不锈钢板坯连铸结晶器内钢/渣界面行为模拟及卷渣分析

D01:10.13374.isml00103x.2009.06.004 第31卷第5期 北京科技大学学报 Vol.31 No.5 2009年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2009 不锈钢板坯连铸结晶器内钢/渣界面行为模拟及卷渣 分析 金友林 包燕平刘建华安航航 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要基于湍流模型与多相流模型的耦合，应用液面追踪技术(VO),实现了对不锈钢板坯连铸结晶器内流体流动及钢/ 渣界面行为的模拟计算，并用水模拟结果进行了对比验证，在此基础上计算出实际的钢渣界面特征及界面上钢/渣行为.通 过分析水口的侧孔形状、出口倾角、水口浸入深度，结品器宽度以及拉速对钢/渣界面特征及界面上钢/渣行为影响规律，指出 了制渣界面行为与卷渣是密切相关的，进而探讨了钢/渣界面及卷渣形成的机理. 关键词板坯结晶器：钢渣界面；卷渣：剪应变率：数值模拟 分类号TF777.1 Simulation on steel/slag interfacial behavior and analysis of slag entrapment in a stainless steel slab continuous casting mold JIN You-lin,BAO Yanping.LIU Jian-hua,AN Hang-hang School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Techmology Beijing Beijing 100083.China ABSTRACT Steelslag interfacial behavior in a stainless steel slab continuous casting mold w as numerically simulated on the base of a coupled model of turbulence and multiphase fluid flow and the VOF method.The results of numerical simulation were validated by a w ater mode.The steel slag interfacial profile and the behavior of steel and slag in the interface were obtained.By analyzing the in fluence of port form.port angle,SEN depth.mold width and casting speed on steelslag interfacial behavior.it was pointed that slag entrapment was inherently influenced by steel slag interfacial behavior and the forming mechanism of interfacial pofiles and slag en- trapment was discussed. KEY WORDS slab mold steel/slag interface;slag entrapment;shear strain rate:numerical simulation 随着不锈钢需求量和产品质量要求越来越高， 治金过程中结晶器内钢/渣界面行为是高温下 对不锈钢连铸坯质量提出了更高的要求.由于不锈 极其复杂的过程.对钢/渣界面行为，国内外很多治 钢本身物理性能和凝固特点通常不锈钢连铸结晶 金学者借助水力学模型研究水/油界面行为，通过相 器水口出口倾角方向都是向上的，出口倾角向上就 似理论反映实际钢/渣界面的行为.包燕平可通过 会导致结晶器内上回流增强，对钢/渣界面扰动增 11的水模型模拟了薄板坯连铸结晶器内钢液/保 大极容易造成空气卷吸和保护渣卷入钢液中，引起 护渣界面行为，通过液面波动测量和流场显示，分析 钢液的二次氧化和铸坯内大型夹杂物的增多，严重 了薄板坯连铸结晶器内钢液的卷渣方式和形成机 影响了连铸坯的质量.因此研究结晶器水口侧孔 理.guh?借助水力学模型实验使用PIV测量 开口向上的不锈钢结晶器内钢/渣界面的行为，从而 流场技术对盐水/硅油界面行为进行了模拟分析了 有效控制卷渣行为的发生，提高连铸坯的质量，具有 水/油界面间剪切流动的非稳态性及卷渣行为.对 非常重要的意义一？ 结晶器钢液自由表面的数值模拟研究，国内外也有 收稿日期：200804-28 作者简介：金友林(1978一)，男，博士：包燕平(1964-)，男，教授，博士生导师，E-maik baoyp@metall.ustb.du.am

