連鑄結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流動大渦模擬在冶金流體力學課堂教學中的應用

趙 鵬， 周蘭花， 曾富洪

（1．山東建筑大學材料科學與工程學院，濟南250101；2．攀枝花學院釩鈦學院，四川攀枝花617000）

0 引 言

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

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。實驗室內(nèi)結(jié)晶器水模設備主要包括結(jié)晶器水模型、浸入式水口（SEN）、泵、流量計以及相關配套管路。結(jié)晶器水模型根據(jù)實際結(jié)晶器1∶2比例制作水模型，為使學生更好觀察水模型內(nèi)部流動現(xiàn)象，材質(zhì)采用透明有機玻璃。為了保證結(jié)晶器下部出口流動充分發(fā)展，減少底部出口對流體影響，水模型高度為實際結(jié)晶器高度的2倍。連鑄結(jié)晶器水模型實驗過程：通過泵把水從底部盛水桶抽進管路，通過變頻器調(diào)節(jié)泵的輸出功率而改變進水流量，從而實現(xiàn)水流循環(huán)。結(jié)晶器實驗裝置示意圖如圖2所示。

圖1 連鑄結(jié)晶器內(nèi)多相傳輸過程

2 連鑄結(jié)晶器水模擬實驗設計

圖2 結(jié)晶器實驗裝置示意圖

鋼液從浸入式水口流出，可能會導致3種流動模型［8］：雙循環(huán)，單個循環(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，此時結(jié)晶器內(nèi)流動模式從“雙輥”變?yōu)椤皢屋仭蹦Ｊ健Ｈ欢?，由于連鑄結(jié)晶器操作條件變化而發(fā)生改變，流動模式既不是“雙循環(huán)”也不是“單循環(huán)”模式，實際連鑄結(jié)晶器內(nèi)流動過程呈現(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的流型，并通過高速攝影儀進行記錄。圖3顯示不同時刻內(nèi)連鑄結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流動過程：注入墨水0．8 s后，射流由水口兩個出口射出；1．5 s后，射流運動到窄面后沖擊窄面后的射流分成上下兩個流股；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動。為使學生更深入觀察結(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)晶器流動變化過程。

圖3 連鑄結(jié)晶器水模型瞬態(tài)流動過程

3 結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流場數(shù)值模擬

湍流是多尺度、有結(jié)構(gòu)、不規(guī)則的運動，是工程領域中十分普遍的流動現(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)流場為例，通過過濾N-S方程求解大尺寸的湍流，并對小尺寸的湍流進行亞格子尺度（Sub-Grid Scale，SGS）模擬。為了說明結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流動過程和驗證數(shù)學預測流動模式的準確性，圖4顯示相同條件下結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流動過程計算結(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，射流運動過程與圖3水模實驗觀察到現(xiàn)象相吻合。通過LES模型分析結(jié)晶器內(nèi)流場變化，數(shù)學模型可以較好預測結(jié)晶器流型變化過程，使學生更深入理解連鑄結(jié)晶器內(nèi)復雜流型變化過程。

圖4 不同時刻結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流動過程計算結(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，尤其射流振蕩行為導致了結(jié)晶器內(nèi)非對稱流場和旋渦產(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)流場速度分布不均勻，呈現(xiàn)出非對稱變化。40 s時，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，水口兩側(cè)射流尾端上下擺動，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，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)射流行為導致了結(jié)晶器內(nèi)非對稱流型的變化和旋渦的形成。通過數(shù)學模型更好彌補實驗過程觀察不足，使學生更深入理解結(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渣可以保證連鑄坯和結(jié)晶器壁面之間良好潤滑、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)域變化會顯著影響結(jié)晶器保護渣的熔化、傳熱和潤滑效果［14-16］。多相模型是一種理想的模擬自由界面運動模型，其通過將運動界面在空間網(wǎng)格內(nèi)定義成一個流體體積函數(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時裸露“渣眼”變化過程的實驗結(jié)果和模擬結(jié)果。黃色區(qū)域是渣層覆蓋的區(qū)域，實線標記區(qū)域是“渣眼”區(qū)域。實驗過程中兩側(cè)裸露的“渣眼”區(qū)域呈現(xiàn)非對稱、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”非對稱變化特征，如圖6（b）所示。

圖6 拉速1．3 m／min時結(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，“渣眼”區(qū)域擴大。圖7所示為相同條件下拉速為1．7 m／min時“渣眼”變化的實驗結(jié)果和模擬結(jié)果。從實驗過程看，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致渣層聚集在水口附近。

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

5.2 工藝條件對“渣眼”區(qū)域的影響

當水口浸入深度和渣層厚度恒定時，拉速對結(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 拉速對結(jié)晶器內(nèi)“渣眼”區(qū)域平均面積的影響

當拉速和渣層厚度恒定時，水口浸入深度影響流動模式及湍流動能分布，進而影響“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，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)域達到約為120 cm2。水口浸入深度為90 mm時，其平均面積減小到40 cm2。

當拉速和水口浸入深度恒定時，結(jié)晶器內(nèi)的射流和流動模式也基本一致，渣層厚度對“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，渣層厚度為10 mm，裸露“渣眼”區(qū)域的平均面積約為50 cm2；渣層厚度達到30 mm時，其平均面積僅減小到30 cm2。

圖9 水口浸入深度對“渣眼”區(qū)域平均面積的影響

圖10 渣層厚度對“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教學中引入實驗和數(shù)值模擬方法可提高教學效果。實驗過程實現(xiàn)了教學內(nèi)容形象化、時空化，具有較好教學效果。同時，結(jié)晶器數(shù)學模擬可以加深學生對于結(jié)晶器內(nèi)復雜多相流場和卷渣過程的理解，激發(fā)學生學習興趣，提高課堂學習效率，滿足課程學習的需要。