趙 鵬 周蘭花

*(山東建筑大學，材料科學與工程學院，濟南250101)?(攀枝花學院釩鈦學院，四川攀枝花617000)

連鑄結晶器是連鑄機最重要的設備之一，其內部鋼液流動狀況過程直接影響著連鑄機的生產率和鑄坯質量。不合理的流場將引起表面流速過大，彎月面湍動加劇，容易導致卷渣，使夾雜物及氣泡易被凝固坯殼捕捉而影響連鑄機順行和鑄坯質量[1-2]。隨著連鑄鋼水潔凈度控制水平不斷提高，連鑄過程對結晶器內工藝條件控制越來越精準，而高拉速下結晶器內卷渣問題越來越受到重視。關于結晶器內卷渣現(xiàn)象，研究者通過高速攝像機、專業(yè)圖像處理軟件分析卷渣過程、渣滴在連續(xù)相中存在的形態(tài)及其乳化現(xiàn)象，獲得影響結晶器內卷渣主要參數(shù)。日本長野工業(yè)鋼鐵公司研究了結晶器液面波動、表面流速等對結晶器卷渣的影響，通過F數(shù)評價結晶器內鋼渣混卷情況，其計算公式如下所示[3]其中，變量ρ、Q、θ、V、D分別為鋼水的密度、流量、沖擊窄面傾角、速度、沖擊點距離自由液面的距離。研究表明：F數(shù)在3～5 時，即可以將液面控制在±(3 ～5)mm 的合理范圍內，結晶器內鋼水卷渣最不容易發(fā)生。結晶器內卷渣主要是因為在浸入式水口附近兩側流股和湍動能作用形成的。結晶器內卷渣方式主要有剪切、表面回流、氣泡沖擊、乳化等形式，在實際連鑄過程，連鑄機拉速、浸入式水口浸入深度、浸入式水口形狀(出口形狀、傾角、內部結構)以及保護渣物理化學性質(密度、黏度、界面張力)均會對結晶器內卷渣過程產生影響[4]。通過優(yōu)化連鑄工藝、浸入式水口參數(shù)，如降低拉速、增大浸入式水口浸入深度等可以有效減少或消除旋渦卷渣現(xiàn)象。

理解結晶器內復雜的流動狀況、不同形式的卷渣機制，有利于學生掌握連鑄生產過程。但是，冶金流體力學課程開設在大二下學期，學生沒有直觀印象，不容易理解，學生只能被動接受冶金流體力學知識，學生這門課程學習效果不佳。為保證學生深入并充分掌握冶金過程工藝相關知識，本文把實驗過程和數(shù)值模擬相結合方法應用于課堂教學。一方面，通過結晶器內卷渣實驗，讓學生實實在在地觀察到模型內不同流動狀態(tài)、渣層波動和渣滴運動過程；另一方面，將計算流體動力學引入教學，讓學生接觸工程流體力學前沿發(fā)展，增強學習效果。目前，己經有很多教學人員做過相關探索[5-8]。然而單一知識點的計算流體動力學算例講解過于抽象。本研究建立結晶器內流動和卷渣現(xiàn)象模型裝置，并以Fluent 軟件模擬連鑄過程卷渣過程的多相流過程。實驗與模擬結合有助于理解結晶器內卷渣過程，既增加學生的動手實踐能力，又能加深對抽象概念和方程的理解，為學生學習后續(xù)冶金相關專業(yè)課程奠定扎實的理論基礎。

1 實驗設計

1.1 相似理論

冶金流體力學實驗應遵循相似原理和準則。相似理論分為完全相似和局部相似。完全相似是指滿足兩流動現(xiàn)象相似的全部動力相似準則，這在實踐中是很難做到的。在連鑄結晶器水模型實驗中，主要考慮幾何相似、動力相似、界面相似。結晶器內鋼液界面張力、黏性力較小，鋼液流動狀態(tài)主要受到慣性力和重力的影響。

1.2 實驗模擬

連鑄結晶器廣泛應用工業(yè)、鋼鐵、冶金等行業(yè)，生產實際中的結晶器設備復雜。為了讓學生直觀了解連鑄結晶器內卷渣過程，建立比例為1～2 結晶器水模型實驗裝置。水模裝置主要有中間包模型、結晶器模型、浸入式水口、供水系統(tǒng)及其附屬設備(水泵和流量計)等，其中水模型和浸入式水口由透明的有機玻璃制成。水的動力黏度與鋼液相近，實驗中通過水、油分別模擬鋼液和渣層，并使用高速攝影儀記錄渣層波動形態(tài)、卷渣形貌和裸露渣眼。連鑄結晶器內流動和卷渣現(xiàn)象裝置如圖1所示。

