高拉速板坯连铸结晶器内钢渣界面行为研究

第47卷第1期2002年1月 简报PAGE 1-高拉速板坯连铸结晶器内钢渣界面行为研究摘要本文对高拉速板坯连铸结晶器内钢渣界面行为进行了数值模拟研究。在用水模型实验验证的基础上，考察了拉速、水口出口角度、浸入深度、铸坯宽度和保护渣黏度对界面行为的影响。研究发现：在一定拉速下，增加水口浸入深度和向下的张角能有效抑制钢渣界面波动；熔渣黏度对钢渣界面形状几乎没有影响，而界面速度随熔渣黏度的增加而减小。关键词高拉速连铸,结晶器，钢渣界面行为，数值模拟InterfacialBehaviorofSteelandSlaginaSlabContinuousCastingMoldwithHighCastingSpeedCAONa，ZHUMiaoyongSchoolofMaterialsandMetallurgy，NortheasternUniversity，Shenyang110004ABSTRACTTheresearchdescribedtheinterfacialbehaviorbetweenfluidsteelandmoltenslaglayerinaslabcontinuouscastingmoldwithhighcastingspeedbynumericalsimulationmethod.Goodagreementbetweenthemathematicalmodelandexperimentalobservationwasobtained.Theinfluencesofcastingspeed,moldwidth,portangle,submergencedepthofSENandmoltenslagviscosityoninterfacialbehaviorwereinvestigated.Foragivencastingspeed,increasingthepenetrationdepthanddownwardportdegreecaneffectivelyrestraininterfacialoscillations.Moltenslagviscosityhashardlyinfluenceoninterfacialprofileofsteelandslag.Steel-slaginterfacevelocitydecreaseswithincreasingmoltenslagviscosity.KEYWORDScontinuouscastingwithhighspeed,mold,steel-slaginterfacialbehavior,numericalsimulation结晶器内钢渣界面最为重要的现象就是界面波动。波动所造成的空气卷吸及卷渣是引起钢液二次氧化和铸坯内大颗粒夹杂物的重要来源之一，是导致钢产品产生表面缺陷甚至裂纹的重要原因，是当前困扰连铸顺行和高端产品生产的一个因素。多年来，国内外对此现象的研究给与了高度重视[1-9]。PanarasGA等[2]利用有限体积法模拟了结晶器内自由表面的振动，表明自由表面的行为有一个起主要作用的波长和频率。当拉速超过临界拉速时，可能产生非稳定性波。AnagnostopoulosJ等[5]利用体积追踪法模拟了水油界面的行为，研究了在不同时间内水油界面行为模式随浸入深度、体积流量和拉速的变化情况。GuptaD等[7]利用油和ZnCl2溶液研究了第二相的出现对无量纲化的液面波幅的影响，描述了存在第二相时弯月面的完整形状。但是，目前对于结晶器内实际钢渣界面波动的研究，尤其是高拉速条件下仍少见报道[10]，数值模拟的工作还基本上停留在把界面处理成平坦或无渣界面的情况。本文利用数值模拟方法对高拉速板坯连铸结晶器内钢渣界面波动现象进行了研究，在用水模型实验验证计算结果的基础上，采用现场实际条件系统考察了各个工艺参数对界面波动的影响规律。1数学模型1.1界面波动模型采用VOF(volumeoffluid)方法来描述结晶器内的界面波动。