連鑄結(jié)晶器內(nèi)夾雜物運(yùn)行數(shù)值模擬

1、連鑄結(jié)晶器內(nèi)夾雜物運(yùn)動(dòng)行為的數(shù)值模擬摘要：通過計(jì)算模擬和與工廠測量夾雜物的比較驗(yàn)證，研究板坯連鑄機(jī)中湍流、夾雜物和氣泡的運(yùn)動(dòng)，以及通過流體流動(dòng)和氣泡上浮去除夾雜物行為。利用有限差分模型中的標(biāo)準(zhǔn)-湍動(dòng)能模型，模擬結(jié)晶器熔池中和上部流股中鋼液的三相穩(wěn)定流動(dòng)。考慮到夾雜物和氣泡的阻力和浮力，通過綜合每個(gè)局部速度計(jì)算夾雜物和氣泡的軌跡。利用一個(gè)“隨機(jī)軌道”模型湍描述流脈動(dòng)對粒子運(yùn)動(dòng)的影響。由于在結(jié)晶器中通過氣泡運(yùn)行去除夾雜物，在流體流動(dòng)模擬基礎(chǔ)上計(jì)算氣泡表面夾雜物的附著概率，此流動(dòng)模擬包括渦流夾雜軌跡、沿著氣泡表面的每一個(gè)夾雜的滑行時(shí)間，滑行時(shí)間為顆粒和氣泡尺寸的函數(shù)。結(jié)果表明，6%10%的夾雜物通過

2、流體流動(dòng)行為去除，10%的通過氣泡上浮去除，以及4%的通過誘捕到浸入水口（SEN）的壁面去除。小氣泡和大的夾雜物附著概率更高。小氣泡更有利于通過氣泡上浮去除夾雜物，當(dāng)他們沒有被凝固殼捕獲。較大的氣體流速有利于氣泡上浮去除夾雜物。最佳的氣泡大小應(yīng)該是2-4mm。關(guān)鍵詞：夾雜物去除；流體流動(dòng)；氣泡上浮；連鑄結(jié)晶器；附著概率1 引言由于高品質(zhì)鋼日益增長的需求，鋼鐵企業(yè)越來越意識到產(chǎn)品“純凈”的要求。盡可能生產(chǎn)夾雜物少的純凈鋼是鋼鐵制造業(yè)的主要任務(wù)之一。夾雜物可以通過流體流動(dòng)運(yùn)行或者氣泡上浮從鋼液中去除1-6。由于小氣泡在鋼水中停留時(shí)間很短，所以氣泡表面的夾雜物能夠很快的去除。如果它們捕獲到坯殼內(nèi)，氣

3、泡中的夾雜物最終會(huì)生成諸如氣孔和管狀之類的缺陷。圖1是氣泡中的夾雜物的一個(gè)例子9-10 。在連鑄過程的二級鋼精煉工藝中，氣泡存在的平均當(dāng)量尺寸為1020mm 1-11和5mm。氣泡形狀隨大小而變化。尺寸10mm的呈球帽形。目前，連鑄過程中計(jì)算出穩(wěn)流和粒子的軌跡（夾雜物和氣泡）。通過流體流動(dòng)運(yùn)輸和連續(xù)鑄造中鋼水中的氣泡去除夾雜物的方法已經(jīng)量化。圖1 鑄塊和連鑄坯中氣泡中的夾雜物2.模型建立和邊界條件2.1 流體流動(dòng)和鋼水中的粒子運(yùn)動(dòng)通過求解連續(xù)性方程N(yùn)avier-Stokes方程，湍流能量和耗散率方程12-13，計(jì)算在浸入式水口和連續(xù)鑄造流股的三維單相穩(wěn)定湍流的流體流動(dòng)。粒子的軌跡（氣泡和夾雜物

4、）結(jié)合以下粒子速度方程計(jì)算出來，此方程考慮了拉力和浮力之間的平衡。其中是流體流速，m/s；是粒子速度，m/s；是風(fēng)阻系數(shù)；是夾雜物直徑；和分別為液體和夾雜物的密度，kg/m；是重力加速度率，m/s；t是時(shí)間，s。為了體現(xiàn)粒子運(yùn)動(dòng)的“隨機(jī)”湍流波動(dòng)的影響，本工作采用“隨機(jī)軌道”模型。在這個(gè)模型中，粒子的速度波動(dòng)是基于高斯分布的隨機(jī)數(shù)，根據(jù)局部脈動(dòng)的選擇動(dòng)能。由于隨機(jī)數(shù)的改變，產(chǎn)生一個(gè)新的瞬時(shí)速度的波動(dòng)，在一個(gè)頻率表現(xiàn)為渦流的特征。流體的瞬時(shí)速度有下面公式給出其中是流體的瞬時(shí)速度，m/s；是平均流體相速度，m/s；是隨機(jī)系數(shù)，是一階的湍流動(dòng)能，m2/s2。根據(jù)邊界條件，氣泡從頂面和全開的底部逸出，

