趙 鵬， 周蘭花， 曾富洪

（1．山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南250101；2．攀枝花學(xué)院釩鈦學(xué)院，四川攀枝花617000）

0 引 言

連鑄結(jié)晶器是連鑄機(jī)的核心構(gòu)件，其內(nèi)部鋼液流動(dòng)狀態(tài)直接影響著連鑄機(jī)的生產(chǎn)率和鑄坯質(zhì)量。不合理的流場(chǎng)將引起表面流速過大，彎月面波動(dòng)加劇，容易導(dǎo)致卷渣發(fā)生，或者對(duì)凝固殼的沖擊過大，使夾雜物及氣泡易被凝固坯殼捕獲而影響連鑄機(jī)順行和鑄坯質(zhì)量［1-2］。因?yàn)閷?shí)際連鑄過程是連續(xù)高溫生產(chǎn)過程，學(xué)生到連鑄車間實(shí)習(xí)過程中，生產(chǎn)過程不允許改變工藝參數(shù)，使得學(xué)生專業(yè)實(shí)習(xí)效果不理想。為彌補(bǔ)專業(yè)實(shí)踐不足，讓學(xué)生更深入理解和掌握該課程的相關(guān)知識(shí)，提出實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)值模擬相結(jié)合方法應(yīng)用于課堂教學(xué)。實(shí)驗(yàn)過程可以提高可操作性和直觀性，提高學(xué)生對(duì)鋼鐵冶金連鑄過程工藝的理解。同時(shí)，通過數(shù)值模擬深入理解結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象，更好理解結(jié)晶器內(nèi)多相傳輸過程。然而，結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)值模擬在目前冶金工程流體力學(xué)課堂教學(xué)中的相關(guān)報(bào)道不多［3-5］。本研究建立模擬結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)和卷渣過程裝置，通過數(shù)學(xué)模型研究結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)和卷渣過程“渣眼”區(qū)域變化。實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)值模擬相結(jié)合可以增加學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，加深學(xué)生對(duì)數(shù)值模型的理解，為后續(xù)冶金相關(guān)專業(yè)課程學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)。

1 連鑄結(jié)晶器冶金特性

結(jié)晶器在鑄坯質(zhì)量方面起著重要作用，也是控制鋼水純凈度最后環(huán)節(jié)。連鑄結(jié)晶器作用起到鋼液凈化、質(zhì)量控制、傳熱凝固以及凝固成形等作用［6-7］，見圖1。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)結(jié)晶器水模設(shè)備主要包括結(jié)晶器水模型、浸入式水口（SEN）、泵、流量計(jì)以及相關(guān)配套管路。結(jié)晶器水模型根據(jù)實(shí)際結(jié)晶器1∶2比例制作水模型，為使學(xué)生更好觀察水模型內(nèi)部流動(dòng)現(xiàn)象，材質(zhì)采用透明有機(jī)玻璃。為了保證結(jié)晶器下部出口流動(dòng)充分發(fā)展，減少底部出口對(duì)流體影響，水模型高度為實(shí)際結(jié)晶器高度的2倍。連鑄結(jié)晶器水模型實(shí)驗(yàn)過程：通過泵把水從底部盛水桶抽進(jìn)管路，通過變頻器調(diào)節(jié)泵的輸出功率而改變進(jìn)水流量，從而實(shí)現(xiàn)水流循環(huán)。結(jié)晶器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。

圖1 連鑄結(jié)晶器內(nèi)多相傳輸過程

2 連鑄結(jié)晶器水模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 結(jié)晶器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

鋼液從浸入式水口流出，可能會(huì)導(dǎo)致3種流動(dòng)模型［8］：雙循環(huán)，單個(gè)循環(huán)和非穩(wěn)態(tài)，這可能是由于連鑄過程中結(jié)晶器的寬度、氬氣吹入流量和浸入式水口浸入深度等原因造成的［9］。結(jié)晶器內(nèi)射流以較高速度沖擊窄壁面分成了兩部分流股：一部分沖擊熔渣層，另一部分流向熔池深池部，形成“雙循環(huán)區(qū)”模式（包括上下循環(huán)流）。當(dāng)存在高流量氬氣、較小寬面和較淺浸入深度，水口流出的鋼液先沖擊彎月面，然后沿著壁面流向熔池深部，此時(shí)結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)模式從“雙輥”變?yōu)椤皢屋仭蹦Ｊ?。然而，由于連鑄結(jié)晶器操作條件變化而發(fā)生改變，流動(dòng)模式既不是“雙循環(huán)”也不是“單循環(huán)”模式，實(shí)際連鑄結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)過程呈現(xiàn)出“非穩(wěn)態(tài)”模式［10-11］。

