陳 驥，李寶寬，齊鳳升

(1.上海東震冶金工程技術(shù)有限公司，上海 201900; 2. 東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

0 前言

火焰清理工藝是一種去除鋼坯表面缺陷、提高最終軋制產(chǎn)品質(zhì)量的熱化學(xué)過(guò)程。它利用高溫火焰來(lái)熔化鋼坯表面的金屬薄層，進(jìn)而去除其中的裂紋、點(diǎn)蝕、夾雜等表面缺陷[1-3]。對(duì)于汽車(chē)板、家電面板等高附加值的鋼材來(lái)說(shuō)，利用火焰清理來(lái)提高鋼坯表面質(zhì)量已經(jīng)逐漸成為連鑄過(guò)程的必要環(huán)節(jié)[4]。目前，火焰清理工藝最關(guān)鍵的就是鋼坯表面質(zhì)量，也就是表面平整度。由于國(guó)外技術(shù)壟斷，目前火焰清理應(yīng)用由于投資高、維修貴、發(fā)展緩慢，難以掌握核心技術(shù)。加之工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)缺乏技術(shù)支持，無(wú)法從根本上解決清理溝痕問(wèn)題[5-6]。

Showalter等人[7]描述了火焰清理過(guò)程中的基本概念，通過(guò)數(shù)學(xué)建模分析了鋼坯的金屬去除率。Taira等人[8]研究了火焰清理預(yù)熱條件對(duì)板坯表面質(zhì)量的影響。魏天賦和王向成[9]闡述了火焰清理工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在問(wèn)題。韓俊和陳濤[10]分析了火焰清理機(jī)的技術(shù)參數(shù)和應(yīng)用實(shí)例。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)火焰清理工藝的研究大多集中于應(yīng)用方面，但對(duì)射流合并、沖擊溝痕等機(jī)理研究卻鮮有報(bào)道。

燒嘴是火焰清理機(jī)的核心部件，其產(chǎn)生的平行多孔射流直接沖擊板坯表面，對(duì)清理質(zhì)量有決定性的影響。本文基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)，利用數(shù)值模擬建立燒嘴管道、鋼坯表面及射流空間的三維幾何結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，對(duì)火焰清理工藝不同參數(shù)下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和沖擊特性進(jìn)行研究，分析了鋼坯表面溝痕的形成機(jī)理，探討了溝痕分布的影響因素和提高表面平整度優(yōu)化方法。

1 火焰清理工作過(guò)程和燒嘴結(jié)構(gòu)

自動(dòng)火焰清理機(jī)的工作原理：利用燒嘴產(chǎn)生的多孔燃?xì)?、氧氣射流形成的非預(yù)混燃燒火焰，預(yù)熱鋼坯上的局部區(qū)域到其熔點(diǎn)，當(dāng)這塊區(qū)域變?yōu)槿廴跔顟B(tài)時(shí)，形成初始熔池，稱(chēng)為預(yù)熱階段；初始熔池形成后，利用槽氧狹縫噴出的連續(xù)強(qiáng)氧氣流以一定角度沖擊熔池，同時(shí)鋼坯相對(duì)于清理機(jī)水平移動(dòng)，隨著板坯移動(dòng)并穿過(guò)火焰清理機(jī)，鋼表面上一小層被除去，因此這一層中的鋼缺陷也被除去了，稱(chēng)之為清理階段。板坯相對(duì)于火焰清理機(jī)移動(dòng)，移動(dòng)速度越低，被清理深度越大，反之亦然。