5、反射在其他表面。夾雜物從頂面和全開的底部去除出去，反映在對稱平面，當(dāng)它們接觸寬面和窄面，及樹狀凝固前沿時(shí)被捕獲。本研究傳感器口徑大小為80毫米，下傾角向外15，外部大小65毫米80毫米。傳感器的侵入深度為300毫米，拉速為1.2毫米/分鐘。本研究取模型的一半進(jìn)行計(jì)算(2.55米長0.65米寬0.25米厚)。2.2鋼水中氣泡和夾雜物的相互作用夾雜物接近氣泡，氣泡和夾雜物的接觸時(shí)間，即氣泡表面夾雜物的滑動(dòng)時(shí)間。如果液體之間的粒子和薄膜氣泡下降到低于一個(gè)臨界厚度時(shí)，它會(huì)突然破裂造成夾雜物永久的附著在氣泡表面，關(guān)鍵的薄膜厚度和薄膜破裂時(shí)間另行計(jì)算。首先，假設(shè)軸對稱，忽略由于流動(dòng)和夾雜物運(yùn)行可能引起的氣

6、泡變形，計(jì)算穩(wěn)定的鋼水湍流周圍的氬氣泡的流體流量。遠(yuǎn)場的速度條件設(shè)置為氣泡終端速度，假設(shè)一個(gè)合適的湍流能量耗散率，遠(yuǎn)場壓力出口。然后計(jì)算氣泡周圍的夾雜物軌跡。大量的夾雜物均勻注入在距離遠(yuǎn)大于的區(qū)域，此區(qū)域從氣泡中心開始到遠(yuǎn)離氣泡直徑15-20倍的地方。如果它們接觸表面的氣泡，夾雜物反射邊界條件不變。如果夾雜物中心到氣泡表面的正常距離小于夾雜物的半徑，那么夾雜物和氣泡之間將會(huì)發(fā)生碰撞。如果這個(gè)距離一直保持小于夾雜物半徑一段時(shí)間，這段時(shí)間為下滑時(shí)間。夾雜物會(huì)附著在氣泡的表面，按照之前討論的準(zhǔn)則。所附的概率如圖2所示，可表示為： N 是滿足它們的接觸時(shí)間大于膜破裂時(shí)間的附著的氣泡量；是部分區(qū)域的柱直

7、徑；是通過注入?yún)^(qū)的總夾雜物數(shù)量；i是環(huán)形注入夾雜物的位置的序列號。建立鋼水-氧化鋁夾雜氬氣泡系統(tǒng)描述氣泡上浮法去除夾雜物的模型。假設(shè)如下：氣泡都具有相同的大小夾雜物粒徑均勻分布在鋼水以及它們太小從而忽略對氣泡運(yùn)動(dòng)或流動(dòng)模式的影響。氣泡的大小和氣體流速自主選擇一旦夾雜物和氣泡之間發(fā)生穩(wěn)定的附著關(guān)系，它們之間就沒有分離，夾雜物也會(huì)被認(rèn)為是從鋼水中去除的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)氣泡的高的去除率。圖2 隨機(jī)湍流的作用下夾雜物附著到氣泡表面概率的示意圖假設(shè)所有的夾雜物都是三氧化二鋁，通過氣泡上浮法去除所有的氧可用以下公式表達(dá)：其中，是氣泡直徑，m；是氣泡跡線長度，m；t是氣泡停留時(shí)間，s；是夾雜物附著氣泡的概率，%

8、；每立方米鋼水中夾雜物的尺寸和數(shù)量(數(shù)密度)；是拉速,m/min；S是該區(qū)域的面積（=0.251.3;和是夾雜物的鋼液的密度；是在時(shí)間t域中氣泡的數(shù)量；是氣體流量，L/min；是鋼液溫度，1823K；是直徑為的夾雜物的數(shù)量密度，用于為了解釋因?yàn)閵A雜物和許多氣泡同時(shí)去除而產(chǎn)生的在夾雜物濃度中產(chǎn)生的有意義的變化，從而計(jì)算每個(gè)氣泡之后，提供夾雜物密度分布。本研究使用以下的參數(shù)： 這些參數(shù)代表典型的球形夾雜物，如鋼水中的固體夾雜如二氧化硅或氧化鋁。3.結(jié)果與討論3.1 流體流動(dòng)傳輸去除夾雜物上半流股的中心面的速度矢量分布如圖3所示，表明雙輥流模式。上部循環(huán)達(dá)到彎月面窄面，第二個(gè)循環(huán)將液體核心的鋼液帶動(dòng)