為了捕獲結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流型，在水口上部加入墨汁顯示流動(dòng)的流型，并通過高速攝影儀進(jìn)行記錄。圖3顯示不同時(shí)刻內(nèi)連鑄結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)過程：注入墨水0．8 s后，射流由水口兩個(gè)出口射出；1．5 s后，射流運(yùn)動(dòng)到窄面后沖擊窄面后的射流分成上下兩個(gè)流股；3 s后，向上的流股到彎月面后流向水口，另一流股沿窄壁面向下運(yùn)動(dòng)。為使學(xué)生更深入觀察結(jié)晶器水模型內(nèi)流型變化過程，通過改變水流量、水口深度等操作參數(shù)來觀察結(jié)晶器流動(dòng)變化過程。

圖3 連鑄結(jié)晶器水模型瞬態(tài)流動(dòng)過程

3 結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)數(shù)值模擬

湍流是多尺度、有結(jié)構(gòu)、不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，是工程領(lǐng)域中十分普遍的流動(dòng)現(xiàn)象。湍流的數(shù)值模擬方法可以依據(jù)解析的尺度分為：雷諾平均Navier-Stokes（RANS）、直接數(shù)值模擬（Direct Numerical Simulation，DNS）方法和大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）方法［12-13］。本研究通過LES模型模擬結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)為例，通過過濾N-S方程求解大尺寸的湍流，并對(duì)小尺寸的湍流進(jìn)行亞格子尺度（Sub-Grid Scale，SGS）模擬。為了說明結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)過程和驗(yàn)證數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)流動(dòng)模式的準(zhǔn)確性，圖4顯示相同條件下結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)過程計(jì)算結(jié)果。從圖中看出，結(jié)晶器內(nèi)射流呈現(xiàn)“樓梯狀”振蕩特征，射流運(yùn)動(dòng)過程與圖3水模實(shí)驗(yàn)觀察到現(xiàn)象相吻合。通過LES模型分析結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)變化，數(shù)學(xué)模型可以較好預(yù)測(cè)結(jié)晶器流型變化過程，使學(xué)生更深入理解連鑄結(jié)晶器內(nèi)復(fù)雜流型變化過程。

圖4 不同時(shí)刻結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)過程計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)晶器內(nèi)漩渦數(shù)值模擬

結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)變化流場(chǎng)，尤其射流振蕩行為導(dǎo)致了結(jié)晶器內(nèi)非對(duì)稱流場(chǎng)和旋渦產(chǎn)生。圖5顯示了結(jié)晶器中心平面上速度矢量圖，圖中圓圈表示產(chǎn)生的漩渦。從圖中可見，結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)速度分布不均勻，呈現(xiàn)出非對(duì)稱變化。40 s時(shí)，左側(cè)射流直接沖擊結(jié)晶器窄壁，在結(jié)晶器窄壁面附近形成了旋渦；55 s時(shí)，水口兩側(cè)射流尾端上下擺動(dòng)，在水口與結(jié)晶器壁面中間位置就形成了大量的旋渦；70 s時(shí)，右側(cè)的射流直接沖擊結(jié)晶器壁面，在壁面附近產(chǎn)生了漩渦。結(jié)晶器內(nèi)射流行為導(dǎo)致了結(jié)晶器內(nèi)非對(duì)稱流型的變化和旋渦的形成。通過數(shù)學(xué)模型更好彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)過程觀察不足，使學(xué)生更深入理解結(jié)晶器內(nèi)射流行為。

5 結(jié)晶器內(nèi)卷渣過程

5.1 “渣眼”變化

圖5 結(jié)晶器中心面上射流振蕩行為和漩渦形成過程

結(jié)晶器彎月面處覆蓋保護(hù)渣可以保證連鑄坯和結(jié)晶器壁面之間良好潤(rùn)滑、傳熱效果。結(jié)晶器液面速度過大容易造成鋼渣混卷，形成裸露“渣眼”區(qū)域；結(jié)晶器內(nèi)吹入氬氣量過大，可能造成“渣眼”區(qū)域形成，而“渣眼”區(qū)域變化會(huì)顯著影響結(jié)晶器保護(hù)渣的熔化、傳熱和潤(rùn)滑效果［14-16］。多相模型是一種理想的模擬自由界面運(yùn)動(dòng)模型，其通過將運(yùn)動(dòng)界面在空間網(wǎng)格內(nèi)定義成一個(gè)流體體積函數(shù)，并構(gòu)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。本研究采用多相模型研究連鑄卷渣過程中裸露“渣眼”變化，考察連鑄拉速、水口浸入深度和渣層厚度對(duì)裸露“渣眼”區(qū)域和平均面積的影響。

