板坯連鑄結(jié)晶器吹氬工藝參數(shù)優(yōu)化

楊雪萍，李光強(qiáng)，饒江平，楊治爭

(1.武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；3.武漢鋼鐵股份有限公司煉鋼總廠，湖北 武漢，430083；4.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，湖北 武漢，430080)

板坯連鑄結(jié)晶器吹氬工藝參數(shù)優(yōu)化

楊雪萍1,2，李光強(qiáng)1,2，饒江平2,3，楊治爭2,4

(1.武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；3.武漢鋼鐵股份有限公司煉鋼總廠，湖北 武漢，430083；4.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，湖北 武漢，430080)

摘要：采用流體體積 (VOF)方法和拉格朗日離散模型建立了反映230 mm×1100 mm板坯連鑄結(jié)晶器吹氬過程中鋼液、熔渣和氬氣氣泡流動行為的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值模擬方法研究吹氬量、拉坯速度和水口浸入深度等工藝參數(shù)對結(jié)晶器內(nèi)鋼/渣界面行為特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明，吹氬會明顯加劇水口附近的鋼/渣界面波動，選擇合適的拉坯速度能有效降低該處的界面波動幅度，同時吹氬有利于減緩結(jié)晶器彎月面處的液面波動，可在一定程度上達(dá)到穩(wěn)定鋼/渣界面的目的。從16種工藝配置方案中優(yōu)化出該結(jié)晶器的最佳吹氬工藝參數(shù)為：拉坯速度1.2 m/min，吹氬量9 L/min，水口浸入深度120 mm。

關(guān)鍵詞：結(jié)晶器；吹氬；板坯連鑄；鋼液流動；鋼/渣界面；數(shù)值模擬；參數(shù)優(yōu)化

結(jié)晶器浸入式水口吹氬是目前廣泛應(yīng)用于板坯連鑄生產(chǎn)的工藝技術(shù)之一，其通常由塞棒或滑板向浸入式水口中吹氬，以防止水口內(nèi)壁結(jié)瘤造成堵塞，同時氬氣在結(jié)晶器中上浮還能攪動鋼液，促進(jìn)鋼中夾雜物上浮，均勻鋼液成分和溫度。但如果工藝參數(shù)設(shè)置不合理，氬氣泡及其黏附的非金屬夾雜不能及時上浮，將會滯留在鑄坯內(nèi)形成氣孔缺陷，且由于氬氣泡從保護(hù)渣層逸出導(dǎo)致結(jié)晶器液面波動加劇，極易造成保護(hù)渣卷入鋼液被凝固坯殼捕捉，從而導(dǎo)致板坯表面缺陷，嚴(yán)重影響鋼產(chǎn)品質(zhì)量[1-2]。因此，國內(nèi)外已有大量的研究工作圍繞氬氣泡在結(jié)晶器中的運(yùn)動規(guī)律及其對結(jié)晶器內(nèi)流場的綜合影響而展開。例如，文獻(xiàn)[3]主要采用物理模擬方法分析了吹氬量和拉坯速度對氬氣的氣泡分布及通過氣泡吸附去除夾雜的影響；文獻(xiàn)[4]采用物理模擬和數(shù)值模擬兩種方法研究了浸入式水口傾角、拉坯速度、吹氬量對氣泡的穿透深度、氣泡橫向分布和氣流噴射角的影響；文獻(xiàn)[5-6]采用多相流模型計(jì)算了吹氬后結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場、溫度場及氬氣的分布特征；文獻(xiàn)[7-10]主要采用物理模擬方法研究了吹氬過程中連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動行為，分析了水口浸入深度、水口傾角、拉坯速度、吹氬量等參數(shù)對連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動行為及鋼渣自由液面的影響。本文則針對某鋼廠230 mm×1100 mm板坯連鑄結(jié)晶器澆注時存在的因夾雜造成改判率較高的問題，采用數(shù)值模擬方法利用FLUENT軟件研究了吹氬量、拉坯速度、水口浸入深度等參數(shù)對結(jié)晶器內(nèi)鋼/渣界面波動的影響，以期為吹氬工藝參數(shù)的合理設(shè)置提供參考。

1數(shù)學(xué)模型

1.1模型假設(shè)