9、向下流動(dòng)，并最終流回彎月面板鑄坯中心。計(jì)算的加權(quán)平均湍動(dòng)能和耗散率在CC流股中，分別是1.65 和 ，計(jì)算典型的氣泡和雜質(zhì)的隨機(jī)軌跡如圖4所示，更小的粒子比較大的更深入地滲透和傳播。超過1毫米的氣泡主要移動(dòng)上浮。0.2毫米的氣泡能夠使軌跡移動(dòng)6.65米，只要在它們逸出頂部或通過底部被捕獲之前71.5秒，然而那些0.5毫米，1毫米和5毫米的分別移動(dòng)3.34米和21.62秒，1.67米和9.2秒，0.59米和0.59秒。平均路徑長度（）和氣泡停留時(shí)間（t）可以用到下面相關(guān)的回歸方程：平均路徑長度和氣泡大小的單位為米，氣泡停留時(shí)間的單位為秒。附著在浸入式水口和捕獲在寬面板坯的夾雜物的計(jì)算位置如圖5所

10、示。計(jì)算結(jié)果顯示4%左右的夾雜物離開中間包棒進(jìn)入浸入式水口壁面，即，通過堵塞去除夾雜物。圖5表明距離板坯表面以下12-14mm處，夾雜物聚集的峰值。這與不是因?yàn)榫植慷窝趸蚧瘜W(xué)作用引起的噴嘴堵塞結(jié)論一致。圖3 在連鑄流股半深度的流體流動(dòng)（侵入深度300毫米，1.2m/min拉坯速度，沒有吹氣）：（a）浸入式水口外端附近的速度；（b）中心面的速度；（c）流體流動(dòng)的速度（m/s）；（d）湍動(dòng)能圖；（e）湍流能量耗散率圖。小于50微米的夾雜物離開中間包，只有6%能夠順利的從頂面去除，這與夾雜物尺寸無關(guān)。離開中間包的大多數(shù)夾雜物（超過50%）在表面30毫米的地方捕獲，此位置在連鑄機(jī)頂部2.55米處。

11、圖5也顯示了鑄坯表面以下12-12毫米夾雜物累積峰值。盡管表面積較小，但較多夾雜物（15%-16%）在窄面被捕獲，這是因?yàn)樯淞鳑_擊凝固區(qū)正面。25%-28%的夾雜物離開厚度超過30毫米坯殼內(nèi)部更深處捕獲夾雜的區(qū)域。超過50微米的較大部分夾雜物被去除。比如，10%的225微米的夾雜物通過流體流動(dòng)離開中間包進(jìn)入結(jié)晶器的頂部。計(jì)算得到10%-14%的夾雜物通過流體流動(dòng)運(yùn)輸離開中間包進(jìn)入鑄坯，浸入式水口壁和結(jié)晶器的頂面。圖4 連鑄流股半寬面的流體流動(dòng)（300毫米侵入深度，1.2m/min澆注速度，以及不吹氣）：（a）跡線；（b）0.2毫米氣泡軌跡；（c）1毫米氣泡；（d）50微米夾雜物；（e）300微

12、米夾雜物。3.2 鋼水中氣泡和夾雜物的相互作用圖6顯示在鋼水中5毫米氣泡周邊的100微米夾雜物的流體流動(dòng)形態(tài)和軌跡。夾雜物運(yùn)動(dòng)到頂部之后可能接觸氣泡。隨機(jī)波動(dòng)的湍流，使夾雜物非常分散，所以氣泡吸附可能會(huì)發(fā)生在一個(gè)范圍內(nèi)的位置（圖6右）。計(jì)算結(jié)果表明，流域內(nèi)平均湍流能量對周圍的氣泡最終湍流能量分布的影響不大。夾雜物附著氣泡的概率通過計(jì)算夾雜物的軌跡算出，如圖7所示，圖7表示小氣泡和大夾雜物之間附著概率大。1毫米的氣泡夾雜物吸附概率高達(dá)30%，而大于5毫米的氣泡附著夾雜的概率小于1%。對連續(xù)粒度分布的夾雜物和氣泡計(jì)算附著率，對氣泡附著夾雜物概率的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行回歸，回歸公式如圖7所示。,A和B取決于