火焰清理單元是火焰清理機(jī)產(chǎn)生高速射流的實(shí)用部件，通常稱(chēng)之為“燒嘴”。燒嘴結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由燒嘴底座、上預(yù)熱塊、下預(yù)熱塊和靴塊四個(gè)主要部分組成。底座與分配器直接相連，包含所有四排燃?xì)馔ǖ篮脱鯕馔ǖ馈Ｉ项A(yù)熱塊包含一排燃?xì)馔ǖ篮鸵慌叛鯕馔ǖ?，用?lái)提供預(yù)熱階段的非預(yù)混燃燒火焰。下預(yù)熱塊包含了另一排燃?xì)馔ǖ?。清理用氧則在清理單元外面的插槽中流動(dòng)，插槽位于上預(yù)熱塊和下預(yù)熱塊之間。在清理過(guò)程中靴塊直接架在鋼材上以保持清理用氧插槽出口和鋼材之間的距離為定值。還有水通道用以冷卻火焰清理單元。本文所研究的清理單元為272 mm寬，橫向上每個(gè)通道共有9組進(jìn)口，對(duì)應(yīng)的隔柵也分為9段，每組出口包含5個(gè)噴嘴，即每個(gè)通道有9個(gè)進(jìn)口和45個(gè)出口。一臺(tái)火焰清理機(jī)具有8個(gè)清理單元以覆蓋整個(gè)板坯，清理單元彼此相鄰且在板坯上形成一個(gè)面。

圖1 火焰清理單元結(jié)構(gòu)示意圖

為了計(jì)算方便，將單個(gè)燒嘴作為研究對(duì)象，抽出氣體流通區(qū)域建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。計(jì)算模型由三部分組成：上預(yù)熱氧氣、上預(yù)熱燃?xì)?、下預(yù)熱氧氣、下預(yù)熱燃?xì)馑呐艢怏w通道，自由射流空間，鋼坯沖擊表面。在計(jì)算中，氣體通道入口采用壓力入口邊界條件。自由射流空間的上表面和前后表面采用壓力出口邊界條件，兩個(gè)側(cè)面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)面。射流空間底部為目標(biāo)鋼坯面，設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型示意圖

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 網(wǎng)格模型

對(duì)控制體進(jìn)行離散求解，首先要對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)整個(gè)計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格結(jié)合的劃分方法，如圖3所示。多排多孔射流從燒嘴噴出進(jìn)入自由射流空間，射流在空間發(fā)展規(guī)律和鋼坯表面上的沖擊特性十分重要。為了提高計(jì)算精度，自由射流空間全部采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，總網(wǎng)格量達(dá)到了70萬(wàn)。對(duì)于氣體管道部分，流體在管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)出口的影響不大，為了減少網(wǎng)格量，提高計(jì)算效率，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，總網(wǎng)格量達(dá)到了90萬(wàn)。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

2.2 控制方程

假定火焰清理過(guò)程產(chǎn)生的氣體流動(dòng)是穩(wěn)定、粘性的可壓縮流動(dòng)，氣流在流動(dòng)過(guò)程中忽略質(zhì)量力的作用?；诶字Z時(shí)均方法，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行迭代求解。三維非穩(wěn)態(tài)可壓縮流動(dòng)的連續(xù)性方程的具體形式如下：

(1)

動(dòng)量方程的形式如下：

(2)

(3)

能量方程的表達(dá)式為

(4)

湍流模型是為了封閉離散的控制方程而進(jìn)行的工程近似，本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行數(shù)值求解。忽略由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能Gb，其湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能擴(kuò)散率方程如下

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

其中，Gb為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能，YM為由可壓縮流過(guò)渡擴(kuò)散而產(chǎn)生的湍流波動(dòng)，C1、C2為常數(shù)，σk和σε分別是k方程和ε方程中的湍流Prandtl數(shù)。

2.3 數(shù)值細(xì)節(jié)

本文數(shù)值計(jì)算采用有限體積法(Finite Volume Method, FVM)對(duì)計(jì)算域進(jìn)行空間離散：將計(jì)算域劃分為一系列連續(xù)不重疊的控制體，使每個(gè)控制體包圍一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，然后待解控制方程對(duì)每一個(gè)控制體進(jìn)行積分求解，相比于其他數(shù)值算法具有更高的計(jì)算效率。考慮到計(jì)算的精確性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，該火焰清理過(guò)程的氣體流動(dòng)采用基于壓力求解器的耦合算法，空間離散采用二階迎風(fēng)格式，氣流的速度-壓力修正選擇SIMPLE算法。為了減小近壁面粘性底層的網(wǎng)格要求，采用標(biāo)準(zhǔn)避免函數(shù)法進(jìn)行近似，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高雷諾數(shù)沖擊射流沿壁面的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。數(shù)值計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為10-4s。