不锈钢板坯连铸结晶器内钢/渣界面行为模拟及卷渣 分析 金友林 包燕平 刘建华 安航航 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 摘 要 基于湍流模型与多相流模型的耦合, 应用液面追踪技术( VOF) , 实现了对不锈钢板坯连铸结晶器内流体流动及钢/ 渣界面行为的模拟计算, 并用水模拟结果进行了对比验证, 在此基础上计算出实际的钢/ 渣界面特征及界面上钢/渣行为.通 过分析水口的侧孔形状、出口倾角、水口浸入深度、结晶器宽度以及拉速对钢/ 渣界面特征及界面上钢/渣行为影响规律, 指出 了钢/ 渣界面行为与卷渣是密切相关的, 进而探讨了钢/ 渣界面及卷渣形成的机理. 关键词 板坯结晶器;钢/ 渣界面;卷渣;剪应变率;数值模拟 分类号 TF777.1 Simulation on steel/ slag interfacial behavior and analysis of slag entrapment in a stainless steel slab continuous casting mold JIN You-lin , BAO Yan-ping , LIU Jian-hua, AN Hang-hang S chool of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, C hina ABSTRACT S teel/ slag interfacial behavior in a stainless steel slab continuous casting mold w as numerically simulated on the base of a coupled model of turbulence and multiphase fluid flow and the VOF method.The results of numerical simulation w ere v alidated by a w ater model .The steel/ slag interfacial profile and the behavior of steel and slag in the interface were obtained.By analyzing the in￾fluence of port fo rm, port angle, SEN depth, mold width and casting speed on steel/ slag interfacial behavior, it w as pointed that slag entrapment w as inherently influenced by steel/ slag interfacial behavior and the fo rming mechanism of interfacial pro files and slag en￾trapment was discussed. KEY WORDS slab mold;steel/ slag interface;slag entrapment ;shear strain rate;numerical simula tio n 收稿日期:2008-04-28 作者简介:金友林( 1978—) , 男, 博士;包燕平( 1964—) , 男, 教授, 博士生导师, E-mail:baoyp@metall.ustb.edu.cn 随着不锈钢需求量和产品质量要求越来越高, 对不锈钢连铸坯质量提出了更高的要求 .由于不锈 钢本身物理性能和凝固特点, 通常不锈钢连铸结晶 器水口出口倾角方向都是向上的, 出口倾角向上就 会导致结晶器内上回流增强, 对钢/渣界面扰动增 大, 极容易造成空气卷吸和保护渣卷入钢液中, 引起 钢液的二次氧化和铸坯内大型夹杂物的增多, 严重 影响了连铸坯的质量.因此, 研究结晶器水口侧孔 开口向上的不锈钢结晶器内钢/渣界面的行为, 从而 有效控制卷渣行为的发生, 提高连铸坯的质量, 具有 非常重要的意义[ 1-5] . 