為便于建立數(shù)學(xué)模型，假設(shè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動為三維瞬態(tài)不可壓縮黏性流動；忽略已凝固坯殼和結(jié)晶器振動對鋼液流動的影響；忽略結(jié)晶器壁的傾斜效果；忽略氣泡間的相互作用力(即不考慮氣泡破裂和碰撞過程)，氣泡尺寸保持不變。

1.2控制方程

(1)流體體積函數(shù)模型

采用流體體積 (volume of fluid，VOF)方法來描述結(jié)晶器內(nèi)鋼/渣界面波動，兩相界面的跟蹤通過以下連續(xù)方程來完成：

(1)

式中：xi為坐標(biāo)分量；ui為i方向上的速度分量，m/s；Fs為鋼液的體積分?jǐn)?shù)，F(xiàn)s=0時代表液渣，0

(2)離散相模型中的作用力平衡方程

氬氣泡運(yùn)動軌跡采用拉格朗日離散模型中的力平衡方程求解得出：

(2)

式中：ug為氣泡速度，m/s；u為鋼液速度，m/s；μ為鋼液動力黏度，Pa·s；ρ為鋼液密度，kg/m3；ρg為氣泡密度，kg/m3；dg為氣泡直徑，m；F為單位質(zhì)量氣泡所受其他力，N/kg；g為重力加速度分量，m/s2；CD為拖曳系數(shù)，是雷諾數(shù)Re的函數(shù)。

結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動屬湍流流動，利用不可壓縮黏性流體力學(xué)中的連續(xù)性方程、動量方程及k-ε雙方程模型建立描述結(jié)晶器內(nèi)三維流動的數(shù)學(xué)模型，其方程的具體形式參見文獻(xiàn)[5]。

1.3邊界條件及計(jì)算方法

結(jié)晶器浸入式水口結(jié)構(gòu)如圖1所示，所采用的工藝參數(shù)和物性參數(shù)見表1。根據(jù)結(jié)晶器實(shí)際尺寸建立三維數(shù)學(xué)模型，考慮其雙對稱結(jié)構(gòu)，為減小計(jì)算量取其體積的1/4作為計(jì)算區(qū)域。為減小結(jié)晶器內(nèi)回流對鋼液流動的影響，在計(jì)算過程中適當(dāng)延長了計(jì)算區(qū)域，結(jié)晶器有效長度為800 mm，計(jì)算區(qū)域長度取為1500 mm。采用正交直角坐標(biāo)系，對結(jié)晶器模型劃分結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格。求解過程中動量方程的壓力項(xiàng)采用PISO(Press-ure Implicit with Splitting of Operators)算法。求解連續(xù)性方程、動量方程及湍動方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)均為殘差值小于10-4。

Fig.1 Structural diagram of the submerged nozzle

圖1　浸入式水口結(jié)構(gòu)示意圖

表1　工藝參數(shù)及物性參數(shù)

注：水口浸入深度為鋼渣界面至浸入式水口出口上端中心點(diǎn)的距離；液態(tài)渣層厚度近似取現(xiàn)場工藝條件下結(jié)晶器渣層厚度。

2模擬方案

首先在不吹氬的工況下，模擬不同拉坯速度和水口浸入深度對結(jié)晶器內(nèi)鋼/渣界面波動行為的影響，然后利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了16種方案，系統(tǒng)分析了在4種吹氬量、4種拉坯速度、4種水口浸入深度條件下結(jié)晶器內(nèi)的鋼/渣界面波動行為特征，通過數(shù)值計(jì)算并綜合考慮各因素對結(jié)晶器鋼/渣界面波動情況和沖擊深度的影響來確定最佳的吹氬工藝參數(shù)。

3結(jié)果與討論

3.1拉坯速度對鋼/渣界面行為的影響

圖2為不吹氬且水口浸入深度為120 mm時不同拉坯速度下的鋼/渣界面形狀。由圖2可見，不吹氬時，結(jié)晶器鋼/渣界面波動最大的地方均出現(xiàn)在靠近結(jié)晶器窄邊的彎月面處；隨著拉速的增加，界面波動范圍明顯增大，當(dāng)拉速由1.1 m/min增至1.4 m/min時，彎月面處鋼/渣界面最高點(diǎn)的高度坐標(biāo)由6.9 mm變?yōu)?0.1 mm，界面波動范圍由11.7 mm增至18.4 mm；水口附近液面波動較小，基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。這是因?yàn)殡S著拉速的增加，上下回流動能增加，上回流到達(dá)鋼/渣界面后回流強(qiáng)度增大，導(dǎo)致彎月面處波動加劇。水口處鋼液出口速度增大導(dǎo)致流股動能增加，而動能更大的流股在理論上更能克服結(jié)晶器中鋼液的阻力從而達(dá)到更深的位置，即沖擊深度增加，但由于本文研究的拉速變化范圍不大，對鋼液的沖擊深度影響較小，4種拉速下的沖擊深度均在275 mm左右。