即将运动界面在空间网格内定义成一种流体体积分数，并构造这种流体体积分数的发展方程。通过追踪主场的模拟过程，精细地确定该运动界面的位置、形状和变形方向。在VOF方法中，两种流体共用一组动量方程，在全部计算区域内追踪流体体积分数。对于非压缩流体流动，假设钢液与熔渣的密度恒定。钢液体积分数应满足以下传输方程：（1）式中，为速度矢量。当=1时代表钢液，=0时为熔渣，在0～1之间为钢渣界面。为获得较精确的界面形状，采用CICSAM（CompressiveInterfaceCapturingSchemeforArbitraryMeshes）算法，保持Courant数在0.3以下。采用Brackbill等提出的CSF（ContinuumSurfaceForce）模型来考虑表面张力作用。表面张力使界面处产生压力不连续，压力差的计算式为：（2）式中，为表面张力系数，为表面平均曲率。根据CSF模型，表示为：（3）1.2流动模型为简化结晶器内流体流动过程，提出以下假设：（1）结晶器内钢液流动为三维瞬态不可压缩牛顿流动。（2）不考虑铸坯或结晶器往复振动以及凝固收缩等因素对钢液运动所产生的影响。连续方程：（4）动量守恒方程：（5）式中，（6）（7）（8）式中，和分别为熔渣和钢液的密度。为有效黏度系数，由Launder和Spalding提出的双方程湍流模型确定。和分别为层流和湍流的黏度系数。和分别为熔渣和钢液的层流黏度系数。1.3边界条件和求解方法由于流动的对称性，计算区域取流场的1/4。结晶器入口速度及出口速度根据流体质量守恒定律确定。入口处湍动能，耗散率。对称面上所有变量梯度为零。近壁面处使用标准壁面函数。钢液体积分数在入口处设为1。所有控制方程的求解，边界条件的处理采用STAR-CD软件进行。在模型验证时，为了与实验结果对比，数值模拟计算中所用的工艺参数和物性参数均与水模型一致。其他情况下均采用实际生产时的参数。具体参数见表1和表2。表1数值模拟计算使用的工艺参数CastingConditionsValueMoldthickness,mm220Moldwidth,mm1000，1150，1300SubmergencedepthofSEN,mm120，170，220Portangle,degree-10，-15，-20Castingspeed,m/min1.4，1.8，2.2表2数值模拟计算使用的物性参数PhysicalPropertiesValueWaterdensity,kg/m31000Waterviscosity,kg/ms0.001Oildensity,kg/m3900Oilviscosity,kg/ms0.179Liquidsteeldensity,kg/m37020Liquidsteelviscosity,kg/ms0.0067Moltenslagdensity,kg/m32700Moltenslagviscosity,kg/ms0.1Water-oilinterfacialtensioncoefficient,N/m0.05Steel-slaginterfacialtensioncoefficient,N/m1.4Contactangleofsteel-slaginterface,degree402水模型实验为验证数值计算结果，对结晶器内钢液流动行为、钢渣界面行为进行研究。根据相似原理，即保证水模型与原型的弗鲁德准数相等。按1:2.5比例建立了的结晶器水模型，选择水和真空泵油分别模拟钢液和熔渣层。对实验过程进行拍摄。3结果与讨论3.1板坯结晶器内钢渣界面的基本特征(a)(a)水模结果(b)计算结果WaterOil图1水油界面形状的水模拟与数值模拟结果的比较图1为水油界面形状的水模拟与数值模拟结果。由图可见，油层厚度在弯月面处为最薄，而在结晶器宽面的1/2处左右达到最大值，在水口附近基本保持不变。水油界面的形状产生了明显的波峰和波谷。计算结果与实验观察的结果吻合良好。由图1（b）还可以看出，流体从水口流出后，形成一股很强的射流。