3 結(jié)果分析

3.1 空間流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析

預(yù)熱階段的主要任務(wù)是形成熔池，在此工況下，上預(yù)熱塊中燃?xì)夂脱鯕饬髁枯^大。噴射出的燃?xì)夂脱鯕獬浞只旌喜⑶已杆偃紵?，燃燒所產(chǎn)生的熱量用來(lái)加熱鋼坯表面的一個(gè)局部區(qū)域，使其溶化并形成初始熔池，為清理階段做好準(zhǔn)備。清理階段時(shí)，下預(yù)熱塊開(kāi)始起主要作用，下預(yù)熱塊的燃?xì)馀c氧氣流量較大，金屬熔化放熱使鋼坯表層繼續(xù)熔化，已經(jīng)足夠維持清理過(guò)程的進(jìn)行，加上下預(yù)熱塊氧氣槽的流量顯著加大，推進(jìn)熔池迅速擴(kuò)張。圖4所示為清理階段和預(yù)熱階段下的速度場(chǎng)分布。圖中所截平面為燒嘴的中心切面，也就是45個(gè)平行布置的多孔射流中最中心的射流截面，這個(gè)平面的流場(chǎng)最具代表性。預(yù)熱工況下，速度較大的區(qū)域主要集中在上預(yù)熱塊出口；清理工況下，速度較大的區(qū)域主要集中在下預(yù)熱塊出口。燃?xì)夂脱鯕獬隹谏淞鬟M(jìn)入自由射流空間后逐漸擴(kuò)散，但到達(dá)鋼坯表面上仍然具有較大速度。

射流具有卷吸周?chē)黧w的作用，當(dāng)兩股射流距離較近時(shí)，射流中間區(qū)域會(huì)由于卷吸作用形成負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)致兩股射流不得不相互靠攏并吸附在一起，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為射流康達(dá)效應(yīng)。當(dāng)平行布置的射流數(shù)量增多時(shí)，多股射流康達(dá)效應(yīng)的相互作用更為復(fù)雜。圖5所示為平行多孔射流出口截面的速度分布云圖。從圖中可以看出，45個(gè)噴嘴出口形成了明顯的射流。燃?xì)夂脱鯕馍淞鞯拿慷胃魱艑?duì)應(yīng)的5個(gè)噴嘴中，中心噴嘴射流速度最大，與其相鄰的兩側(cè)的氣體射流速度較小。隨著煤氣運(yùn)動(dòng)距離的增加，氣體出現(xiàn)明顯的摻混現(xiàn)象。平均來(lái)看，每5股射流合并稱(chēng)為一股強(qiáng)射流，作用在鋼坯表面上的沖擊深度也必定會(huì)大于附近射流。可以看出，接近鋼坯表面的交線附近速度輪廓呈明顯的不均勻分布，這在一定程度上反應(yīng)鋼坯表面壓力分布不均勻的情況，最終導(dǎo)致清理溝痕的形成。也就是說(shuō)，清理溝痕從根本上是由多孔射流康達(dá)效應(yīng)引起的。

圖4 火焰清理過(guò)程不同工況下氣流速度分布

圖5 平行多孔射流出口截面速度分布

3.2 射流沖擊溝痕分析

燒嘴是自動(dòng)火焰清理機(jī)的核心部件，對(duì)清理鋼坯表面質(zhì)量有直接作用。根據(jù)沖擊溝痕的產(chǎn)生機(jī)理，燒嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)改善射流流場(chǎng)分布以及沖擊特性有重要影響，噴嘴臺(tái)階高度、導(dǎo)流板角度和射流方向是三個(gè)最重要的結(jié)構(gòu)因素，如圖6所示。