(a) 1.1 m/min(b)1.2 m/min

(c)1.3 m/min(d)1.4 m/min

圖2不吹氬時不同拉坯速度下的鋼/渣界面形狀

Fig.2 Steel/slag interfacial profiles at different casting speeds without argon blowing

3.2水口浸入深度對鋼/渣界面行為的影響

圖3為不吹氬且拉坯速度為1.3 m/min時不同水口浸入深度下的鋼/渣界面形狀。由圖3可以看出，在不吹氬時，隨著水口浸入深度的增加，結(jié)晶器彎月面處鋼/渣界面波動范圍逐漸減小，當(dāng)水口浸入深度由105 mm增至150 mm時，鋼/渣界面最高點(diǎn)由9.1 mm降至7.1 mm，而水口附近液面基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。這是因?yàn)?，隨著水口浸入深度的增加，上回流區(qū)下移，撞擊到結(jié)晶器窄面的流股沿窄面流動的速度降低，流股對液面波動的影響減小。另外，隨著水口浸入深度由105 mm增至150 mm，流股在結(jié)晶器窄面上的沖擊點(diǎn)位置逐漸下移，沖擊深度由260 mm增至319 mm。

(a)105 mm(b)120 mm

(c)135 mm(d)150 mm

圖3不吹氬時不同水口浸入深度下的鋼/渣界面形狀

Fig.3 Steel/slag interfacial profiles at different nozzle immersion depths without argon blowing

3.3吹氬對結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動和鋼/渣界面行為的影響

水口浸入深度為105 mm時不同吹氬量和拉坯速度下沿結(jié)晶器寬面的中間剖面處鋼液流場分布情況如圖4所示。由圖4可見，在吹氬工況下，從水口側(cè)孔出來的氬氣泡迅速上浮至浸入式水口周圍并抽引周圍的鋼液向上運(yùn)動，在熔池表面形成表面流，并且在靠近結(jié)晶器窄面的彎月面附近上升流逐漸向下降流轉(zhuǎn)變。氬氣泡的浮力明顯改變了連鑄結(jié)晶器上部的鋼液流動行為，導(dǎo)致鋼液流股對結(jié)晶器窄面的沖擊點(diǎn)上移，結(jié)晶器上部的渦心上移并偏向水口。

(a) 拉速1.1 m/min，不吹氬(b) 拉速1.1 m/min，吹氬量9 L/min

(c) 拉速1.2 m/min，吹氬量12 L/min(d)拉速1.4 m/min，吹氬量18 L/min

圖4不同拉坯速度和吹氬量下結(jié)晶器中的鋼液流場

Fig.4 Molten steel flow fields in the mold at different casting speeds and argon blowing rates

水口浸入深度為105 mm時不同吹氬量和拉坯速度下結(jié)晶器內(nèi)的氬氣分布情況如圖5所示。由圖5可見，當(dāng)拉速較低、吹氬量較小時，流股的沖擊強(qiáng)度較弱，氣泡在結(jié)晶器內(nèi)分散程度較差，氬氣泡基本豎直上浮，易集中在水口附近逸出，導(dǎo)致水口附近液面波動加劇。隨著拉速和吹氬量的提高，氬氣泡受到主流鋼液的影響增加，在結(jié)晶器內(nèi)的擴(kuò)散范圍逐漸增大，并偏向結(jié)晶器窄面的彎月面處。但當(dāng)水口吹氬量為18 L/min時，盡管拉速增至1.4 m/min，仍然有大量的氬氣泡擺脫主流鋼液的影響在水口附近聚集上浮逸出。

