連鑄結晶器內瞬態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

連鑄結晶器是連鑄機的核心構件，其內部鋼液流動狀態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，彎月面波動加劇，容易導致卷渣發生，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量［1-2］。因為實際連鑄過程是連續高溫生產過程，學生到連鑄車間實習過程中，生產過程不允許改變工藝參數，使得學生專業實習效果不理想。為彌補專業實踐不足，讓學生更深入理解和掌握該課程的相關知識，提出實驗過程和數值模擬相結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，通過數值模擬深入理解結晶器內流動現象，更好理解結晶器內多相傳輸過程。然而，結合實驗過程和數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］。本研究建立模擬結晶器內流動和卷渣過程裝置，通過數學模型研究結晶器內瞬態流動和卷渣過程“渣眼”區域變化。實驗過程和數值模擬相結合可以增加學生的動手實踐能力，加深學生對數值模型的理解，為后續冶金相關專業課程學習奠定理論基礎。

1 連鑄結晶器冶金特性

結晶器在鑄坯質量方面起著重要作用，也是控制鋼水純凈度最后環節。連鑄結晶器作用起到鋼液凈化、質量控制、傳熱凝固以及凝固成形等作用［6-7］，見圖1。實驗室內結晶器水模設備主要包括結晶器水模型、浸入式水口（SEN）、泵、流量計以及相關配套管路。結晶器水模型根據實際結晶器1∶2比例制作水模型，為使學生更好觀察水模型內部流動現象，材質采用透明有機玻璃。為了保證結晶器下部出口流動充分發展，減少底部出口對流體影響，水模型高度為實際結晶器高度的2倍。連鑄結晶器水模型實驗過程：通過泵把水從底部盛水桶抽進管路，通過變頻器調節泵的輸出功率而改變進水流量，從而實現水流循環。結晶器實驗裝置示意圖如圖2所示。

圖1 連鑄結晶器內多相傳輸過程

2 連鑄結晶器水模擬實驗設計

圖2 結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，單個循環和非穩態，這可能是由于連鑄過程中結晶器的寬度、氬氣吹入流量和浸入式水口浸入深度等原因造成的［9］。結晶器內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“雙循環區”模式（包括上下循環流）。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，此時結晶器內流動模式從“雙輥”變為“單輥”模式。然而，由于連鑄結晶器操作條件變化而發生改變，流動模式既不是“雙循環”也不是“單循環”模式，實際連鑄結晶器內流動過程呈現出“非穩態”模式［10-11］。

為了捕獲結晶器內瞬態流型，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顯示不同時刻內連鑄結晶器內瞬態流動過程：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晶器水模型內流型變化過程，通過改變水流量、水口深度等操作參數來觀察結晶器流動變化過程。

圖3 連鑄結晶器水模型瞬態流動過程

3 結晶器內瞬態流場數值模擬

湍流是多尺度、有結構、不規則的運動，是工程領域中十分普遍的流動現象。湍流的數值模擬方法可以依據解析的尺度分為：雷諾平均Navier-Stokes（RANS）、直接數值模擬（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模型模擬結晶器內瞬態流場為例，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。為了說明結晶器內瞬態流動過程和驗證數學預測流動模式的準確性，圖4顯示相同條件下結晶器內瞬態流動過程計算結果。從圖中看出，結晶器內射流呈現“樓梯狀”振蕩特征，射流運動過程與圖3水模實驗觀察到現象相吻合。通過LES模型分析結晶器內流場變化，數學模型可以較好預測結晶器流型變化過程，使學生更深入理解連鑄結晶器內復雜流型變化過程。

圖4 不同時刻結晶器內瞬態流動過程計算結果

4 結晶器內漩渦數值模擬

結晶器內瞬態變化流場，尤其射流振蕩行為導致了結晶器內非對稱流場和旋渦產生。圖5顯示了結晶器中心平面上速度矢量圖，圖中圓圈表示產生的漩渦。從圖中可見，結晶器內流場速度分布不均勻，呈現出非對稱變化。40 s時，左側射流直接沖擊結晶器窄壁，在結晶器窄壁面附近形成了旋渦；55 s時，水口兩側射流尾端上下擺動，在水口與結晶器壁面中間位置就形成了大量的旋渦；70 s時，右側的射流直接沖擊結晶器壁面，在壁面附近產生了漩渦。結晶器內射流行為導致了結晶器內非對稱流型的變化和旋渦的形成。通過數學模型更好彌補實驗過程觀察不足，使學生更深入理解結晶器內射流行為。

5 結晶器內卷渣過程

5.1 “渣眼”變化

圖5 結晶器中心面上射流振蕩行為和漩渦形成過程

結晶器彎月面處覆蓋保護渣可以保證連鑄坯和結晶器壁面之間良好潤滑、傳熱效果。結晶器液面速度過大容易造成鋼渣混卷，形成裸露“渣眼”區域；結晶器內吹入氬氣量過大，可能造成“渣眼”區域形成，而“渣眼”區域變化會顯著影響結晶器保護渣的熔化、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格內定義成一個流體體積函數，并構造這種流體體積函數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”變化過程的實驗結果和模擬結果。黃色區域是渣層覆蓋的區域，實線標記區域是“渣眼”區域。實驗過程中兩側裸露的“渣眼”區域呈現非對稱、不規則的變化，如圖6（a）所示；結晶器窄壁面兩側的“渣眼”也呈現了“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時結晶器內“渣眼”區域

隨著拉速增加，裸露“渣眼”區域開始出現，并且從結晶器窄壁面附近向水口方向移動，“渣眼”區域擴大。圖7所示為相同條件下拉速為1．7 m／min時“渣眼”變化的實驗結果和模擬結果。從實驗過程看，與拉速1．3 m／min相比，“渣眼”區域附近發現油渣乳化現象，而且裸露“渣眼”區域處于“打開”狀態，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時結晶器內“渣眼”區域

5.2 工藝條件對“渣眼”區域的影響

當水口浸入深度和渣層厚度恒定時，拉速對結晶器內“渣眼”區域影響顯著。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 拉速對結晶器內“渣眼”區域平均面積的影響

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，結晶器內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”區域平均面積的影響

圖10 渣層厚度對“渣眼”區域平均面積的影響

6 結 語

在冶金工程流體力學教學中引入實驗和數值模擬方法可提高教學效果。實驗過程實現了教學內容形象化、時空化，具有較好教學效果。同時，結晶器數學模擬可以加深學生對于結晶器內復雜多相流場和卷渣過程的理解，激發學生學習興趣，提高課堂學習效率，滿足課程學習的需要。