圖6 燒嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

本文分析了四種不同導(dǎo)流板角度和射流方向的燒嘴下預(yù)熱塊結(jié)構(gòu)，近鋼坯表面的速度分布如圖7所示。平行布置的45股多孔射流在空間流場(chǎng)會(huì)發(fā)生復(fù)雜的相互作用，出現(xiàn)射流合并現(xiàn)象。幾股射流合并為一股強(qiáng)射流，其動(dòng)量和能量會(huì)顯著增加，靠近鋼坯表面的速度也更大，會(huì)對(duì)鋼坯表面產(chǎn)生較大的沖擊剪切力，從而形成沖擊溝痕的“溝谷”。相反地，在兩股合并射流之間位置，由于射流的卷吸作用，氣流強(qiáng)度較小，產(chǎn)生的沖擊強(qiáng)度也就較小，從而形成溝痕的“溝峰”。在鋼坯表面的徑向方向上，溝谷、溝峰不同的沖擊強(qiáng)度會(huì)使火焰清理鋼坯表面形成不均勻的金屬去除率，影響產(chǎn)品質(zhì)量。從圖中可以看出，不同的導(dǎo)流板角度和射流方向?qū)︿撆鞅砻嫫秸扔休^大影響，第2種燒嘴結(jié)構(gòu)的沖擊溝痕較為平整。說(shuō)明射流方向應(yīng)當(dāng)與噴嘴出口端面垂直，而導(dǎo)流板角度應(yīng)適當(dāng)，不宜使射流過(guò)度摻混也不宜抑制射流流動(dòng)發(fā)展。

圖8所示為四種不同燒嘴結(jié)構(gòu)的沖擊射流在近鋼坯表面徑向方向上的速度分布曲線。首先，速度曲線的最大、最小值相差越小，說(shuō)明溝峰、溝谷的差異也就越小，平整度越好。第二，溝痕的數(shù)量越少，說(shuō)明沖擊強(qiáng)度越均勻，鋼坯表面平整度也就越好。從圖中可以看到，第2種燒嘴結(jié)構(gòu)的沖擊溝痕較好。由于射流合并的固有特性無(wú)法改變，要徹底消除沖擊溝痕幾乎是不可能的，但可以通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)改善火焰清理溝痕的分布。

圖9所示為第1種燒嘴結(jié)構(gòu)下的不同臺(tái)階高度的鋼坯表面壓力分布云圖。近鋼坯表面的沖擊速度越大，表面壓力也就越大，因此，沖擊速度和表面壓力是直接關(guān)聯(lián)的。從圖中可以看到，除了沖擊強(qiáng)度大小不同，四種臺(tái)階高度的溝痕徑向分布比較相似，其溝痕數(shù)量、溝痕出現(xiàn)位置和峰谷波動(dòng)差異大致相同。不同臺(tái)階高度會(huì)影響射流在空間發(fā)展中的合并程度，臺(tái)階高度越大，多孔射流相互作用越充分；但相反地，射流流動(dòng)長(zhǎng)度的增加會(huì)引起更大的能量耗散，抵達(dá)鋼坯表面的沖擊力也顯著減小。說(shuō)明射流合并規(guī)律主要是由結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的，在空間上的流動(dòng)長(zhǎng)度不會(huì)引起射流合并出現(xiàn)位置的變化，只會(huì)影響射流合并的程度。

圖7 不同燒嘴結(jié)構(gòu)近鋼坯表面的速度分布

圖8 近鋼坯表面沖擊特征位置徑向速度分布曲線

圖9 不同臺(tái)階高度的鋼坯表面壓力分布曲線

4 結(jié)論

(1)火焰清理溝痕本質(zhì)上是由平行多孔射流康達(dá)效應(yīng)引起的，射流合并現(xiàn)象導(dǎo)致射流在鋼坯表面上的沖擊強(qiáng)度不均，從而產(chǎn)生“壟溝”狀清理溝痕。

(2)為了改善沖擊溝痕狀況，射流方向應(yīng)與噴嘴出口端面垂直，而導(dǎo)流板角度要適當(dāng)，不宜使射流過(guò)度摻混也不宜抑制射流發(fā)展。

(3)噴嘴臺(tái)階高度主要影響射流沖擊強(qiáng)度和溝痕深度，而對(duì)溝痕的徑向分布規(guī)律影響較小。

(4)徹底消除鋼坯表面的火焰清理溝痕幾乎是不可能的，但可以通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)大大改善溝痕分布，提高表面平整度。