(a) 拉速1.1 m/min，吹氬量9 L/min(b) 拉速1.2 m/min，吹氬量12 L/min

(c) 拉速1.3 m/min，吹氬量15 L/min(d) 拉速1.4 m/min，吹氬量18 L/min

圖5不同拉坯速度和吹氬量下結(jié)晶器中氬氣分布情況

Fig.5 Argon distributions in the mold at different casting speeds and argon blowing rates

水口浸入深度為105 mm時不同吹氬量和拉坯速度下的鋼/渣界面形狀如圖6所示。由圖6可見，吹氬對鋼/渣界面形狀影響顯著，鋼/渣界面最明顯的變化出現(xiàn)在水口附近以及靠近結(jié)晶器窄面的彎月面處。這是因?yàn)?，在吹氬過程中，結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動取決于從水口流出的鋼液的慣性力以及氬氣泡的漂浮力。當(dāng)拉速較低時，氬氣浮力相對較大，較小的鋼液回流速度不足以抵消氬氣泡的浮力作用，較多的鋼液被氬氣泡所帶動沿水口附近的結(jié)晶器壁面向上運(yùn)動，主流鋼液較早地開始回流，導(dǎo)致水口附近形成較強(qiáng)的旋流，同時氬氣泡在水口附近靠其自身的浮力脫離主流股而垂直上浮，到達(dá)液面后破裂逸出，造成靠近水口周圍的液面劇烈湍動，鋼/渣界面波動加劇，所以此處的液渣層更容易被吹破，例如圖6(a)中圓圈處所示，該工藝條件下結(jié)晶器彎月面處界面最高點(diǎn)坐標(biāo)為-2 mm，而水口附近的液渣層處于吹破狀態(tài)。另一方面，由于吹氬導(dǎo)致到達(dá)結(jié)晶器窄面后向上回流的鋼液相對較少，所以此時彎月面附近的界面波動比不吹氬時的界面波動要小。

(a) 拉速1.1 m/min，吹氬量9 L/min(b) 拉速1.2 m/min，吹氬量12 L/min

(c) 拉速1.3 m/min，吹氬量15 L/min(d) 拉速1.4 m/min，吹氬量18 L/min

圖6不同拉坯速度和吹氬量下的鋼/渣界面形狀

Fig.6 Steel/slag interfacial profiles at different casting speeds and argon blowing rates

隨著拉速的進(jìn)一步提高，鋼液整體回流速度增大，氬氣泡的浮力不足以帶動更多的鋼液向上運(yùn)動，水口附近形成相對較弱的旋流區(qū)，液面波動幅度呈減小趨勢，即選擇合適的拉速能明顯降低水口附近鋼/渣界面的波動幅度，同時更多的鋼液流向彎月面處，導(dǎo)致彎月面附近的液渣厚度降低。由圖6(a)和圖6(b)可見，當(dāng)拉速從1.1 m/min增至1.2 m/min時，水口附近由渣層吹破狀態(tài)變?yōu)殇?渣界面最高點(diǎn)坐標(biāo)為2 mm，而彎月面處界面最高點(diǎn)由-2 mm增至2 mm。

但隨著吹氬量的持續(xù)增加(達(dá)到18 L/min)，氬氣泡對周圍流體的抽引能力大于鋼液流股慣性力的影響，大量氬氣泡在水口附近破裂逸出引起水口附近的鋼/渣界面波動加劇，水口附近渣層再次被吹破，如圖6(d)中圓圈處所示。同時由于氬氣在吹入結(jié)晶器后對鋼液有提升作用，致使鋼液向下的速度減小，沖擊深度減小至166 mm。

3.4最佳吹氬工藝參數(shù)的確定

根據(jù)所設(shè)計(jì)的16種配置方案，通過數(shù)值計(jì)算得出不同吹氬工藝參數(shù)下的鋼/渣界面行為特征，如表2所示。由表2可見，采用方案1、6、11、13、15時，水口附近的鋼/渣界面波動較大，保護(hù)渣覆蓋效果較差，甚至出現(xiàn)水口附近部分鋼/渣界面被吹破的情況，此時極易造成卷渣，且鋼液暴露在空氣中，容易被氧化，影響鑄坯質(zhì)量，所以這幾個方案的工藝配置很不合理，不考慮使用。

