模型采用VOF(volume of fluid)方法來描述結晶器內的界面波動。即將運動界面在空間網格內定義成一種流體體積分數，并構造這種流體體積分數的發(fā)展方程。通過追蹤主場的模擬過程，精細地確定該運動界面的位置、形狀和變形方向。在VOF方法中，兩種流體共用一組動量方程，在全部計算區(qū)域內追蹤流體體積分數。對于非壓縮流體流動，假設鋼液與熔渣的密度恒定。鋼液體積分數應滿足以下傳輸方程： （1）式中，為速度矢量。當=1時代表鋼液，=0時為熔渣，在01之間為鋼渣界面。為獲得較精確的界面形狀，采用CICSAM（Compressive Interface Capturing Scheme for Arbitrary Meshes）算法，保持Courant數在0.3以下。采用Brackbill等提出的CSF（Continuum Surface Force）模型來考慮表面張力作用。表面張力使界面處產生壓力不連續(xù)，壓力差的計算式為： （2）式中，為表面張力系數，為表面平均曲率。根據CSF模型，表示為： （3）1.2流動模型為簡化結晶器內流體流動過程，提出以下假設：（1）結晶器內鋼液流動為三維瞬態(tài)不可壓縮牛頓流動。（2）不考慮鑄坯或結晶器往復振動以及凝固收縮等因素對鋼液運動所產生的影響。 連續(xù)方程： （4）動量守恒方程： （5）式中， （6） （7） （8）式中，和分別為熔渣和鋼液的密度。為有效黏度系數，由Launder和Spalding提出的雙方程湍流模型確定。和分別為層流和湍流的黏度系數。和分別為熔渣和鋼液的層流黏度系數。1.3邊界條件和求解方法由于流動的對稱性，計算區(qū)域取流場的1/4。結晶器入口速度及出口速度根據流體質量守恒定律確定。入口處湍動能，耗散率。對稱面上所有變量梯度為零。近壁面處使用標準壁面函數。鋼液體積分數在入口處設為1。所有控制方程的求解，邊界條件的處理采用STAR-CD軟件進行。在模型驗證時，為了與實驗結果對比，數值模擬計算中所用的工藝參數和物性參數均與水模型一致。其他情況下均采用實際生產時的參數。具體參數見表1和表2。表1數值模擬計算使用的工藝參數Casting ConditionsValueMold thickness, mm220Mold width, mm1000，1150，1300Submergence depth of SEN, mm120，170，220Port angle, degree-10，-15，-20Casting speed, m/min1.4，1.8，2.2表2 數值模擬計算使用的物性參數Physical PropertiesValueWater density, kg/m31000Water viscosity, kg/ms0.001Oil density, kg/m3900Oil viscosity, kg/ms0.179Liquid steel density, kg/m37020Liquid steel viscosity, kg/ms0.0067Molten slag density, kg/m32700Molten slag viscosity, kg/ms0.1Water-oil interfacial tension coefficient, N/m0.05Steel-slag interfacial tension coefficient, N/m1.4Contact angle of steel-slag interface, degree402水模型實驗為驗證數值計算結果，對結晶器內鋼液流動行為、鋼渣界面行為進行研究。根據相似原理，即保證水模型與原型的弗魯德準數相等。按1:2.5比例建立了的結晶器水模型，選擇水和真空泵油分別模擬鋼液和熔渣層。對實驗過程進行拍攝。3結果與討論3.1 板坯結晶器內鋼渣界面的基本特征(a) 水模結果(b) 計算結果WaterOil 圖1水油界面形狀的水模擬與數值模擬結果的比較圖1為水油界面形狀的水模擬與數值模擬結果。由圖可見，油層厚度在彎月面處為最薄，而在結晶器寬面的1/2處左右達到最大值，在水口附近基本保持不變。水油界面的形狀產生了明顯的波峰和波谷。計算結果與實驗觀察的結果吻合良好。由圖1（b）還可以看出，流體從水口流出后，形成一股很強的射流。射流幾乎沿直線撞擊到窄面的沖擊點位置，且在行進過程中不斷擴張，流速逐漸降低，到達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，它們的流量和流速直接影響到彎月面的波峰高度。到達一定高度后，由于重力的作用向下回落。此時，流體的勢能轉化為動能，使表面流速在波谷處達到最大值。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。這導致波谷和水口附近的油層加厚。