18板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)控制的數(shù)學(xué)物理模擬研究8-28

1、基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（200711020706）長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助（資助號(hào)長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助（資助號(hào)IRT0739）板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)控制的數(shù)學(xué)物理模擬研究王波12，張捷宇1，安勝利2，王周勇2，韓春鵬2（1，上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海，200072；2，內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭，014010）摘要：控制結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)和液面

2、的波動(dòng)程度是提高鋼液潔凈度和改善板坯連鑄坯質(zhì)量的重要手段。本文根據(jù)Fr和修正Fr準(zhǔn)數(shù)相似的原則，建立了一個(gè)1：2的板坯連鑄結(jié)晶器的水模型。利用激光多普勒測(cè)速儀、浪高儀等設(shè)備及計(jì)算流體力學(xué)方法研究了板坯連鑄結(jié)晶器水模型內(nèi)流體的流動(dòng)形態(tài)和液面的波動(dòng)狀況。分析了連鑄參數(shù)：拉速、吹氣量、水口浸入深度、水口出口角度等對(duì)流動(dòng)和液面波動(dòng)的影響。根據(jù)研究結(jié)果給出了控制鋼液流動(dòng)的最佳操作參數(shù)。數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。關(guān)鍵詞：流體流動(dòng)，液面波動(dòng)，激光多

3、普勒測(cè)速，數(shù)學(xué)模擬MATHEMATICALPHYSICALSIMULATIONOFCONTROLLINGFLUIDFLOWINASLABCASTINGMOLDWANGBo12ZHANGJieyu2ANShengli2WANGZhouyong2HANChunpeng2(1.SchoolofMaterialsScienceEngineeringShanghaiUniversityShanghai200072China2.MaterialMe

4、tallurgicalSchoolInnerMongoliaUniversityofScienceTechnologyBaotou014010China)Abstract:Cleanlinessofsteelisaprimaryrequirementfflatproducts.Itisobtainedwithminimumofdefectsbycontrollingtheliquidflowacteristicsinthemouldfl

5、uctuationsoverthemeniscussurface.A1:2scalewatermodelofaslabcastingmoldwassetupbasedonthecriteriaofFroudenumbermodifiedFroudenumbersimilarity.ThefluidflowlevelfluctuationinthewatermodelingwereinvestigatedbyLaserDopplerVel

6、ocimeter(LDV)levelsensCFDmethods.Theeffectofcastingspeedgasinjectionrateimmersingdepthptangleofsubmergedentrynozzle(SEN)onflowlevelfluctuationwerestudied.Optimumcastingparametersfcontrollingflowofliquidsteelwereobtainedi

7、nthiswatermodelingofaslabcastingmold.TheexperimentalresultsareusedtovalidatesteadystatenumericalsimulationswithCFDmethodonthebasisofthekεtwoequationsmodel.Thecalculatedresultsaregenerallyintheconsensusoftheexperimentalda

8、ta.Keywds:fluidflowlevelfluctuationLDVmathematicalsimulation1前言在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，結(jié)晶器是鋼水成為產(chǎn)品的最后一道冶金工序，鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的傳輸行為（流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)行為）直接影響著最終產(chǎn)品的質(zhì)量。其中，鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)行為對(duì)于氬氣泡和夾雜物的運(yùn)動(dòng)行為、自由表面的波動(dòng)行為、彎月面凝固、凝固坯殼厚度、熱應(yīng)力變化、卷渣和裂紋形成等具有重要的影響。所以說(shuō)，控制結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀

9、態(tài)是提高鋼液潔凈度和改善鑄坯質(zhì)量的重要手段。鋼液由浸入式水口進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)，沿出口方向形成射流區(qū)，射流在沖擊點(diǎn)沿窄面向上和向下流動(dòng)，形成了上循環(huán)區(qū)和下循環(huán)區(qū)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)特征已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究[111]，認(rèn)為流體在結(jié)晶器內(nèi)的湍流特性是影響鋼液流動(dòng)和液面波動(dòng)行為的直接原因[1]，而這些又與連鑄速度、浸入式水口結(jié)構(gòu)及板坯截面密切相關(guān)。Thomas等人[246]采用數(shù)學(xué)物理模擬手段對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的傳輸現(xiàn)象進(jìn)行了深入地、系統(tǒng)地研究，分

