基于數(shù)值模擬的結(jié)晶器卷渣在線預(yù)測方法
周海忱1,2,3，劉國梁1,2,3，李海波1,2,3，鄧小旋1,2,3，季晨曦1,2,3，羅衍昭1,2,3
(1. 首鋼集團有限公司技術(shù)研究院， 北京 100043；2. 綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點實驗室， 北京 100043；3. 北京市能源用鋼工程技術(shù)研究中心， 北京 100043)
摘要：結(jié)晶器保護渣卷入到鋼液中后容易被生長的凝固坯殼捕獲，最終在冷軋板上形成由卷渣引起的表面缺陷，會嚴重惡化鋼產(chǎn)品的質(zhì)量。結(jié)晶器液面卷渣現(xiàn)象受到鋼液成分、溫度、流動方式和吹氬流量的影響。結(jié)晶器表面鋼液流速大小是反映鋼渣界面是否發(fā)生卷渣的重要參數(shù)，但在實際澆鑄過程中，不能在線預(yù)測不同拉速、吹氬流量和水口浸入深度下結(jié)晶器表面鋼液的最大速度。提出一種基于板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)多相流動數(shù)值模擬的結(jié)晶器卷渣在線預(yù)測方法。首先，建立結(jié)晶器內(nèi)三維多相流動數(shù)學(xué)模型，模擬不同拉速、吹氬流量和水口浸入深度下的鋼液流動行為；其次，對計算得到的表面鋼液流速的最大值進行擬合，得到固定澆鑄斷面下結(jié)晶器表面最大流速的預(yù)測公式；最后，通過某鋼廠的插釘板工業(yè)試驗驗證了所提方法的準確性。研究發(fā)現(xiàn)，不同澆鑄參數(shù)下表面鋼液流速沿結(jié)晶器寬度方向呈現(xiàn)先增加再減小的變化趨勢，在結(jié)晶器寬度1/4位置具有最大值。鋼液流速在較小和較大拉速下分別在窄面和水口附近具有較大值；在較小和較大吹氬流量下分別在水口和窄面附近具有較大值；隨著水口浸入深度增加，鋼液流速在水口和窄面附近變化較小。基于擬合的鋼液流速公式，通過比較最大鋼液流速與鋼渣界面發(fā)生卷渣的臨界流速，實現(xiàn)了結(jié)晶器卷渣的在線預(yù)報。
關(guān)鍵詞：卷渣； 表面流速； 數(shù)值模擬； 在線預(yù)測； 板坯； 連鑄結(jié)晶器
1 引言
結(jié)晶器鋼液面翻鋼卷渣會惡化連鑄坯的表面質(zhì)量，給鑄坯帶來夾雜缺陷，甚至?xí)?dǎo)致漏鋼事故的發(fā)生，嚴重影響澆鑄順行。卷渣按引起的方式劃分主要有彎月面受到?jīng)_擊、卡門漩渦、水口兩側(cè)壓差、氣泡破裂和乳化、非穩(wěn)態(tài)流動等；根據(jù)卷渣位置可分為結(jié)晶器壁銅管卷渣、回流卷渣和漩渦卷渣。結(jié)晶器表面較大的鋼液流速會導(dǎo)致鋼液和液渣相之間的不穩(wěn)定現(xiàn)象增強，使剪切卷渣的發(fā)生率增大。
許多學(xué)者通過物理模擬、數(shù)值模擬以及工業(yè)試驗對結(jié)晶器表面鋼液的流動行為進行了研究。Gupta D等通過水模型試驗研究發(fā)現(xiàn)，彎月面處振動而形成漩渦和氣泡被卷入鋼液內(nèi)的條件是結(jié)晶器表面鋼液流速大于某一臨界速度。陸巧彤等通過水力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶器表面流速隨著拉速的增加而增大，結(jié)晶器窄面附近的油層越來越不穩(wěn)定，容易發(fā)生剪切卷渣。鄧小旋等通過水模型和工業(yè)試驗研究了常規(guī)板坯連鑄結(jié)晶器液面的瞬態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)液面在非穩(wěn)定期間在窄面和寬度1/4處附近的液面分別凸起和凹陷，表面鋼液流速會達到發(fā)生卷渣的臨界速度。王志國等通過水力學(xué)模型研究了不同角部形狀結(jié)晶器表面鋼液的流動行為，發(fā)現(xiàn)倒角結(jié)晶器對角部液面流速隨著倒角面斜長的增加而增大。雷洪等通過建立數(shù)學(xué)模型來研究結(jié)晶器內(nèi)卷渣機理，提出鋼液臨界流速為0.5~0.8 m/s，產(chǎn)生的渣滴直徑約為3 mm。ZHANG T等通過懸桿傾角測量工業(yè)試驗和數(shù)值模擬研究了結(jié)晶器表面鋼液流速分布，發(fā)現(xiàn)表面流速隨著拉速的增加而增加，拉速可以顯著改變結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場流態(tài)。陳威等通過插釘板工業(yè)試驗研究了不同吹氬流量下結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場流態(tài)分布，研究發(fā)現(xiàn)雙環(huán)流下彎月面速度方向為從窄面流向水口，且大小呈先增大后減小的規(guī)律。流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜流和單環(huán)流后，彎月面速度方向轉(zhuǎn)變?yōu)閺乃诹飨蛘?，且大小呈遞減規(guī)律。綜上所述，文獻對結(jié)晶器表面鋼液流動的報道多集中在流速分布上，對結(jié)晶器鋼液面卷渣在線預(yù)測的研究較少。
本文以某鋼廠板坯連鑄結(jié)晶器為原型，建立了三維的多相流流動數(shù)學(xué)模型，計算得到不同澆鑄參數(shù)下結(jié)晶器表面鋼液流速分布。通過對鋼液最大流速的計算值進行擬合，并用插釘板的測量結(jié)果進行驗證，得到了計算鋼液最大流速的回歸公式，實現(xiàn)了結(jié)晶器卷渣的在線預(yù)報。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)通過對1 600 mm×230 mm澆鑄斷面的板坯連鑄結(jié)晶器建立氣液兩相流動的數(shù)學(xué)模型，模擬了不同澆鑄參數(shù)下鋼液的瞬態(tài)流動，得到了結(jié)晶器表面鋼液流速的分布。鋼液在較小拉速0.8 m/min和較大拉速1.3 m/min下分別在窄面和水口附近具有較大流速0.09和0.17 m/s；在較小吹氬流量(標準態(tài))4 L/min和較大吹氬流量10 L/min下分別在水口和窄面附近具有較大流速0.14和0.12 m/s；隨著浸入深度增加，水口和窄面附近鋼液的最大流速為0.12 m/s。
(2)結(jié)晶器表面鋼液最大流速隨著拉速的增加而增加，隨著吹氬流量和浸入深度的增加而減小。通過對不同拉速、吹氬流量和浸入深度下的擬合結(jié)果得到了計算鋼液最大流速的回歸公式為vmax=11.64×v1.54c×Q-0.27arg×H-0.71SEN。
(3)擬合公式計算的鋼液最大流速與插釘板工業(yè)試驗測量值相吻合，這表明本文提出的擬合公式可以準確預(yù)測結(jié)晶器表面鋼液最大流速。通過比較鋼液最大流速與鋼渣界面發(fā)生卷渣的臨界流速，實現(xiàn)了結(jié)晶器鋼液面卷渣的在線預(yù)報。