冶金过程中结晶器内钢/渣界面行为是高温下 极其复杂的过程 .对钢/渣界面行为, 国内外很多冶 金学者借助水力学模型研究水/油界面行为, 通过相 似理论反映实际钢/渣界面的行为.包燕平[ 6] 通过 1∶1 的水模型模拟了薄板坯连铸结晶器内钢液/保 护渣界面行为, 通过液面波动测量和流场显示, 分析 了薄板坯连铸结晶器内钢液的卷渣方式和形成机 理 .Iguchi [ 7] 借助水力学模型实验, 使用 PIV 测量 流场技术对盐水/硅油界面行为进行了模拟, 分析了 水/油界面间剪切流动的非稳态性及卷渣行为 .对 结晶器钢液自由表面的数值模拟研究, 国内外也有 第 31 卷 第 5 期 2009 年 5 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.5 May 2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.05.004

第5期 金友林等：不锈钢板还连铸结晶器内钢渣界面行为模拟及卷渣分析 ·619。 文献报道.Panaras等利用有限体积法模拟了结晶 钢/渣界面，在运动界面的空间网格内定义流体体积 器内钢液自由表面的波动，曹娜采用VOF技术 分数，构造流体体积分数的发展方程，追踪界面的变 模拟了工艺参数对钢/渣界面的影响规律.本文采 化，精细确定钢/渣界面的位置和形状从而构造出 用大型流体计算软件CFX10.0,运用液面追踪法 钢/渣界面1刂.在V0法模拟钢/渣界面过程中， (VOF)对钢/渣界面行为进行数值模拟计算，研究 两种流体共用一组传输方程，在计算的网格单元中 不同工艺参数下钢/渣界面行为，通过钢/渣界面上 计算流体体积分数at,体积分数方程表示如下： 钢液流速和液渣的剪应变率分析钢渣界面形成及 (6) 卷渣机理 %2+*△a,=0 式中，t为时间，u为钢液速度矢量；当at=1时代 1三维数学模型 表钢液，a.=0时代表液渣，a.值处于0~1之间为 11基本假设 钢/渣界面. (1)结品器内钢液流动是稳态黏性不可压缩流 初始条件设定时，用CFX提供的CCL文件编 动： 辑一组表达式。定义钢/渣界面的初始位置。在界面 (2)不考虑结晶器振动及锥度等因素的影响： 上部区域at=0,在界面下部区域at=L,界面上 (3)忽略凝固传热对流动的影响： at=05.通过结晶器内传输计算，采用V0F法追 (4)结晶器内钢液按均相介质处理，钢液上面保 踪钢/渣界面位置和形状，构造稳态的钢渣界面的 护渣全为液态. 模型12一1习 12控制方程 1.4边界条件 计算所用的数学模型包括描述流动行为的连续 (1)入口设在水口的入口处，其速度根据拉速 方程和动量方程10 计算得出，k、e值由下式确定：kinlet=O.0luae 连续性方程： emle=品/(05do,其中do为入口的直径.钢液 apui0 的体积分数在入口处设为L,渣为0. dxi (1) (2)出口边界设成Opening边界，可进可出的 动量方程 无压力出口，出口钢液体积分数设为1，液渣为0. (u (3)水口壁和结晶器壁采用无滑移边界条件， axj 计算域上表面为滑移边界. p (4)钢液一液渣两相初始化，定义结晶器距顶部 十x axi (2) 20mm截面以内为液渣，截面以下为钢液. 式中，p为流体密度，、山分别为和x方向上的 2数值计算结果的水模拟验证 速度分量，g:为重力加速度分量，为有效黏度 (可通过k一e双方程模型及壁面函数计算求得). 为了验证数值模拟结果的真实可靠性，通过建 湍动能(k)方程： 立在相似原理基础上的水力学模型实验与之对比. +u ae晚 水模型实验针对1235mm×200mm板坯连铸结晶 =xkk司 +G-e(3) 器以11比例模型进行结晶器流场研究，其中水口 湍动能耗散(e)方程： 侧孔形状为梯形（图3中水口），水口侧孔倾角为 9 +(C1G-Ca) a uen de 向上10，拉速为1.2mmim1,水口浸入深度为 150mm(水口侧孔上沿距离液面)，待验证的模型数 (4) 值计算中水口结构参数、工艺参数以及流体物性参 其中， 数均取与水模型实验中的一致.图1是水模型实验 4u:明 和数值模拟流场显示图.由图可见，水模拟和数值 Gxx (5) 模拟结晶器流场基本相似，流股都是以向下一定角 式中，k为湍动能ε为湍动能耗散率，凸为湍流黏 度冲向窄边.这主要由于垂直向下的注流作用以及 度系数C1、C2、和为经验常数 水口有限的壁厚导向作用不是很强的缘故，但相对 1.3结晶品器钢/渣界面模型 于向下倾角的水口，流股向下程度减小.表1是反 模拟结晶器钢/渣界面时，采用VOF方法追踪 映流场特征的水模拟和数值模拟的结晶器流场中的