13、氣泡。3.3 在連續(xù)鑄造中通過氣泡除去夾雜物圖8所示的是在連續(xù)鑄造流股中通過氣泡上浮法得到的相應(yīng)的夾雜物去除分?jǐn)?shù)。在氣體流量相同時(shí)，小氣泡的出現(xiàn)，導(dǎo)致去除更多的夾雜物。具體來說，1毫米的氣泡去除幾乎所有大于30毫米的夾雜物。然而，所有這些小氣泡都從頂面逸出是不可能的。那些在鋼鐵產(chǎn)品中被捕獲在凝固坯殼里的將產(chǎn)生嚴(yán)重的缺陷。增加氣泡大小至7毫米以上，去除率沒有變化，可能是由于氣泡形狀的變化，抵銷了小氣泡的數(shù)量。因此，應(yīng)該有一個(gè)最佳的氣泡大小，這不僅僅提高夾雜物去除效率，但也降低捕獲率。目前的結(jié)果表明，也許2-4mm為最佳的范圍，如圖8所示，增加氣流量會(huì)使氣泡上浮除去更多的夾雜物。湍流隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的效果

14、有增加氣泡上浮法去除夾雜物的趨勢。在現(xiàn)在連續(xù)鑄造流的條件下，即氣體流量15L/min的條件下，氣泡的大小可能是約5毫米，假設(shè)多孔耐火材料上布滿大量的活性中心，導(dǎo)致每孔的氣體流量小于0.5毫升 14。圖8所示，總氧氣中大約10%通過氣泡上浮去除。圖5 夾雜物附著浸入式水口和板坯寬面的位置圖6 流體流動(dòng)（左）和在鋼水中100微米的夾雜物在5毫米氣泡周圍的運(yùn)行軌跡（中間：非隨機(jī)模型，右：隨機(jī)模型）這相當(dāng)于總氧減少為3ppm。據(jù)預(yù)測有6%-10%的夾雜物移動(dòng)到頂面,是由于連續(xù)鑄造鏈區(qū)域的循環(huán)流動(dòng)。因此，通過流體運(yùn)行和氣泡上浮法去除的總的預(yù)測的夾雜物大約16%-20%。在中間包測量夾雜物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66

15、.8ppm,在板坯中平均為51.9ppm，結(jié)晶器中對應(yīng)22%被去除?？紤]到4%夾雜物被捕獲于浸入式水口壁面引起堵塞，預(yù)測和測量結(jié)果非常一致。測量夾雜物分配與預(yù)測比較結(jié)果見圖9。模擬夾雜物的初始大小分布為中間包的大小分布。在只通過氣泡上浮法去除夾雜物的模型中，預(yù)測夾雜物的粒度分布。如果考慮通過流體流動(dòng)去除夾雜物，則它們之間的計(jì)算和測量的匹配會(huì)更好。圖8 計(jì)算氣泡上浮去除夾雜物（15L/min（a）:(a)氣泡大小對夾雜物去除的影響；（b）氣體流量對夾雜物去除的影響）圖9 測量夾雜物分布與預(yù)測的比較4結(jié)論（1）本工作提出了流體流動(dòng)的流動(dòng)和氣泡上浮對鋼水連鑄流股的基本模型中的夾雜物的去除的影響。（2

16、）小氣泡和較大的夾雜物吸附的概率較大。小于1毫米的氣泡吸附夾雜物的概率為30%，而大于5毫米的氣泡吸附夾雜物的概率小于1%。湍流的隨機(jī)脈動(dòng)效應(yīng)（采用隨機(jī)軌道模型模擬）能夠稍微增加附著率。（3）在連續(xù)鑄造流中，小氣泡比大氣泡滲透循環(huán)流得更深入，小于1毫米的氣泡主要是在板坯上部移動(dòng)，0.2毫米的氣泡能夠運(yùn)行6.65米，在它們逸出離頂面或通過底部捕獲之前需要間隔71.5秒，然而0.5毫米，1毫米和5毫米的氣泡分別移動(dòng)3.34,1.67,0.59米所需時(shí)間為21.62，9.2，和0.59秒。（4）在連續(xù)鑄造流中，如果氣泡直徑5毫米，10%的夾雜物預(yù)測通過氣泡上浮法去除，相當(dāng)在總氧中減少3ppm。8%的

17、夾雜物通過流體流動(dòng)去除和4%的夾雜物通過進(jìn)入浸入式水口墻壁導(dǎo)致堵塞，連續(xù)鑄造鏈中測量夾雜物去除率約為22%。（5）小氣泡上浮法去除夾雜物更有效，只要它們不捕獲在凝固殼，較大的氣體流速有利于氣泡上浮去除夾雜物，最佳的氣泡尺寸為2-4毫米。參考文獻(xiàn)1 L.Zhang and S.Taniguchi, 鋼液中氣泡上浮從去除夾雜物的基礎(chǔ)，Int.Mater.Rev,45(2000),p.59.2 A.G.Szekely,在旋轉(zhuǎn)噴嘴惰性氣體上浮去除熔融鋁固體顆粒工藝，Metal.Trans.B7B(1976),P 259.3k.Okumura,M.Kitazawa,N.Hakamada,et al ,熔

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