射流几乎沿直线撞击到窄面的冲击点位置，且在行进过程中不断扩张，流速逐渐降低，到达窄面后分为上升流和下降流两大流股。上升流股沿窄面向上表面流动，它们的流量和流速直接影响到弯月面的波峰高度。到达一定高度后，由于重力的作用向下回落。此时，流体的势能转化为动能，使表面流速在波谷处达到最大值。流体在下落过程中，由于水油界面间表面张力的存在和油层本身的重力作用，使靠近弯月面的油层被钢液携带至波谷和水口附近。这导致波谷和水口附近的油层加厚。随后，流体在向水口流动的过程中，由于流速较小，因此在水口附近的油层界面比较平稳。3.2操作参数对钢渣界面行为的影响3.2.1拉速图2拉速对钢渣界面形状的影响图3浇铸宽度对钢渣界面形状的影响图2表示板坯尺寸为1150×220mm，水口浸入深度170mm，张角下倾15º时，拉速对钢渣界面形状的影响。由图可见，钢液沿结晶器壁面上升，在弯月面处达到最大高度后形成波峰，然后发生回落。当钢液下落至x=0.32~0.36m时界面就基本平稳。在拉速由1.4m/min上升到2.2m/min的过程中，弯月面处波峰升高了8.5mm，界面波动范围也从8mm增至19mm。在水口附近的熔渣层厚度也增加了近3mm。拉速的增大使向上流股的垂直向上速度分量增加，导致弯月面处的钢液高度明显升高，同时将更多的熔渣携带至水口附近的区域，也引发水口附近熔渣层增厚。3.2.2浇铸宽度图3表示拉速1.8m/min，水口浸入深度170mm，张角下倾15º时，浇铸宽度对钢渣界面形状的影响。由图可见，铸坯宽度从1000mm增至1300mm的过程中，弯月面处波峰高度从10.5mm降至8mm，整个界面波动的范围由16mm缩小至12mm，水口附近的界面波动也随之减小。当宽度为1000mm时，在x=0.27m处形成了较1150mm和1300mm明显的波谷，波谷的位置基本处于宽面的中心处。浇铸宽度增加后，钢液自水口出口流出后行经的距离变长，冲击点的位置逐渐下移，冲击到窄面时的动能增大。然而上回流到达弯月面的距离也同时变长。因此，在一定的拉速下，浇铸宽度的增加使弯月面处的钢液高度有所减小，但幅度不大。3.2.3水口浸入深度图4表示板坯尺寸1150×220mm，拉速1.8m/min，张角下倾15º时，水口浸入深度对钢渣界面形状的影响。由图可见，水口浸入深度增加，弯月面波峰高度有明显降低，浸入深度每增加50mm，弯月面波峰高度就减少近3mm。整个界面波动也趋于平缓，波动范围由120mm浸入深度时的17mm降低至220mm时的10.5mm。当钢液回落至x=0.32~0.34m以后，界面就不发生明显的波动。这表明增加水口浸入深度能有效抑制钢渣界面波动，减少卷渣发生的可能性。但较大的浸入深度会使表面流动变弱，易引起由于弯月面过于平静而产生的表面缺陷。同时，由于钢液冲击太深，降低夹杂物上浮去除的几率而造成的表面缺陷。因此，合理选择水口浸入深度对于提高铸坯的表面质量有重要意义。图4水口浸入深度对钢渣界面形状的影响图5水口出口角度对钢渣界面形状的影响3.2.4水口出口角度图5表示在板坯尺寸1150×220mm，拉速1.8m/min，水口浸入深度为170mm时，出口角度对钢渣界面形状的影响。由图可见，当张角由向下10°增至向下20°变化时，界面波动范围由20.5mm减至9.3mm。出口角度每向下增加5°，波峰高度就降低4mm左右。可见界面形状对出口角度很敏感。向下的出口角度增大，钢液向上流动趋势减弱，从而使弯月面处的钢液高度明显减小，钢渣界面趋于平静。由于更多的钢水冲击到液相深处，这将对结晶器内夹杂物的上浮不利。3.2.5保护渣黏度