文献报道 .Panaras [ 8] 等利用有限体积法模拟了结晶 器内钢液自由表面的波动, 曹娜 [ 9] 采用 VOF 技术 模拟了工艺参数对钢/渣界面的影响规律 .本文采 用大型流体计算软件 CFX10.0, 运用液面追踪法 ( VOF) 对钢/渣界面行为进行数值模拟计算, 研究 不同工艺参数下钢/渣界面行为, 通过钢/渣界面上 钢液流速和液渣的剪应变率分析钢/渣界面形成及 卷渣机理 . 1 三维数学模型 1.1 基本假设 ( 1) 结晶器内钢液流动是稳态黏性不可压缩流 动; ( 2) 不考虑结晶器振动及锥度等因素的影响 ; ( 3) 忽略凝固传热对流动的影响 ; ( 4)结晶器内钢液按均相介质处理, 钢液上面保 护渣全为液态. 1.2 控制方程 计算所用的数学模型包括描述流动行为的连续 方程和动量方程[ 10] . 连续性方程 : ( ρui) x i =0 ( 1) 动量方程: t ( ρui) + ( ρuiuj) x j = - p x i + xj μeff ui xj + uj x i +ρgi ( 2) 式中, ρ为流体密度, ui 、uj 分别为 xi 和x j 方向上的 速度分量, gi 为重力加速度分量, μef f为有效黏度 (可通过 k-ε双方程模型及壁面函数计算求得) . 湍动能( k )方程: ρ k t +ui k x i = x i μeff σk k x i +G -ρε ( 3) 湍动能耗散( ε)方程: ρ ε t +ui ε x i = xi μeff σε ε x i + ε k ( C1 G -C2ρε) ( 4) 其中, G =μτ ui xi ui x j + uj xi ( 5) 式中, k 为湍动能, ε为湍动能耗散率, μτ为湍流黏 度系数, C1 、C2 、σk 和σε为经验常数. 1.3 结晶器钢/渣界面模型 模拟结晶器钢/渣界面时, 采用 VOF 方法追踪 钢/渣界面, 在运动界面的空间网格内定义流体体积 分数, 构造流体体积分数的发展方程, 追踪界面的变 化, 精细确定钢/渣界面的位置和形状, 从而构造出 钢/渣界面[ 11] .在 VOF 法模拟钢/渣界面过程中, 两种流体共用一组传输方程, 在计算的网格单元中 计算流体体积分数 ast , 体积分数方程表示如下 : ast t +u·Δ ast =0 ( 6) 式中, t 为时间, u 为钢液速度矢量 ;当 ast =1 时代 表钢液, ast =0 时代表液渣, ast值处于 0 ～ 1 之间为 钢/渣界面. 初始条件设定时, 用 CFX 提供的 CCL 文件编 辑一组表达式, 定义钢/渣界面的初始位置, 在界面 上部区域 a st =0, 在界面下部区域 ast =1, 界面上 ast =0.5 .通过结晶器内传输计算, 采用 VOF 法追 踪钢/渣界面位置和形状, 构造稳态的钢/渣界面的 模型[ 12-13] . 1.4 边界条件 ( 1) 入口设在水口的入口处, 其速度根据拉速 计算得出, k 、ε值由下式确定:k inlet =0.01 u 2 inlet, εinlet =k 1.5 inle t/( 0.5 d0), 其中 d 0 为入口的直径.钢液 的体积分数在入口处设为 1, 渣为 0 . ( 2) 出口边界设成 Opening 边界, 可进可出的 无压力出口, 出口钢液体积分数设为 1, 液渣为 0 . ( 3) 水口壁和结晶器壁采用无滑移边界条件, 计算域上表面为滑移边界. ( 4) 钢液-液渣两相初始化, 定义结晶器距顶部 20 mm 截面以内为液渣, 截面以下为钢液. 2 数值计算结果的水模拟验证 为了验证数值模拟结果的真实可靠性, 通过建 立在相似原理基础上的水力学模型实验与之对比. 水模型实验针对 1 235 mm ×200 mm 板坯连铸结晶 器以 1∶1 比例模型进行结晶器流场研究, 其中水口 侧孔形状为梯形( 图 3 中水口 1) , 水口侧孔倾角为 向上 10°, 拉速为 1.2 m·min -1 , 水口浸入深度为 150 mm(水口侧孔上沿距离液面), 待验证的模型数 值计算中水口结构参数 、工艺参数以及流体物性参 数均取与水模型实验中的一致.图 1 是水模型实验 和数值模拟流场显示图 .由图可见, 水模拟和数值 模拟结晶器流场基本相似, 流股都是以向下一定角 度冲向窄边 .这主要由于垂直向下的注流作用以及 水口有限的壁厚导向作用不是很强的缘故, 但相对 于向下倾角的水口, 流股向下程度减小 .表 1 是反 映流场特征的水模拟和数值模拟的结晶器流场中的 第 5 期 金友林等:不锈钢板坯连铸结晶器内钢/ 渣界面行为模拟及卷渣分析 · 619 ·

