板坯连铸结晶器内钢渣界面行为的数值模拟

243板坯连铸结晶器内钢渣界面行为的数值模拟曹娜朱苗勇宋景欣冷祥贵程乃良（东北大学材料与冶金学院，沈阳110004）（上海梅山钢铁股份有限公司炼钢厂，南京210039）摘要本文对板坯连铸结晶器内钢渣界面行为进行了数值模拟，考察了拉速、水口出口角度及浸入深度、铸坯宽度和保护渣黏度对界面行为的影响。结果表明：在一定拉速下，增加水口浸入深度和向下的张角能有效抑制钢渣界面波动；熔渣黏度对钢渣界面形状几乎没有影响，而界面速度随熔渣黏度的增加而减小。关键词连铸结晶器，钢渣界面行为，数值模拟NumericalSimulationofInterfacialBehaviorofSteelandSlaginaSlabContinuousCastingMoldCAONa,ZHUMiaoyong,SONGJingxin1),LENGXianggui1),CHENGNailiang1)SchoolofMaterialsandMetallurgy，NortheasternUniversity，Shenyang1100041)SteelmakingPlant,ShanghaiMeishanIronandSteelCo.,Ltd,Nanjing210039ABSTRACTTheinterfacialbehaviorbetweenfluidsteelandmoltenslaglayerinaslabcontinuouscastingmoldwasnumericallystudied,andtheinfluencesofcastingspeed,portangleandsubmergencedepthofSEN,moldwidthandmoltenslagviscosityoninterfacialbehaviorwereinvestigated.Theresultsshowthatforagivencastingspeed,increasingthepenetrationdepthanddownwardportdegreecaneffectivelyrestraininterfacialoscillations.Moltenslagviscosityhashardlyinfluenceoninterfacialprofileofsteelandslag.Steel-slaginterfacevelocitydecreaseswithincreasingmoltenslagviscosity.KEYWORDScontinuouscastingmold,steel-slaginterfacialbehavior,numericalsimulation结晶器内钢渣界面最为重要的现象就是界面波动。波动所造成的空气卷吸及卷渣是引起钢液二次氧化和铸坯内大颗粒夹杂物的重要来源之一，是导致钢产品产生表面缺陷甚至裂纹的重要原因，是当前困扰连铸顺行和高端产品生产的一个因素。多年来，国内外对此现象的研究给与了高度重视[1-9]。PanarasGA等[2]利用有限体积法模拟了结晶器内自由表面的振动，表明自由表面的行为有一个起主要作用的波长和频率。当拉速超过临界拉速时，可能产生非稳定性波。AnagnostopoulosJ等[5]利用体积追踪法模拟了水油界面的行为，研究了在不同时间内水油界面行为模式随浸入深度、体积流量和拉速的变化情况。GuptaD等[7]利用油和ZnCl2溶液研究了第二相的出现对无量纲化的液面波幅的影响，描述了存在第二相时弯月面的完整形状。但是，目前对于结晶器内实际钢渣界面波动的研究仍少见报道[10]，数值模拟的工作还基本上停留在把界面处理成平坦或无渣界面的情况。本文利用数值模拟方法对板坯连铸结晶器内钢渣界面波动现象进行了研究，在用水模型实验验证计算结果的基础上，采用现场实际条件系统考察了各个工艺参数对界面波动的影响规律。1数学模型1.1界面波动模型采用VOF(volumeoffluid)方法来描述结晶器内的界面波动。即将运动界面在空间网格内定义成一种流体体积分数，并构造这种流体体积分数的发展方程。通过追踪主场的模拟过程，精细地确定该运动界面的位置、形状和变形方向。在VOF方法中，两种流体共用一组动量方程，在全部计算区域内追踪流体体积分数st。对于非压缩流体流动，假设钢液与熔渣的密度恒定。钢液体积分数st应满足以下传输方程：0utstst(1)式中，u为速度矢量。当st=1时代表钢液，st=0时为熔渣，st在0～1之间为钢渣界面。为获得较精确的界面形状，采用CICSAM（CompressiveInterfaceCapturingSchemeforArbitraryMeshes）算法，保持Courant数在0.3以下。采用Brackbill等提出的CSF（ContinuumSurfaceForce）模型来考虑表244面张力作用。表面张力使界面处产生压力不连续，压力差p的计算式为：p（2）式中，为表面张力系数，为表面平均曲率。根据CSF模型，表示为：stst（3）1.2流动模型为简化结晶器内流体流动过程，提出以下假设：（1）结晶器内钢液流动为三维瞬态不可压缩牛顿流动。（2）不考虑铸坯或结晶器往复振动以及凝固收缩等因素对钢液运动所产生的影响。连续方程：0)(iixu（4）动量守恒方程：iijjieffjijjiigxuxuxxpxuutu)()(（5）式中，stststsl)1((6)tleff（7）stststsll)1(（8）式中，sl和st分别为熔渣和钢液的密度。eff为有效黏度系数，由Launder和Spalding提出的双方程湍流模型k确定。l和t分别为层流和湍流的黏度系数。sl和st分别为熔渣和钢液的层流黏度系数。1.3边界条件和求解方法由于流动的对称性，计算区域取流场的1/4。结晶器入口速度及出口速度根据流体质量守恒定律确定。