鋼/渣界面波動過大，容易造成卷渣；鋼/渣界面太平靜，不利于保護(hù)渣的熔化。注流流股沖擊深度過小，流股沖擊面上回流離液面近，造成液面波動和液面流速增大，也容易引起卷渣及保護(hù)渣覆蓋不均勻；而沖擊深度過大在一定程度上又增加了夾雜物及氣泡等物質(zhì)上浮的障礙，同時由于下回流區(qū)的沖擊動能很大，對剛剛形成的凝固坯殼造成嚴(yán)重的沖刷，不利于初生坯殼的形成，增大了漏鋼的幾率，不利于高拉速操作。因此合適的液面波動和沖擊深度是連鑄工藝順行及鑄坯質(zhì)量的保證。

表2　不同工藝參數(shù)下的鋼/渣界面行為特征

通過對表2數(shù)據(jù)的綜合分析并考慮沖擊深度的影響可知，在16種方案中，2號方案的各項(xiàng)指標(biāo)符合預(yù)期，此時結(jié)晶器鋼/渣界面波動較為穩(wěn)定，如圖7所示，而且沖擊深度合適，流股對凝固坯殼的沖擊力較小。因此，最佳吹氬工藝參數(shù)確定為：拉坯速度1.2 m/min，吹氬量9 L/min，水口浸入深度120 mm。

4結(jié)論

(1)在不吹氬的條件下，隨著拉坯速度的增加，結(jié)晶器彎月面處鋼/渣界面波動加大，而水口附近界面波動較小，基本處于平穩(wěn)狀態(tài)；水口浸入深度的增大可有效減緩結(jié)晶器彎月面處鋼/渣界面的波動，但同時也會增大鋼液注流的沖擊深度，不利于鋼液中夾雜物上浮和凝固坯殼的形成。

(2)吹氬會明顯加劇水口附近的鋼/渣界面波動，而選擇合適的拉坯速度能有效降低此處的鋼/渣界面波動幅度，同時吹氬有利于減緩結(jié)晶器彎月面處的液面波動，可在一定程度上達(dá)到穩(wěn)定鋼/渣界面的目的。

(3)對于所研究的230 mm×1100 mm板坯連鑄結(jié)晶器，其最佳吹氬工藝參數(shù)為：拉坯速度1.2 m/min，吹氬量9 L/min，水口浸入深度120 mm，此時結(jié)晶器鋼/渣界面波動較為穩(wěn)定，沖擊深度為208 mm，也比較合適。

圖7　最佳工藝參數(shù)下的鋼/渣界面形狀

Fig.7 Steel/slag interfacial profile at the optimal process parameters

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[責(zé)任編輯尚晶]

Optimization of process parameters for argon blowing in slab caster mold

YangXueping1,2,LiGuangqiang1,2,RaoJiangping2,3,YangZhizheng2,4

(1.State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2.Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 3.General Steelmaking Plant, Wuhan Iron and Steel Company Limited, Wuhan 430083, China; 4.Research and Development Center，Wuhan Iron and Steel Corporation, Wuhan 430080, China)

Abstract:Using VOF (volume of fluid) method and Lagrange discrete phase model, this paper established the mathematical models of the flow behaviors of molten steel, liquid slag and argon bubbles during argon blowing in a slab continuous casting mold (230 mm×1100 mm). Effects of such process parameters as argon blowing rate, casting speed and nozzle immersion depth on the steel/slag interfacial behavior characteristics in the mold were studied by numerical simulation. The results show that argon blowing obviously expands the fluctuation range of the steel/slag interface near the nozzle, while this range can be effectively reduced with proper casting speed. At the same time, argon blowing reduces the fluctuation of molten steel near the meniscus area of the mold, which can stabilize the steel/slag interface to some extent. The best process scheme for this mold is selected from sixteen ones, and the optimal parameter values of casting speed, argon blowing rate and nozzle immersion depth are 1.2 m/min, 9 L/min and 120 mm, respectively.

Key words：mold; argon blowing; slab continuous casting; molten steel flow; steel/slag interface; numerical simulation; parameter optimization

收稿日期：2015-11-04

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2008CAD010).

作者簡介：楊雪萍(1991-)，女，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail：1204882271@qq.com 通訊作者：李光強(qiáng)(1963-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail：liguangqiang@wust.edu.cn

中圖分類號：TF777

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-3644(2016)01-0012-07