。620 北京科技大学学报 第31卷 流股冲击深度和上漩涡窝心位置.从表中对比结果 为数值模拟与水模拟结果基本一致.这也证实本文 可以看出，数值模拟与水模拟数据基本吻合，可以认 中的数值模拟可以反应实际流体的真实流动特征. 6175 6175 1569 1523 (a) (b) 图1水模拟（和数值模拟(b)结品器内流场（单位：mm) Fig.I Comparison of experimental (a)and computation (b)flow fields(units:mm) 表1水模拟与数值模拟结果比较 Table I Comparison of experimental and computation results 冲击深度/ 上漩涡窝心位置/mm 方法 mm 距窄边 距液面 水模型实验 3327 1523 171.2 数值计算 3364 1569 181.7 3计算结果及分析 150 3.1钢/渣界面特征及界面上钢/渣行为 100 图2表示的是不锈钢板坯连铸结晶器内钢/渣 界面特征和界面上钢/渣行为的数值模拟结果.由 图可见，结晶器的钢/渣界面存在明显的波谷特征. 根据钢渣界面特征可将界面分成三个区：界面迎谷 面区（窄边a处至波谷点b处）、界面背谷面区(b处 至c处)和界面水平区(c处至d处)，其中界面波谷 点处于结晶器宽面1/4处偏窄边附近.钢/渣界面 上钢液流速和液渣剪应变率（液渣受钢液剪切产生 -10 相对形变率)存在明显的波峰特征.根据界面上钢 液流速和液渣的剪应变率变化特征也可将界面分成 -600 400 -200 三个区：增强区（窄边至迎谷面区上流速最高点）、减 距离结晶器水口中心线位置mm 弱区（流速最高点至界面波谷点附近）和平稳区（界 图2钢/渣界面特征及界面上钢/渣行为 面背谷面区和界面水平区).在指向水口方向，在增 Fig.2 Steel slag interfacial profiles and behavior of steel and slag in 强区内，界面上钢液流速和液渣剪应变率呈增加趋 the interface 势：在减弱区内，界面上钢液流速和液渣剪应变率呈 减小趋势：在平稳区内，界面上钢液流速和液渣剪应 深度150mm、侧孔倾角向上10°及拉速1.2m· 变率保持平稳. min的条件下，研究了水口侧孔形状对结晶器内 3.2水口参数和工艺参数的影响 钢/渣界面特征及界面上的钢/渣行为的影响.模拟 (1)水口侧孔形状.针对不同结晶器水口侧孔 中采用的两种水口侧孔形状及尺寸如图3所示. 形状，在结晶器断面1235mm×200mm、水口浸入 图4表示两种不同结晶器水口侧孔形状下数值

流股冲击深度和上漩涡窝心位置 .从表中对比结果 可以看出, 数值模拟与水模拟数据基本吻合, 可以认 为数值模拟与水模拟结果基本一致 .这也证实本文 中的数值模拟可以反应实际流体的真实流动特征. 图 1 水模拟( a) 和数值模拟( b) 结晶器内流场( 单位:mm) Fig.1 Comparison of experimental ( a) and compu tation ( b) flow fields( units:mm) 表 1 水模拟与数值模拟结果比较 Tabl e 1 Comparison of experiment al and comput ation results 方法 冲击深度/ mm 上漩涡窝心位置/ mm 距窄边 距液面 水模型实验 332.7 152.3 171.2 数值计算 336.4 156.9 181.7 3 计算结果及分析 3.1 钢/渣界面特征及界面上钢/渣行为 图 2 表示的是不锈钢板坯连铸结晶器内钢/渣 界面特征和界面上钢/渣行为的数值模拟结果.由 图可见, 结晶器的钢/渣界面存在明显的波谷特征 . 根据钢/渣界面特征可将界面分成三个区:界面迎谷 面区( 窄边 a 处至波谷点 b 处) 、界面背谷面区( b 处 至c 处)和界面水平区( c 处至 d 处), 其中界面波谷 点处于结晶器宽面 1/4 处偏窄边附近.钢/渣界面 上钢液流速和液渣剪应变率( 液渣受钢液剪切产生 相对形变率) 存在明显的波峰特征 .根据界面上钢 液流速和液渣的剪应变率变化特征也可将界面分成 三个区:增强区(窄边至迎谷面区上流速最高点) 、减 弱区( 流速最高点至界面波谷点附近) 和平稳区( 界 面背谷面区和界面水平区) .