入口处湍动能203.0inletinletuk，耗散率5.163.40inletinletk。对称面上所有变量梯度为零。近壁面处使用标准壁面函数。钢液体积分数st在入口处设为1。所有控制方程的求解，边界条件的处理采用STAR-CD软件进行。在模型验证时，为了与实验结果对比，数值模拟计算中所用的工艺参数和物性参数均与水模型一致。其他情况下均采用实际生产时的参数。具体参数见表1和表2。表1数值模拟计算使用的工艺参数CastingConditionsValueMoldthickness,mm220Moldwidth,mm1000，1150，1300SubmergencedepthofSEN,mm120，170，220Portangle,degree-10，-15，-20Castingspeed,m/min1.4，1.8，2.2245(a)水模结果(b)计算结果WaterOil表2数值模拟计算使用的物性参数PhysicalPropertiesValueWaterdensity,kg/m31000Waterviscosity,kg/ms0.001Oildensity,kg/m3900Oilviscosity,kg/ms0.179Liquidsteeldensity,kg/m37020Liquidsteelviscosity,kg/ms0.0067Moltenslagdensity,kg/m32700Moltenslagviscosity,kg/ms0.1Water-oilinterfacialtensioncoefficient,N/m0.05Steel-slaginterfacialtensioncoefficient,N/m1.4Contactangleofsteel-slaginterface,degree402水模型实验为验证数值计算结果，对结晶器内钢液流动行为、钢渣界面行为进行研究。根据相似原理，即保证水模型与原型的弗鲁德准数相等。按1:2.5比例建立了的结晶器水模型，选择水和真空泵油分别模拟钢液和熔渣层。对实验过程进行拍摄。3结果与讨论3.1板坯结晶器内钢渣界面的基本特征图1水油界面形状的水模拟与数值模拟结果的比较图1为水油界面形状的水模拟与数值模拟结果。由图可见，油层厚度在弯月面处为最薄，而在结晶器宽面的1/2处左右达到最大值，在水口附近基本保持不变。水油界面的形状产生了明显的波峰和波谷。计算结果与实验观察的结果吻合良好。由图1（b）还可以看出，流体从水口流出后，形成一股很强的射流。射流几乎沿直线撞击到窄面的冲击点位置，且在行进过程中不断扩张，流速逐渐降低，到达窄面后分为上升流和下降流两大流股。上升流股沿窄面向上表面流动，它们的流量和流速直接影响到弯月面的波峰高度。到达一定高度后，由于重力的作用向下回落。此时，流体的势能转化为动能，使表面流速在波谷处达到最大值。流体在下落过程中，由于水油界面间表面张力的存在和油层本身的重力作用，使靠近弯月面的油层被钢液携带至波谷和水口附近。这导致波谷和水口附近的油层加厚。随后，流体在向水口流动的过程中，由于流速较小，因此在水口附近的油层界面比较平稳。2463.2操作参数对钢渣界面行为的影响3.2.1拉速图2表示板坯尺寸为1150×220mm，水口浸入深度170mm，张角下倾15º时，拉速对钢渣界面形状的影响。由图可见，钢液沿结晶器壁面上升，在弯月面处达到最大高度后形成波峰，然后发生回落。当钢液下落至x=0.32~0.36m时界面就基本平稳。在拉速由1.4m/min上升到2.2m/min的过程中，弯月面处波峰升高了8.5mm，界面波动范围也从8mm增至19mm。在水口附近的熔渣层厚度也增加了近3mm。拉速的增大使向上流股的垂直向上速度分量增加，导致弯月面处的钢液高度明显升高，同时将更多的熔渣携带至水口附近的区域，也引发水口附近熔渣层增厚。图2拉速对钢渣界面形状的影响图3浇铸宽度对钢渣界面形状的影响3.2.2浇铸宽度图3表示拉速1.8m/min，水口浸入深度170mm，张角下倾15º时，浇铸宽度对钢渣界面形状的影响。由图可见，铸坯宽度从1000mm增至1300mm的过程中，弯月面处波峰高度从10.5mm降至8mm，整个界面波动的范围由16mm缩小至12mm，水口附近的界面波动也随之减小。当宽度为1000mm时，在x=0.27m处形成了较1150mm和1300mm明显的波谷，波谷的位置基本处于宽面的中心处。浇铸宽度增加后，钢液自水口出口流出后行经的距离变长，冲击点的位置逐渐下移，冲击到窄面时的动能增大。然而上回流到达弯月面的距离也同时变长。因此，在一定的拉速下，浇铸宽度的增加使弯月面处的钢液高度有所减小，但幅度不大。3.2.3水口浸入深度图4表示板坯尺寸1150×220mm，拉速1.8m/min，张角下倾15º时，水口浸入深度对钢渣界面形状的影响。由图可见，水口浸入深度增加，弯月面波峰高度有明显降低，浸入深度每增加50mm，弯月面波峰高度就减少近3mm。整个界面波动也趋于平缓，波动范围由120mm浸入深度时的17mm降低至220mm时的10.5mm。当钢液回落至x=0.32~0.34m以后，界面就不发生明显的波动。这表明增加水口浸入深度能有效抑制钢渣界面波动，减少卷渣发生的可能性。但较大的浸入深度会使表面流动变弱，易引起由于弯月面过于平静而产生的表面缺陷。同时，由于钢液冲击太深，降低夹杂物上浮去除的几率而造成的表面缺陷。因此，合理选择水口浸入深度对于提高铸坯的表面质量有重要意义。图4水口浸入深度对钢渣界面形状的影响图5水口出口角度对钢渣界面形状的影响0.10.20.30.40.50.6-8-6-4-202468101214Height,mmDistancefromSENcenterline,x,m1.4m/min1.8m/min2.2m/min0.10.20.30.40