图6熔渣黏度对钢渣界面形状的影响图7熔渣黏度对钢渣界面速度的影响图6表示板坯尺寸1150×220mm，拉速1.8m/min，水口浸入深度170mm，张角下倾15º时，熔渣黏度对钢渣界面形状的影响。由图可见，熔渣黏度对钢渣界面形状几乎没有影响。波峰高度均在10~11mm，界面波动范围均在15~17mm。在x=0.32m左右处界面位置基本达到最低值。图7表示熔渣黏度对钢渣界面速度的影响。由图可见，熔渣层的黏度越大，界面速度值越小。当x=0.4m左右时，即靠近窄面1/3处，界面速度达到最大值，这也是发生卷渣的位置[8]。当黏度逐渐增大，界面速度最大值由0.20m/s降至0.14m/s。由于上回流股的水平和垂直向上的速度引起的弯月面处速度值的减小量为0.04m/s。紧靠水口处的速度值基本不变。可见，增加保护渣的黏度是降低界面速度的有效手段。在高拉速条件下，由于保护渣必须保证高的渣液流动性，获得较大的耗渣量以满足结晶器润滑的要求，所以黏度不能太大。4．结论（1）利用VOF方法建立了描述高拉速板坯连铸结晶器内钢渣界面的数学模型。通过与水模型实验结果进行对比，证明数学模型计算结果能够反映钢渣界面的波动行为，为合理选择工艺参数和优化水口提供理论依据。（2）钢液回落至宽面的0.5~0.7处后，钢渣界面基本不再发生明显波动。提高拉速能明显加剧钢渣界面的行为幅度。增大浇铸宽度对降低弯月面处的波峰作用不明显。增加水口浸入深度和向下的张角能有效抑制界面波动，降低卷渣机率。（3）熔渣黏度对钢渣界面形状几乎没有影响。界面速度最大值发生在靠近窄面1/3附近处。适当增加黏度可以降低钢渣界面速度。参考文献IlegbusiOJ,SzekelyJ.ISIJInt，1994；34（12）：943PanarasGA,TheodorakakosA,BergelesG.TheodorakakosA，BergelesG.MetallTrans，2021，29B（6）：1321谭利坚，沈厚发，柳百成，刘晓，徐荣军，李永全.金属学报，2021；39（4）：435)AnagnostopoulosJ,BergelesG.MetallTrans,2021；30B（6）：1095DashSK,MondalSS，AjmaniSK.Int.J.Num.MethodsHeatFluidFlow,2021；14（5）：606GuptaD，LahiriAK.MetallTrans，1994；25B(4)：227雷洪，许海虹，朱苗勇，干勇，刘新，倪满森，刘家奇．钢铁，2021；34（8）：20）IguchiM,YoshidaJ,ShimizuT,MizunoY.ISIJInt,2021；40（7）：685HuangX，ThomasBG.CanMetallQ,2021；37（3-4）：197McDavidRM，ThomasBG.MetallTrans,1996；27B（4）：672

暑期实习报告我们马上就要上大三了，在大一大二的时候，我就想应该找点工作来做做，可惜一直都因没有适当安排好时间而作废，我正想这个假期应该可以去上班试试看，总归得回归社会嘛，农村在暑期基本上农活并不多，我就想这确实是个去实习的好机会，可能今后未必就有这么好的机会。巧的是，老师也这么要求，那我就更是有这个必要去实习实习了。我刚开始就是去小镇上找找看，有没有什么活干，我看到街上的昭示，有百货超市啊，餐馆啊，还有就是招人打小工的，不过因为毕竟这个是需要盖章的，所以呢，超市就是个不错的选择，而且关键在于，在我们今天这个市场经济带动作用下，懂得销售技巧是非常好的，不光要求把商品推销出去，把自己推销出去，还有把一种理念，一个招牌打出去。我本来平时就比较喜欢和人交流，就喜欢人与人交流的那种思想碰撞的感觉，人也和蔼可亲，可是呢，感觉有时候又缺乏一定的技巧，最后给人一种不存在的感觉，有些不服气，这不，这文铭家用电器超市啊是卖家用电器的，我们那边的离一公里的两个小镇都开有他们的店，他们家在一边，只能照看一头的生意，另外一头是新开的，就需要个可靠的人给他们照看家用电器和家具，他们是希望招一个能说会道而且可靠的人，给他们招呼客人。如果遇到什么生意，需要把人家客人款待好些，让他们看看家用电器和家具，给他们介绍介绍价格和性能什么的，然后说服他们到老板家那个小镇去说去看，我二姨家就住在街上，和这家人关系很好，听说我需要找工作，就向他们介绍我，而且还不说，我和他们的侄女就是初中同学，我也去过他们家玩，只是他们需要招的是长期的工作人员，我说我一个月，然后把他们出的工资降低，又和他们再说说，终于就在他们的另一个小镇承担起了负责人的态度，平时我就住在我大娘家，我大娘家的对面就是那个超市。