在指向水口方向, 在增 强区内, 界面上钢液流速和液渣剪应变率呈增加趋 势;在减弱区内, 界面上钢液流速和液渣剪应变率呈 减小趋势 ;在平稳区内, 界面上钢液流速和液渣剪应 变率保持平稳. 3.2 水口参数和工艺参数的影响 ( 1) 水口侧孔形状 .针对不同结晶器水口侧孔 形状, 在结晶器断面1235mm ×200mm 、水口浸入 图 2 钢/ 渣界面特征及界面上钢/ 渣行为 Fig.2 S teel/ slag int erf acial profiles and behavior of st eel and slag in the interface 深度 150 mm 、侧孔倾角向上 10°及拉速 1.2 m · min -1的条件下, 研究了水口侧孔形状对结晶器内 钢/渣界面特征及界面上的钢/渣行为的影响.模拟 中采用的两种水口侧孔形状及尺寸如图 3 所示 . 图 4 表示两种不同结晶器水口侧孔形状下数值 · 620 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第5期 金友林等：不锈钢板还连铸结晶器内钢渣界面行为模拟及卷渣分析 621· 65 45 的波动，水口1的界面较为平稳，比较此区域界面上 钢液流速和液渣剪应变率，水口2的钢液流速较小 且较为平稳，而液渣的剪应变率较大且存在波动，可 以认为此区域的水口2的界面波动不是由界面上钢 液剪切引起，分析认为应由水口2下结晶器流场不 稳定形成的驻波引起.由于此区域的界面钢液流速 25 较小，一般这样的微小波动不会引起剪切卷渣，但在 水口1 水口2 其他因素的影响下（如水口未对中或水口偏流等）， 图3水口侧孔形状及尺寸（单位：mm) 很容易形成漩涡卷渣. Fig 3 Port form and size of SEN(units:mm) (2)水口侧孔倾角.针对不锈钢连铸结晶器水 模拟的钢/渣界面特征及界面上钢/渣行为.由图可 口侧孔倾角向上的特点，分别研究向上15°和向上 见，水口2的界面波谷深度（窄边界面位置与界面波 5°两种倾角对结晶器内钢/渣界面特征及界面上钢/ 谷点的垂直高度)较水口1深1.2mm左右，波谷位 渣行为的影响.图5是侧孔倾角对钢/渣界面及界 置深容易发生卷渣.在界面迎谷面区，钢液流速和 面上钢/渣行为的影响规律，其中铸坯断面为 液渣剪应变率都较大此区域两水口作用下的钢液 1235mm×200mm,水口侧孔形状为水口1，水口浸 流速和液渣剪应变率变化规律基本相似，钢/渣界面 入深度为150mm,拉速为1.2mmim1.由图可见 形状也基本相似，在迎谷面的中间钢渣界面都存在 随着倾角从5°增加到15°，窄边的钢/渣界面位置平 2mm以下波动.由于此区域界面钢液流速处于峰 均增高25mm.窄边界面位置高，液渣层厚度薄， 值区，钢液流速较大而且存在一定波动，分析认为 容易造成钢液裸露发生二次氧化，而且也不利于液 界面上的这种微小波动是钢液剪切引起.而且由于 渣均匀流入结晶器侧壁.由图还可以看出：在两种 钢液流速大，界面的这种微小波动仍可以引起剪切 倾角下，在界面迎谷面区由于钢液流速和液渣剪应 卷渣.在界面水平区，水口2的界面存在2mm左右 变率变化规律相似，钢/渣界面变化特征相似，而且 -4-15 一4一水口1 --水口2 50 一一水口1 -15 一一水口2 100 一4一水口1 -4-15 -一水口2 --50 20 600 -400 -200 -600 400 -200 距离结品器水口中心线位置mm 距离结晶器水口中心线位置mm 图4侧孔形状对钢/渣界面及界面上钢/渣行为影响 图5侧孔倾角对钢/渣界面及界面上钢/渣行为影响 Fig.4 Influence of port fom on steel/slag interfacial behavior Fig 5 Influence of port angle on steel sag interfacial behavior

图 3 水口侧孔形状及尺寸( 单位:mm) Fig.3 Port form and size of SEN(units:mm ) 图 4 侧孔形状对钢/ 渣界面及界面上钢/渣行为影响 Fig.4 Influence of port form on st eel/slag interfacial behavior 模拟的钢/渣界面特征及界面上钢/渣行为.由图可 见, 水口 2 的界面波谷深度(窄边界面位置与界面波 谷点的垂直高度)较水口 1 深 1.2 mm 左右, 波谷位 置深容易发生卷渣.在界面迎谷面区, 钢液流速和 液渣剪应变率都较大, 此区域两水口作用下的钢液 流速和液渣剪应变率变化规律基本相似, 钢/渣界面 形状也基本相似, 在迎谷面的中间钢/渣界面都存在 2mm 以下波动 .