10、析了浸入式水口、連鑄工藝參數(shù)等對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)、夾雜物運(yùn)動(dòng)特性和鋼液潔凈度的影響；發(fā)現(xiàn)上循環(huán)區(qū)的流動(dòng)具有振蕩性，流態(tài)在一個(gè)大渦和幾個(gè)小渦之間來(lái)回變化。Males等人[178]對(duì)板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為、液面波動(dòng)和射流特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)液面的穩(wěn)定性取決于流動(dòng)的湍流特性，并且射流的圖2（b）顯示了窄面處的流場(chǎng)圖，可以清楚的看到射流沖擊點(diǎn)的位置。另外，我們發(fā)現(xiàn)窄面處的流動(dòng)以沖擊點(diǎn)為中心按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度，這和數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果不一致（

11、見(jiàn)圖12），這可能是由于水口沒(méi)有對(duì)中、水口振動(dòng)或者流體由水口出口流出時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)而造成的，這一現(xiàn)象值得關(guān)注。圖2（c）顯示了自由表面處的流動(dòng)情況。由圖可知，在窄面和水口之間速度較大，這可能引起該處有較大的液面波動(dòng)。在彎月面處和水口附近，速度相對(duì)較?。▓D中是U、V速度合成），但可能存在較大的速度梯度，使得流動(dòng)不穩(wěn)定，形成較大的液面波動(dòng)和產(chǎn)生渦旋。以下流動(dòng)的湍流特性可以說(shuō)明這點(diǎn)。XY050100150200250050(c)Freesurfa

12、ceYZ01000100200300400500(b)NarrowfaceXZ0501001502002500100200300400500(a)Centerwideface0.3ms圖2結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的測(cè)量值Figure2Measuredflowfieldinthemould圖36反映了采用三維激光多普勒測(cè)速時(shí)獲得的自由表面處流體的湍流特性。圖3、圖4分別顯示了自由表面中心線上水平速度（U速度）和垂直速度（W速度）的變化情況。圖5和圖6

13、分別給出了自由表面處水平方向RMS速度、雷諾應(yīng)力vu??的云圖。由圖3可知在窄面和水口中間具有較大的速度值（也可見(jiàn)圖2a），具有較大剪切速度的流體和覆蓋其上的渣層相互作用，可能引起卷渣。而RMS速度反映了速度的波動(dòng)程度，由圖5可知在彎月面和水口附近流體速度波動(dòng)較大，暗示著速度變化梯度增加，湍流動(dòng)能大部分在此處耗散，造成該處的液面不穩(wěn)定，容易引起卷渣。特別是在彎月面處，圖4顯示了該處向上流動(dòng)的速度很大（W速度）。雷諾應(yīng)力是流體湍流特性之一

14、，由圖6可知，在自由表面雷諾應(yīng)力的數(shù)值較小，但是在結(jié)晶器角部和水口附近，其變化比較明顯，表明此處的流動(dòng)不穩(wěn)定，特別是在拉速較大的時(shí)候。由以上研究可以得出，在結(jié)晶器角部和水口附近的液面波動(dòng)現(xiàn)象主要是由于流動(dòng)不穩(wěn)定造成的；而在窄面與水口中間的波動(dòng)主要是由于水平剪切速度較大而形成的。0501001502002503000.200.180.160.140.120.100.080.060.040.02HizotalvelocitymsDistan

15、cefromSENtomeniscusmm圖3水平速度變化曲線Figure3Experimentalmeasurementsofhizontalvelocity0501001502002503000.030.020.010.000.010.02VerticalvelocitymsDistancefromSENtomeniscusmm圖4垂直速度變化曲線Figure4Experimentalmeasurementsofverticalve

16、locityXZ0501001502002500100200300400500(a)Centerwideface0.3msYZ01000100200300400500(b)NarrowfaceXY0501001502002500500.020.0260.0320.0380.0440.05圖5水平RMS速度變化曲線Figure5ExperimentalmeasurementofhizontalRMSvelocity4.2液面波動(dòng)狀況結(jié)晶器