连铸结晶器内夹杂物运行的数值模拟.doc

连铸结晶器内夹杂物运动行为的数值模拟 摘要：通过计算模拟和与工厂测量夹杂物的比较验证，研究板坯连铸机中湍流、夹杂物和气泡的运动，以及通过流体流动和气泡上浮去除夹杂物行为。利用有限差分模型中的标准κ-ε湍动能模型，模拟结晶器熔池中和上部流股中钢液的三相稳定流动。考虑到夹杂物和气泡的阻力和浮力，通过综合每个局部速度计算夹杂物和气泡的轨迹。利用一个“随机轨道”模型湍描述流脉动对粒子运动的影响。由于在结晶器中通过气泡运行去除夹杂物，在流体流动模拟基础上计算气泡表面夹杂物的附着概率，此流动模拟包括涡流夹杂轨迹、沿着气泡表面的每一个夹杂的滑行时间，滑行时间为颗粒和气泡尺寸的函数。结果表明，6%~10%的夹杂物通过流体流动行为去除，10%的通过气泡上浮去除，以及4%的通过诱捕到浸入水口（SEN）的壁面去除。小气泡和大的夹杂物附着概率更高。小气泡更有利于通过气泡上浮去除夹杂物，当他们没有被凝固壳捕获。较大的气体流速有利于气泡上浮去除夹杂物。最佳的气泡大小应该是2-4mm。 关键词：夹杂物去除；流体流动；气泡上浮；连铸结晶器；附着概率 1 引言 由于高品质钢日益增长的需求，钢铁企业越来越意识到产品“纯净”的要求。尽可能生产夹杂物少的纯净钢是钢铁制造业的主要任务之一。夹杂物可以通过流体流动运行或者气泡上浮从钢液中去除[1-6]。由于小气泡在钢水中停留时间很短，所以气泡表面的夹杂物能够很快的去除。如果它们捕获到坯壳内，气泡中的夹杂物最终会生成诸如气孔和管状之类的缺陷。图1是气泡中的夹杂物的一个例子[9-10 ]。在连铸过程的二级钢精炼工艺中，气泡存在的平均当量尺寸为10~20mm [1-11]和~5mm。气泡形状随大小而变化。尺寸3mm的气泡呈球形，在3-10mm之间的呈球状，以及10mm的呈球帽形。目前，连铸过程中计算出稳流和粒子的轨迹（夹杂物和气泡）。通过流体流动运输和连续铸造中钢水中的气泡去除夹杂物的方法已经量化。 图1 铸块和连铸坯中气泡中的夹杂物 2.模型建立和边界条件 2.1 流体流动和钢水中的粒子运动 通过求解连续性方程Navier-Stokes方程，湍流能量和耗散率方程[12-13]，计算在浸入式水口和连续铸造流股的三维单相稳定湍流的流体流动。粒子的轨迹（气泡和夹杂物）结合以下粒子速度方程计算出来，此方程考虑了拉力和浮力之间的平衡。 其中是流体流速，m/s；是粒子速度，m/s；是风阻系数；是夹杂物直径；和分别为液体和夹杂物的密度，kg/m；是重力加速度率，m/s；t是时间，s。 为了体现粒子运动的“随机”湍流波动的影响，本工作采用“随机轨道”模型。在这个模型中，粒子的速度波动是基于高斯分布的随机数，根据局部脉动的选择动能。由于随机数的改变，产生一个新的瞬时速度的波动，在一个频率表现为涡流的特征。流体的瞬时速度有下面公式给出 其中是流体的瞬时速度，m/s；是平均流体相速度，m/s；是随机系数，是一阶的湍流动能，m2/s2。 根据边界条件，气泡从顶面和全开的底部逸出，反射在其他表面。夹杂物从顶面和全开的底部去除出去，反映在对称平面，当它们接触宽面和窄面，及树状凝固前沿时被捕获。本研究传感器口径大小为80毫米，下倾角向外15°，外部大小65毫米×80毫米。传感器的侵入深度为300毫米，拉速为1.2毫米/分钟。本研究取模型的一半进行计算(2.55米长×0.65米宽×0.25米厚)。 2.2钢水中气泡和夹杂物的相互作用 夹杂物接近气泡，气泡和夹杂物的接触时间，即气泡表面夹杂物的滑动时间。如果液体之间的粒子和薄膜气泡下降到低于一个临界厚度时，它会突然破裂造成夹杂物永久的附着在气泡表面，关键的薄膜厚度和薄膜破裂时间另行计算。 首先，假设轴对称，忽略由于流动和夹杂物运行可能引起的气泡变形，计算稳定的钢水湍流周围的氩气泡的流体流量。远场的速度条件设置为气泡终端速度，假设一个合适的湍流能量耗散率，远场压力出口。然后计算气泡周围的夹杂物轨迹。大量的夹杂物均匀注入在距离远大于的区域，此区域从气泡中心开始到远离气泡直径15-20倍的地方。如果它们接触表面的气泡，夹杂物反射边界条件不变。如果夹杂物中心到气泡表面的正常距离小于夹杂物的半径，那么夹杂物和气泡之间将会发生碰撞。如果这个距离一直保持小于夹杂物半径一段时间，这段时间为下滑时间。夹杂物会附着在气泡的表面，按照之前讨论的准则。所附的概率如图2所示，可表示为： N 是满足它们的接触时间大于膜破裂时间的附着的气泡量；是部分区域的柱直径；是通过注入区的总夹杂物数量；i是环形注入夹杂物的位置的序列号。 建立钢水-氧化铝夹杂氩气泡系统描述气泡上浮法去除夹杂物的模型。假设如下： ?气泡都具有相同的大小 ?夹杂物粒径均匀分布在钢水以及它们太小从而忽略对气泡运动或流动模式的影响。 ?气泡的大小和气体流速自主