基于數(shù)值模擬的結(jié)晶器卷渣在線預(yù)測(cè)方法

周海忱^1,2,3，劉國(guó)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(tuán)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(hù)渣卷入到鋼液中后容易被生長(zhǎng)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(huì)嚴(yán)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(dòng)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(shí)際澆鑄過(guò)程中，不能在線預(yù)測(cè)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(dòng)數(shù)值模擬的結(jié)晶器卷渣在線預(yù)測(cè)方法。首先，建立結(jié)晶器內(nèi)三維多相流動(dòng)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(dòng)行為；其次，對(duì)計(jì)算得到的表面鋼液流速的最大值進(jìn)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(cè)公式；最后，通過(guò)某鋼廠的插釘板工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的準(zhǔn)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(shì)，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?；跀M合的鋼液流速公式，通過(guò)比較最大鋼液流速與鋼渣界面發(fā)生卷渣的臨界流速，實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶器卷渣的在線預(yù)報(bào)。

關(guān)鍵詞：卷渣； 表面流速； 數(shù)值模擬； 在線預(yù)測(cè)； 板坯； 連鑄結(jié)晶器

1 引言

結(jié)晶器鋼液面翻鋼卷渣會(huì)惡化連鑄坯的表面質(zhì)量，給鑄坯帶來(lái)夾雜缺陷，甚至?xí)?dǎo)致漏鋼事故的發(fā)生，嚴(yán)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(mén)漩渦、水口兩側(cè)壓差、氣泡破裂和乳化、非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)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(huì)導(dǎo)致鋼液和液渣相之間的不穩(wěn)定現(xiàn)象增強(qiáng)，使剪切卷渣的發(fā)生率增大。

許多學(xué)者通過(guò)物理模擬、數(shù)值模擬以及工業(yè)試驗(yàn)對(duì)結(jié)晶器表面鋼液的流動(dòng)行為進(jìn)行了研究。Gupta D等通過(guò)水模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，彎月面處振動(dòng)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(guò)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(lái)越不穩(wěn)定，容易發(fā)生剪切卷渣。鄧小旋等通過(guò)水模型和工業(yè)試驗(yàn)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(huì)達(dá)到發(fā)生卷渣的臨界速度。王志國(guó)等通過(guò)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(dòng)行為，發(fā)現(xiàn)倒角結(jié)晶器對(duì)角部液面流速隨著倒角面斜長(zhǎng)的增加而增大。雷洪等通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)研究結(jié)晶器內(nèi)卷渣機(jī)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(guò)懸桿傾角測(cè)量工業(yè)試驗(yàn)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(chǎng)流態(tài)。陳威等通過(guò)插釘板工業(yè)試驗(yàn)研究了不同吹氬流量下結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)流態(tài)分布，研究發(fā)現(xiàn)雙環(huán)流下彎月面速度方向?yàn)閺恼媪飨蛩?，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(xiàn)對(duì)結(jié)晶器表面鋼液流動(dòng)的報(bào)道多集中在流速分布上，對(duì)結(jié)晶器鋼液面卷渣在線預(yù)測(cè)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(dòng)數(shù)學(xué)模型，計(jì)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(guò)對(duì)鋼液最大流速的計(jì)算值進(jìn)行擬合，并用插釘板的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得到了計(jì)算鋼液最大流速的回歸公式，實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶器卷渣的在線預(yù)報(bào)。

2 精選圖表

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)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(dòng)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(dòng)，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(biāo)準(zhǔn)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(guò)對(duì)不同拉速、吹氬流量和浸入深度下的擬合結(jié)果得到了計(jì)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(jì)算的鋼液最大流速與插釘板工業(yè)試驗(yàn)測(cè)量值相吻合，這表明本文提出的擬合公式可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)結(jié)晶器表面鋼液最大流速。通過(guò)比較鋼液最大流速與鋼渣界面發(fā)生卷渣的臨界流速，實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶器鋼液面卷渣的在線預(yù)報(bào)。