圖1 連鑄結晶器卷渣過程實驗裝置

圖2 顯示不同時刻結晶器模擬裝置內渣層波動和卷渣瞬態(tài)過程。水泵開啟前渣層均勻分布在液面上。0.6 s 后，浸入式水口出口處的射流向上沖擊窄壁面處渣層，渣層波動明顯。0.8 s 后，向上流動由于重力作用變成水平回流(horizontal back-flow)使得窄壁面附近渣層向浸入式水口方向移動，裸露“渣眼”(液態(tài)渣未覆蓋區(qū)域)區(qū)域形成。1.4 s 后，渣層下部形成堆積區(qū)域，渣層波動劇烈，渣滴從“手指狀”凸起部位分離，并隨著流體一起運動而卷入熔池內部，其中部分渣滴上浮被渣層重新吸附。

圖2 結晶器水模型內渣層波動與瞬態(tài)卷渣

2 數(shù)學模擬

2.1 數(shù)學模型

描述界面波動數(shù)值方法有：水平集方法(level set method, LSM)、體積函數(shù)方法(volume of fluid,VOF)等。水平集方法主要思想是將運動界面定義為一個函數(shù)的零等值面(線)，通過追蹤水平集函數(shù)來追蹤流體界面；體積函數(shù)方法通過將運動界面在空間網(wǎng)格內定義成一個流體體積函數(shù)，并構造這種流體體積函數(shù)的方程來追蹤界面的位置、形狀和變形方向。在數(shù)值模擬的建模過程中涉及連續(xù)性方程和動量方程等，對于這些復雜的方程形式，學生需要具備一定的數(shù)學基礎才能理解其求解過程。本文通過體積函數(shù)方法模擬連鑄結晶器內卷渣過程的多相流問題，使得學生加深對數(shù)值模擬過程的理解。

2.2 數(shù)值結果

數(shù)值模擬結果可給出更多的流場和流動信息，這樣更加有利于學生對流動現(xiàn)象的認識。圖3 顯示結晶器中心平面的速度矢量圖和漩渦分布特征，圓圈部分表示為產生的漩渦。從圖中可以看出，結晶器內產生的漩渦呈現(xiàn)非對稱分布。兩側的射流尾端上下擺動，在浸入式水口與壁面的中間位置形成了大小不等漩渦，從而導致結晶器內流場的變化。浸入式水口兩側出口的射流影響了結晶器內流場和漩渦的產生。

圖3 結晶器內中心平面的速度矢量和漩渦分布特征

連鑄的拉速是影響結晶器液面波動和卷渣的主要因素。圖4 比較不同拉速下實驗卷渣和計算結果，其中圖4(a)～圖4(c)和圖4(d)～圖4(f)分別是實驗模擬與計算結果，結果表明：渣層運動過程和計算結果吻合較好，多相流模型可以較好預測實驗過程中多相流流動現(xiàn)象。拉速為0.9 m/min，流股不能穿透結晶器窄壁附近渣膜。此時，水模實驗和計算過程都沒有卷渣現(xiàn)象；拉速增加后，拉速為1.3 m/min時，由于射流以較大動量沖擊結晶器窄壁面處渣層，使得卷渣現(xiàn)象發(fā)生，其中部分渣滴又重新上浮被渣層吸附；當拉速增加到1.7 m/min 時，渣層大部分聚集在浸入式水口附近，渣層波動劇烈，渣滴脫離渣層被卷入到熔池深處。通過卷渣實驗和數(shù)值模擬加深學生對連鑄過程結晶器內瞬態(tài)卷渣過程理解，高拉速結晶器會引起渣層波動劇烈，容易發(fā)生卷渣現(xiàn)象。

為了提高鑄坯的質量，必須控制裸露結晶器上部裸露“渣眼”區(qū)域的形成。為了更好地觀察結晶器“渣眼”區(qū)域變化，通過數(shù)學模擬方法研究不同拉速下裸露“渣眼”區(qū)域“開啟”和“關閉”變化過程。圖5顯示裸露“渣眼”變化過程，其中黃色區(qū)域是渣層覆蓋的區(qū)域，空白區(qū)域是“渣眼”區(qū)域。從圖中看出，隨著拉速增加，裸露“渣眼”開始出現(xiàn)，裸露“渣眼”區(qū)域擴大，并且從窄壁面附近逐漸向浸入式水口移動。浸入式水口左右兩側裸露的“渣眼”呈現(xiàn)非對稱、不規(guī)則的變化特征。

圖4 不同拉速下實驗卷渣和計算結果

圖5 結晶器內卷渣過程“渣眼”區(qū)域變化

3 結束語

本文提出在冶金工程流體力學教學中引入實驗和數(shù)值模擬方法提高教學效果。結合專業(yè)背景，通過實驗觀測、理論分析及數(shù)值模擬的綜合案例，分析渣層波動和“渣眼”區(qū)域變化過程，既能鍛煉學生的實驗動手能力，又可使其初步掌握數(shù)值模擬分析的方法。通過本次探索取得了較好的效果，為學生從事冶金工作和科研奠定較好基礎。