由于此区域界面钢液流速处于峰 值区, 钢液流速较大, 而且存在一定波动, 分析认为 界面上的这种微小波动是钢液剪切引起 .而且由于 钢液流速大, 界面的这种微小波动仍可以引起剪切 卷渣 .在界面水平区, 水口 2 的界面存在2 mm 左右 的波动, 水口 1 的界面较为平稳, 比较此区域界面上 钢液流速和液渣剪应变率, 水口 2 的钢液流速较小 且较为平稳, 而液渣的剪应变率较大且存在波动, 可 以认为此区域的水口 2 的界面波动不是由界面上钢 液剪切引起, 分析认为应由水口 2 下结晶器流场不 稳定形成的驻波引起.由于此区域的界面钢液流速 较小, 一般这样的微小波动不会引起剪切卷渣, 但在 其他因素的影响下( 如水口未对中或水口偏流等), 很容易形成漩涡卷渣. ( 2) 水口侧孔倾角.针对不锈钢连铸结晶器水 口侧孔倾角向上的特点, 分别研究向上 15°和向上 5°两种倾角对结晶器内钢/渣界面特征及界面上钢/ 渣行为的影响 .图 5 是侧孔倾角对钢/渣界面及界 面上钢/渣 行为的 影响 规律, 其 中铸 坯断 面为 1 235 mm ×200 mm, 水口侧孔形状为水口 1, 水口浸 入深度为150 mm, 拉速为 1.2m·min -1 .由图可见, 随着倾角从 5°增加到 15°, 窄边的钢/渣界面位置平 图 5 侧孔倾角对钢/ 渣界面及界面上钢/ 渣行为影响 Fig.5 Influence of port angle on steel/ slag int erfacial behavior 均增高 2.5 mm .窄边界面位置高, 液渣层厚度薄, 容易造成钢液裸露发生二次氧化, 而且也不利于液 渣均匀流入结晶器侧壁 .由图还可以看出:在两种 倾角下, 在界面迎谷面区由于钢液流速和液渣剪应 变率变化规律相似, 钢/渣界面变化特征相似, 而且 第 5 期 金友林等:不锈钢板坯连铸结晶器内钢/ 渣界面行为模拟及卷渣分析 · 621 ·

。622 北京科技大学学报 第31卷 界面的波谷深度相差不大，倾角15°比倾角5°时波 可以看出，随着宽度增加，钢/渣界面趋于不稳定. 谷深度只增加04mm;在界面水平区，两种倾角下 断面宽度为1235mm界面相对较为稳定，断面宽度 钢渣界面都存在一定波动，倾角为15°时界面波动 为1550mm时界面多处出现波动范围在3mm左右 更为严重，比较此区域界面钢液流速两种倾角下此 的波动，而2050mm断面几乎整个界面都存在波 区域界面的流速都较小且较为平稳，可以认为此区 动.比较不同宽度下界面上钢液流速和液渣剪应变 域的界面波动是由于结晶器流场的不稳定引起，侧 率，分析认为：随着结晶器宽度增大，界面出现的波 孔倾角15°时结晶器内流场不稳定程度更大. 动严重不是由于界面钢液剪切所致，而是由于结晶 (3)结晶器宽度.图6是在结晶器水口流速为 器内流场的不稳定性增强引起.由此可见，随着结 L.58m·s1(相当于1235mm×200mm断面结晶器 晶器宽度增大，结晶器内流场不稳定程度增大，钢/ 拉速1.2m·min1)、水口侧孔形状为水口1、水口浸 渣界面不稳定性也增强. 入深度为150mm及侧孔倾角向上为10时，结晶器 (4)拉速.图7是结晶器断面为1235mm× 宽度对钢/渣界面及界面上钢/渣行为的影响规律， 200mm、水口侧孔形状为水口1、水口浸入深度为 模拟中结晶器断面尺寸选取2050mm×200mm、 150mm及侧孔倾角为10时，不同拉速下钢渣界面 1550mm×200mm和1235mm×200mm.由图可 特征及界面上钢渣行为，模拟中选用的拉速为 见，随着结晶器宽度增加，钢/渣界面波谷深度减小， 1.1,1.2,1.3mmim1.由图可见，随着拉速从 钢渣界面迎谷面区最大钢液流速减小，相应界面上 l.1mmin1增加到L.3mmin,窄边钢/渣界面 液渣的剪应变率减小.结晶器宽度从1235mm增加 位置平均升高28mm,钢渣界面的波谷深度平均 到2050mm,波谷深度从18mm减小到13.2mm,界 增加8mm.这是由于随着拉速增大，界面迎谷面区 面上钢液最大流速从138.5mm·s1减小到 钢液流速增大，界面的液渣剪应变率相应增大，致使 116.9mms1,界面上液渣剪应变率从7.2s1减小 窄边界面位置升高，界面的波谷深度增大.在界面 到4.4s1界面上钢液流速减小，钢液剪切携带液 的背谷面区和水平区，界面上钢液流速在设计的拉 渣作用减弱，界面的波谷深度相应减小.从图中还 速下相近，而且较为稳定.