连铸结晶器内夹杂物运行的数值模拟

1、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-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

2、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

3、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1020mm 1-11和5mm。气泡形状随大小而变化。尺寸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

4、）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，

5、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

6、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

7、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选择一旦夹杂物和气泡之间发生稳定的附着关系，它们之间就没有分离，夹杂物也会被认为是从钢水中去除的，因为大多数气泡的高的去除率。图2 随机湍流的作用下夹杂物附着到气泡表面概率的示意图假设所有的夹杂物都是三氧化二铝，通过气泡上浮法去除所有的氧可用以下公式表达：其中，是气泡直径，m；是气泡迹线长度，m；t是气泡停留时间，s；是夹杂物附着气泡的概率，%

8、；每立方米钢水中夹杂物的尺寸和数量(数密度)；是拉速,m/min；S是该区域的面积（=0.251.3;和是夹杂物的钢液的密度；是在时间t域中气泡的数量；是气体流量，L/min；是钢液温度，1823K；是直径为的夹杂物的数量密度，用于为了解释因为夹杂物和许多气泡同时去除而产生的在夹杂物浓度中产生的有意义的变化，从而计算每个气泡之后，提供夹杂物密度分布。本研究使用以下的参数： 这些参数代表典型的球形夹杂物，如钢水中的固体夹杂如二氧化硅或氧化铝。3.结果与讨论3.1 流体流动传输去除夹杂物上半流股的中心面的速度矢量分布如图3所示，表明双辊流模式。上部循环达到弯月面窄面，第二个循环将液体核心的钢液带动

9、向下流动，并最终流回弯月面板铸坯中心。计算的加权平均湍动能和耗散率在CC流股中，分别是1.65 和 ，计算典型的气泡和杂质的随机轨迹如图4所示，更小的粒子比较大的更深入地渗透和传播。超过1毫米的气泡主要移动上浮。0.2毫米的气泡能够使轨迹移动6.65米，只要在它们逸出顶部或通过底部被捕获之前71.5秒，然而那些0.5毫米，1毫米和5毫米的分别移动3.34米和21.62秒，1.67米和9.2秒，0.59米和0.59秒。平均路径长度（）和气泡停留时间（t）可以用到下面相关的回归方程：平均路径长度和气泡大小的单位为米，气泡停留时间的单位为秒。附着在浸入式水口和捕获在宽面板坯的夹杂物的计算位置如图5所

10、示。计算结果显示4%左右的夹杂物离开中间包棒进入浸入式水口壁面，即，通过堵塞去除夹杂物。图5表明距离板坯表面以下12-14mm处，夹杂物聚集的峰值。这与不是因为局部二次氧化或化学作用引起的喷嘴堵塞结论一致。图3 在连铸流股半深度的流体流动（侵入深度300毫米，1.2m/min拉坯速度，没有吹气）：（a）浸入式水口外端附近的速度；（b）中心面的速度；（c）流体流动的速度（m/s）；（d）湍动能图；（e）湍流能量耗散率图。小于50微米的夹杂物离开中间包，只有6%能够顺利的从顶面去除，这与夹杂物尺寸无关。离开中间包的大多数夹杂物（超过50%）在表面30毫米的地方捕获，此位置在连铸机顶部2.55米处。

11、图5也显示了铸坯表面以下12-12毫米夹杂物累积峰值。尽管表面积较小，但较多夹杂物（15%-16%）在窄面被捕获，这是因为射流冲击凝固区正面。25%-28%的夹杂物离开厚度超过30毫米坯壳内部更深处捕获夹杂的区域。超过50微米的较大部分夹杂物被去除。比如，10%的225微米的夹杂物通过流体流动离开中间包进入结晶器的顶部。计算得到10%-14%的夹杂物通过流体流动运输离开中间包进入铸坯，浸入式水口壁和结晶器的顶面。图4 连铸流股半宽面的流体流动（300毫米侵入深度，1.2m/min浇注速度，以及不吹气）：（a）迹线；（b）0.2毫米气泡轨迹；（c）1毫米气泡；（d）50微米夹杂物；（e）300微

12、米夹杂物。3.2 钢水中气泡和夹杂物的相互作用图6显示在钢水中5毫米气泡周边的100微米夹杂物的流体流动形态和轨迹。夹杂物运动到顶部之后可能接触气泡。随机波动的湍流，使夹杂物非常分散，所以气泡吸附可能会发生在一个范围内的位置（图6右）。计算结果表明，流域内平均湍流能量对周围的气泡最终湍流能量分布的影响不大。夹杂物附着气泡的概率通过计算夹杂物的轨迹算出，如图7所示，图7表示小气泡和大夹杂物之间附着概率大。1毫米的气泡夹杂物吸附概率高达30%，而大于5毫米的气泡附着夹杂的概率小于1%。对连续粒度分布的夹杂物和气泡计算附着率，对气泡附着夹杂物概率的计算结果进行回归，回归公式如图7所示。,A和B取决于