隨后，流體在向水口流動的過程中，由于流速較小，因此在水口附近的油層界面比較平穩(wěn)。3.2 操作參數對鋼渣界面行為的影響3.2.1拉速圖2 拉速對鋼渣界面形狀的影響 圖3 澆鑄寬度對鋼渣界面形狀的影響圖2表示板坯尺寸為1150220mm，水口浸入深度170mm，張角下傾15時，拉速對鋼渣界面形狀的影響。由圖可見，鋼液沿結晶器壁面上升，在彎月面處達到最大高度后形成波峰，然后發(fā)生回落。當鋼液下落至x=0.320.36m時界面就基本平穩(wěn)。在拉速由1.4m/min上升到2.2m/min的過程中，彎月面處波峰升高了8.5mm，界面波動范圍也從8mm增至19mm。在水口附近的熔渣層厚度也增加了近3mm。拉速的增大使向上流股的垂直向上速度分量增加，導致彎月面處的鋼液高度明顯升高，同時將更多的熔渣攜帶至水口附近的區(qū)域，也引發(fā)水口附近熔渣層增厚。3.2.2 澆鑄寬度圖3表示拉速1.8m/min，水口浸入深度170mm，張角下傾15時，澆鑄寬度對鋼渣界面形狀的影響。由圖可見，鑄坯寬度從1000mm增至1300mm的過程中，彎月面處波峰高度從10.5mm降至8mm，整個界面波動的范圍由16mm縮小至12mm，水口附近的界面波動也隨之減小。當寬度為1000mm時，在x=0.27m處形成了較1150mm和1300mm明顯的波谷，波谷的位置基本處于寬面的中心處。澆鑄寬度增加后，鋼液自水口出口流出后行經的距離變長，沖擊點的位置逐漸下移，沖擊到窄面時的動能增大。然而上回流到達彎月面的距離也同時變長。因此，在一定的拉速下，澆鑄寬度的增加使彎月面處的鋼液高度有所減小，但幅度不大。3.2.3 水口浸入深度圖4表示板坯尺寸1150220mm，拉速1.8m/min，張角下傾15時，水口浸入深度對鋼渣界面形狀的影響。由圖可見，水口浸入深度增加，彎月面波峰高度有明顯降低，浸入深度每增加50mm，彎月面波峰高度就減少近3mm。整個界面波動也趨于平緩，波動范圍由120mm浸入深度時的17mm降低至220mm時的10.5mm。當鋼液回落至x=0.320.34m以后，界面就不發(fā)生明顯的波動。這表明增加水口浸入深度能有效抑制鋼渣界面波動，減少卷渣發(fā)生的可能性。但較大的浸入深度會使表面流動變弱，易引起由于彎月面過于平靜而產生的表面缺陷。同時，由于鋼液沖擊太深，降低夾雜物上浮去除的幾率而造成的表面缺陷。因此，合理選擇水口浸入深度對于提高鑄坯的表面質量有重要意義。圖4 水口浸入深度對鋼渣界面形狀的影響 圖5 水口出口角度對鋼渣界面形狀的影響3.2.4 水口出口角度圖5表示在板坯尺寸1150220mm，拉速1.8m/min，水口浸入深度為170mm時，出口角度對鋼渣界面形狀的影響。由圖可見，當張角由向下10增至向下20變化時，界面波動范圍由20.5mm減至9.3mm。出口角度每向下增加5，波峰高度就降低4mm左右?？梢娊缑嫘螤顚Τ隹诮嵌群苊舾小Ｏ蛳碌某隹诮嵌仍龃?，鋼液向上流動趨勢減弱，從而使彎月面處的鋼液高度明顯減小，鋼渣界面趨于平靜。由于更多的鋼水沖擊到液相深處，這將對結晶器內夾雜物的上浮不利。3.2.5 保護渣黏度圖6 熔渣黏度對鋼渣界面形狀的影響 圖7 熔渣黏度對鋼渣界面速度的影響 圖6表示板坯尺寸1150220mm，拉速1.8m/min，水口浸入深度170mm，張角下傾15時，熔渣黏度對鋼渣界面形狀的影響。由圖可見，熔渣黏度對鋼渣界面形狀幾乎沒有影響。波峰高度均在1011mm，界面波動范圍均在1517mm。在x=0.32m左右處界面位置基本達到最低值。圖7表示熔渣黏度對鋼渣界面速度的影響。由圖可見，熔渣層的黏度越大，界面速度值越小。當x=0.4m左右時，即靠近窄面1/3處，界面速度達到最大值，這也是發(fā)生卷渣的位置8。當黏度逐漸增大，界面速度最大值由0.20m/s降至0.14m/s。由于上回流股的水平和垂直向上的速度引起的彎月面處速度值的減小量為0.04m/s。緊靠水口處的速度值基本不變?？梢?，增加保護渣的黏度是降低界面速度的有效手段。在高拉速條件下，由于保護渣必須保證高的渣液流動性，獲得較大的耗渣量以滿足結晶器潤滑的要求，所以黏度不能太大。4結論（1）利用VOF方法建立了描述高拉速板坯連鑄結晶器內鋼渣界面的數學模型。通過與水模型實驗結果進行對比，證明數學模型計算結果能夠反映鋼渣界面的波動行為，為合理選擇工藝參數和優(yōu)化水口提供理論依據。（2）鋼液回落至寬面的0.50.7處后，鋼渣界面基本不再發(fā)生明顯波動。提高拉速能明顯加劇鋼渣界面的行為幅度。增大澆鑄寬度對降低彎月面處的波峰作用不明顯。增加水口浸入深度和向下的張角能有效抑制界面波動，降低卷渣機率。（3）熔渣黏度對鋼渣界面形狀幾乎沒有影響。界面速度最大值發(fā)生在靠近窄面1/3附近處。適當增加黏度可以降低鋼渣界面速度。參 考 文 獻1. Ilegbusi OJ,