找工作的路途让我明白，这个社会人脉是很重要的，人更愿意相信和自己有些关系，有些来往的人，这会增加一种信任度，还有就是人际交流，自己需要展示好的品质，比如诚实，谦虚，和蔼可亲，有说服力。诚实是最打动人的，如果一个人油腔滑调，旁人是不会放心地任务交在他的手上，另外，如果自己可以说服他们雇用自己，他们即便就会认为自己可以说服自己的顾客购买自己的商品，还有就是保障，这是一桩大生意，家具若有任何闪失，损失的就是一大笔钱，我二姨家和店主他家很亲近，他们是信得过的，我二姨说，若我犯了什么闪失她来担保，而且想必考取一个名牌大学的学生，人格上他们还是信得过，另外，店主他家也偶尔会来看一看哪里有没有什么问题。再说，他们有我的个人信息，我是不会因小失大犯事儿的。因此，我最终就谋上了这个职位，松了一口气，感觉自己很幸运。因为我是临时工，而且主要是为了锻炼自己的市场营销能力，薪水不是关键，本来的职工薪水是底薪一千二百元，百分之一的提成，而我，是底薪八百元，百分之一的提成。若是由我这边介绍的人，最终买了家具，我就可以拿到提成，想想还是蛮可以的。我在这个镇上是住在我大娘家，她家就在我们这个超市的对面。早晨我七八点起床，速速做饭吃了，就去开店门。然后在那里坐着守着，还可以拿我喜欢的故事书，名著啊什么的在那里阅读，和周围忙活的人闲聊说说话，还可以打开音响，放着他家这里的碟片，听各种美妙的音乐。贵州的气候本就凉爽，小镇在山半腰就更加清风吹拂，是避暑的好地方，我抬头就能看见我最喜欢的青山，总是一直耸立在那里，有一种父亲的风骨，更有一种超凡脱俗的韵味，看见山我就觉得自己是自然的一分子，觉得自己很高，我觉得这日子舒服极了！每次赶集，我妈妈都会背来一些菜啊，瓜果之类的来卖，一些给我大娘家，就当是我在我大娘家住的生活费用，毕竟是我得麻烦人家一个月呢！生活上的事情是无忧无虑的了，至于生意上的事情，基本上是冷冷清清，隔三岔五才会有人来问一下，当有人来问家具或电器的时候，我就十分地欣喜，觉得又是个锻炼的好机会，有客人来了我就希望尽我的全力，让人家买我的产品，这样才能实现我的价值，也证明了店主家没有白白雇用我，家用电器和家具的性能店主家都给我说的，我基本上也会了，还有我又有自己看说明书，知道怎么说产品的性能。我微笑着招呼人家，和人家谈论产品性能，还和人家拉拉家常，其实卖家具和买菜就差不多，主要是人家看着差不多，你又会说，人家感觉舒服就愿意向你买，我一遇到问的人，就好象激活了我浑身的细胞，总想把东西卖出去，一欣喜，脸就会红，觉得世界非常美好，想到我的工资可以加，名声也会更好听，我妈妈也更加喜欢我了，（我好像长不大，从小就喜欢这些），人会变的很友善很机灵，很努力的款待人家，还有一点，贵州的农村人都是很喜欢机灵可爱的人的，我感觉我给他们留下的印象就不错。他们有在议论这个姑娘机灵。我卖的第一套家具是我姐夫的二哥买的，他们是自己看的，我给他们说了一下性能，没说产品什么好话，他们看着还可以，估计觉得买别人的还不如买自家人的，最终我就算完成第一笔生意。生意不是天天都卖成，所以，每每完成一笔生意，我就在心里记得很清楚，想着就高兴，然后期待下一场生意的到来。有几个只是随便问一下，然后又去别的地方看，有的人问了问了，然后又回来在这里买了。有的人自己会看，我根本不用怎么介绍，他们就要求见店主，我就当是个服务员就好了，打电话给店主他们，周罗一些杂碎事物。也遇到了一位难缠的，我给他说，他不断用没有理论依据的话质疑我们的产品，我还没听过类似的话语，觉得很无语，最后他和店主说，讲了又讲，最后还是买了几件家具。算算卖了的家具，我这一个月下来总共是四五家的人买，一般都是买一套家具，还有就是买的电器，我需要告诉他们怎么操作，怎么看性能，最终那个月卖了两套电器。这家具，如果客人买的是一套就是几千上万元，我也就可以拿到一百元左右的提成，电器还零散一些。最后我得到的工资是1280元，在农村还是可以的。总体来说，我对我