圖6所示為水口浸入深度90 mm、渣層厚度20 mm、拉速為1．3 m／min時(shí)裸露“渣眼”變化過程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果。黃色區(qū)域是渣層覆蓋的區(qū)域，實(shí)線標(biāo)記區(qū)域是“渣眼”區(qū)域。實(shí)驗(yàn)過程中兩側(cè)裸露的“渣眼”區(qū)域呈現(xiàn)非對(duì)稱、不規(guī)則的變化，如圖6（a）所示；結(jié)晶器窄壁面兩側(cè)的“渣眼”也呈現(xiàn)了“開啟”和“閉合”非對(duì)稱變化特征，如圖6（b）所示。

圖6 拉速1．3 m／min時(shí)結(jié)晶器內(nèi)“渣眼”區(qū)域

隨著拉速增加，裸露“渣眼”區(qū)域開始出現(xiàn)，并且從結(jié)晶器窄壁面附近向水口方向移動(dòng)，“渣眼”區(qū)域擴(kuò)大。圖7所示為相同條件下拉速為1．7 m／min時(shí)“渣眼”變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)過程看，與拉速1．3 m／min相比，“渣眼”區(qū)域附近發(fā)現(xiàn)油渣乳化現(xiàn)象，而且裸露“渣眼”區(qū)域處于“打開”狀態(tài)，這是由于高速回流導(dǎo)致渣層聚集在水口附近。

圖7 拉速1．7 m／min時(shí)結(jié)晶器內(nèi)“渣眼”區(qū)域

5.2 工藝條件對(duì)“渣眼”區(qū)域的影響

當(dāng)水口浸入深度和渣層厚度恒定時(shí)，拉速對(duì)結(jié)晶器內(nèi)“渣眼”區(qū)域影響顯著。圖8所示為水口浸入深度90 mm、渣層厚度20 mm條件下，不同拉速下裸露“渣眼”區(qū)域的平均面積。隨著拉速的提高，拉速從1．3 m／min 提高到1．7 m／min，“渣眼”面積從40 cm2增加到了130 cm2。

圖8 拉速對(duì)結(jié)晶器內(nèi)“渣眼”區(qū)域平均面積的影響

當(dāng)拉速和渣層厚度恒定時(shí)，水口浸入深度影響流動(dòng)模式及湍流動(dòng)能分布，進(jìn)而影響“渣眼”區(qū)域變化。圖9顯示拉速為1．3 m／min，渣層厚度為20 mm時(shí)，不同水口浸入深度下“渣眼”區(qū)域的平均面積。隨著水口浸入深度的增加，“渣眼”平均面積減小。水口浸入深度60 mm，“渣眼”區(qū)域達(dá)到約為120 cm2。水口浸入深度為90 mm時(shí)，其平均面積減小到40 cm2。

當(dāng)拉速和水口浸入深度恒定時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)的射流和流動(dòng)模式也基本一致，渣層厚度對(duì)“渣眼”變化影響不明顯。圖10顯示拉速為1．3 m／min，水口浸入深度為90 mm時(shí)，渣層厚度為10 mm，裸露“渣眼”區(qū)域的平均面積約為50 cm2；渣層厚度達(dá)到30 mm時(shí)，其平均面積僅減小到30 cm2。

圖9 水口浸入深度對(duì)“渣眼”區(qū)域平均面積的影響

圖10 渣層厚度對(duì)“渣眼”區(qū)域平均面積的影響

6 結(jié) 語

在冶金工程流體力學(xué)教學(xué)中引入實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法可提高教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容形象化、時(shí)空化，具有較好教學(xué)效果。同時(shí)，結(jié)晶器數(shù)學(xué)模擬可以加深學(xué)生對(duì)于結(jié)晶器內(nèi)復(fù)雜多相流場(chǎng)和卷渣過程的理解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高課堂學(xué)習(xí)效率，滿足課程學(xué)習(xí)的需要。