从图上还可以看出，随着 -4-1235mm --1.3 m/min -e-1550mm --1.2 m/min -*-2050mm -.-1.1 m/min -4-1235mm -1.3 m/min -a-1550mm --1.2 m/min --2050mm 100 -+-1.1 m/min --1235mm -*-1.3 m/min --1550mm --1.2 m/min -.-2050mm --1.1m/min -0 -1000-800-600400-200 距离结品器水口中心线位置mm 600 -400 -200 距离结品器水口中心线位置mm 图6结品器宽度对钢/渣界面及界面上钢/渣行为影响 图7拉速对钢/渣界面及界面上钢/渣行为影响 Fig.6 Influence of mold w idth on steel slag interfacial behavior Fig.7 Influence of casting speed on steel/slag interfacial behav ior

界面的波谷深度相差不大, 倾角 15°比倾角 5°时波 谷深度只增加 0.4 mm ;在界面水平区, 两种倾角下 钢/渣界面都存在一定波动, 倾角为 15°时界面波动 更为严重, 比较此区域界面钢液流速, 两种倾角下此 区域界面的流速都较小且较为平稳, 可以认为此区 域的界面波动是由于结晶器流场的不稳定引起, 侧 孔倾角 15°时结晶器内流场不稳定程度更大. 图 6 结晶器宽度对钢/ 渣界面及界面上钢/ 渣行为影响 Fig.6 Influence of mold w idth on st eel/ slag interfacial behavior ( 3) 结晶器宽度 .图 6 是在结晶器水口流速为 1.58 m·s -1 ( 相当于 1 235 mm ×200 mm 断面结晶器 拉速 1.2m·min -1 ) 、水口侧孔形状为水口 1 、水口浸 入深度为 150 mm 及侧孔倾角向上为 10°时, 结晶器 宽度对钢/渣界面及界面上钢/渣行为的影响规律, 模拟中结晶器断面尺寸选取 2 050 mm ×200 mm 、 1 550 mm ×200 mm 和 1 235 mm ×200 mm .由图可 见, 随着结晶器宽度增加, 钢/渣界面波谷深度减小, 钢/渣界面迎谷面区最大钢液流速减小, 相应界面上 液渣的剪应变率减小 .结晶器宽度从 1235mm 增加 到 2050mm, 波谷深度从 18 mm 减小到 13.2mm, 界 面上 钢 液最 大 流 速 从 138.5 mm · s -1 减 小 到 116.9 mm·s -1 , 界面上液渣剪应变率从 7.2 s -1减小 到4.4 s -1 .界面上钢液流速减小, 钢液剪切携带液 渣作用减弱, 界面的波谷深度相应减小.从图中还 可以看出, 随着宽度增加, 钢/渣界面趋于不稳定. 断面宽度为1 235 mm界面相对较为稳定, 断面宽度 为 1 550 mm 时界面多处出现波动范围在 3 mm 左右 的波动, 而 2 050 mm 断面几乎整个界面都存在波 动 .比较不同宽度下界面上钢液流速和液渣剪应变 率, 分析认为:随着结晶器宽度增大, 界面出现的波 动严重不是由于界面钢液剪切所致, 而是由于结晶 器内流场的不稳定性增强引起 .由此可见, 随着结 晶器宽度增大, 结晶器内流场不稳定程度增大, 钢/ 渣界面不稳定性也增强 . 图 7 拉速对钢/ 渣界面及界面上钢/ 渣行为影响 Fig.7 Influence of casting speed on st eel/ slag interfacial behavior ( 4) 拉速.图 7 是结晶器断面为1 235 mm × 200 mm 、水口侧孔形状为水口 1 、水口浸入深度为 150mm 及侧孔倾角为10°时, 不同拉速下钢/渣界面 特征及界面上钢/渣行为, 模拟中选用的拉速为 1.1, 1.2, 1.3 m·min -1 .由图可见, 随着拉速从 1.1 m·min -1增加到 1.3 m·min -1 , 窄边钢/渣界面 位置平均升高2.8 mm, 钢/渣界面的波谷深度平均 增加8 mm .这是由于随着拉速增大, 界面迎谷面区 钢液流速增大, 界面的液渣剪应变率相应增大, 致使 窄边界面位置升高, 界面的波谷深度增大 .在界面 的背谷面区和水平区, 界面上钢液流速在设计的拉 速下相近, 而且较为稳定.从图上还可以看出, 随着 · 622 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