13、气泡。3.3 在连续铸造中通过气泡除去夹杂物图8所示的是在连续铸造流股中通过气泡上浮法得到的相应的夹杂物去除分数。在气体流量相同时，小气泡的出现，导致去除更多的夹杂物。具体来说，1毫米的气泡去除几乎所有大于30毫米的夹杂物。然而，所有这些小气泡都从顶面逸出是不可能的。那些在钢铁产品中被捕获在凝固坯壳里的将产生严重的缺陷。增加气泡大小至7毫米以上，去除率没有变化，可能是由于气泡形状的变化，抵销了小气泡的数量。因此，应该有一个最佳的气泡大小，这不仅仅提高夹杂物去除效率，但也降低捕获率。目前的结果表明，也许2-4mm为最佳的范围，如图8所示，增加气流量会使气泡上浮除去更多的夹杂物。湍流随机运动的效果

14、有增加气泡上浮法去除夹杂物的趋势。在现在连续铸造流的条件下，即气体流量15L/min的条件下，气泡的大小可能是约5毫米，假设多孔耐火材料上布满大量的活性中心，导致每孔的气体流量小于0.5毫升 14。图8所示，总氧气中大约10%通过气泡上浮去除。图5 夹杂物附着浸入式水口和板坯宽面的位置图6 流体流动（左）和在钢水中100微米的夹杂物在5毫米气泡周围的运行轨迹（中间：非随机模型，右：随机模型）这相当于总氧减少为3ppm。据预测有6%-10%的夹杂物移动到顶面,是由于连续铸造链区域的循环流动。因此，通过流体运行和气泡上浮法去除的总的预测的夹杂物大约16%-20%。在中间包测量夹杂物的质量分数为66

15、.8ppm,在板坯中平均为51.9ppm，结晶器中对应22%被去除。考虑到4%夹杂物被捕获于浸入式水口壁面引起堵塞，预测和测量结果非常一致。测量夹杂物分配与预测比较结果见图9。模拟夹杂物的初始大小分布为中间包的大小分布。在只通过气泡上浮法去除夹杂物的模型中，预测夹杂物的粒度分布。如果考虑通过流体流动去除夹杂物，则它们之间的计算和测量的匹配会更好。图8 计算气泡上浮去除夹杂物（15L/min（a）:(a)气泡大小对夹杂物去除的影响；（b）气体流量对夹杂物去除的影响）图9 测量夹杂物分布与预测的比较4结论（1）本工作提出了流体流动的流动和气泡上浮对钢水连铸流股的基本模型中的夹杂物的去除的影响。（2

16、）小气泡和较大的夹杂物吸附的概率较大。小于1毫米的气泡吸附夹杂物的概率为30%，而大于5毫米的气泡吸附夹杂物的概率小于1%。湍流的随机脉动效应（采用随机轨道模型模拟）能够稍微增加附着率。（3）在连续铸造流中，小气泡比大气泡渗透循环流得更深入，小于1毫米的气泡主要是在板坯上部移动，0.2毫米的气泡能够运行6.65米，在它们逸出离顶面或通过底部捕获之前需要间隔71.5秒，然而0.5毫米，1毫米和5毫米的气泡分别移动3.34,1.67,0.59米所需时间为21.62，9.2，和0.59秒。（4）在连续铸造流中，如果气泡直径5毫米，10%的夹杂物预测通过气泡上浮法去除，相当在总氧中减少3ppm。8%的

17、夹杂物通过流体流动去除和4%的夹杂物通过进入浸入式水口墙壁导致堵塞，连续铸造链中测量夹杂物去除率约为22%。（5）小气泡上浮法去除夹杂物更有效，只要它们不捕获在凝固壳，较大的气体流速有利于气泡上浮去除夹杂物，最佳的气泡尺寸为2-4毫米。参考文献1 L.Zhang and S.Taniguchi, 钢液中气泡上浮从去除夹杂物的基础，Int.Mater.Rev,45(2000),p.59.2 A.G.Szekely,在旋转喷嘴惰性气体上浮去除熔融铝固体颗粒工艺，Metal.Trans.B7B(1976),P 259.3k.Okumura,M.Kitazawa,N.Hakamada,et al ,熔

18、铜渣气体喷射搅拌条件下二氧化硅夹杂物的去除率，ISIJ Int,35(1995),p832.4Y.Miki,B.G.Thomas,A.Denissov,et al, 钢中RH脱气夹杂物的去除模型，Iron Steelmaker,24(1997),p31.5W.Pan,K.Uemura,and S.Koyama,惰性气泡对钢中夹杂物捕获的冷模实验，Tetsu-to-Hagane,78(1992),p87.6L.Zhang and S.Taniguchi,钢水湍流的条件下通过气泡上浮从钢液中去除夹杂物的水模拟研究，Ironmaking Steelmaking,29(2002),p326.7 P.Rocabois,J-N.Pontoire,V.Delville,et al,观察Solla钢铁厂不同的薄片和改进实践，以减少冷轧薄板表面的缺陷，inISSTech2003 Confer