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1、高拉速板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面行為研究摘要本文對(duì)高拉速板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面行為進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。在用水模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，考察了拉速、水口出口角度、浸入深度、鑄坯寬度和保護(hù)渣黏度對(duì)界面行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)：在一定拉速下，增加水口浸入深度和向下的張角能有效抑制鋼渣界面波動(dòng)；熔渣黏度對(duì)鋼渣界面形狀幾乎沒(méi)有影響，而界面速度隨熔渣黏度的增加而減小。關(guān)鍵詞高拉速連鑄,結(jié)晶器，鋼渣界面行為，數(shù)值模擬InterfacialBehaviorofSteelandSlaginaSlabContinuousCastingMoldwithHighCastingSpeedCAONa，ZHUMiaoyo
2、ngSchoolofMaterialsandMetallurgy，NortheasternUniversity，ShenyangABSTRACTTheresearchdescribedtheinterfacialbehaviorbetweenfluidsteelandmoltenslaglayerinaslabcontinuouscastingmoldwithhighcastingspeedbynumericalsimulationmethod.Goodagreementbetweenthemathematicalmodelandexperimentalobservationwaso
3、btained.Theinfluencesofcastingspeed,moldwidth,portangle,submergencedepthofSENandmoltenslagviscosityoninterfacialbehaviorwereinvestigated.Foragivencastingspeed,increasingthepenetrationdepthanddownwardportdegreecaneffectivelyrestraininterfacialoscillations.Moltenslagviscosityhashardlyinfluenceoni
4、nterfacialprofileofsteelandslag.Steel-slaginterfacevelocitydecreaseswithincreasingmoltenslagviscosity.KEYWORDScontinuouscastingwithhighspeed,mold,steel-slaginterfacialbehavior,numericalsimulation結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面最為重要的現(xiàn)象就是界面波動(dòng)。波動(dòng)所造成的空氣卷吸及卷渣是引起鋼液二次氧化和鑄坯內(nèi)大顆粒夾雜物的重要來(lái)源之一，是導(dǎo)致鋼產(chǎn)品產(chǎn)生表面缺陷甚至裂紋的重要原因，是當(dāng)前困擾連鑄順行和高端產(chǎn)品生產(chǎn)
5、的一個(gè)因素。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)此現(xiàn)象的研究給與了高度重視[1-9]。PanarasGA等[2]利用有限體積法模擬了結(jié)晶器內(nèi)自由表面的振動(dòng)，表明自由表面的行為有一個(gè)起主要作用的波長(zhǎng)和頻率。當(dāng)拉速超過(guò)臨界拉速時(shí)，可能產(chǎn)生非穩(wěn)定性波。AnagnostopoulosJ等[5]利用體積追蹤法模擬了水油界面的行為，研究了在不同時(shí)間內(nèi)水油界面行為模式隨浸入深度、體積流量和拉速的變化情況。GuptaD等[7]利用油和ZnCl2溶液研究了第二相的出現(xiàn)對(duì)無(wú)量綱化的液面波幅的影響，描述了存在第二相時(shí)彎月面的完整形狀。但是，目前對(duì)于結(jié)晶器內(nèi)實(shí)際鋼渣界面波動(dòng)的研究，尤其是高拉速條件下仍少見(jiàn)報(bào)道[10]，數(shù)值模擬
6、的工作還基本上停留在把界面處理成平坦或無(wú)渣界面的情況。本文利用數(shù)值模擬方法對(duì)高拉速板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼渣界面波動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，在用水模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件系統(tǒng)考察了各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)界面波動(dòng)的影響規(guī)律。1數(shù)學(xué)模型1.1界面波動(dòng)模型采用VOF(volumeoffluid)方法來(lái)描述結(jié)晶器內(nèi)的界面波動(dòng)。即將運(yùn)動(dòng)界面在空間網(wǎng)格內(nèi)定義成一種流體體積分?jǐn)?shù)，并構(gòu)造這種流體體積分?jǐn)?shù)的發(fā)展方程。通過(guò)追蹤主場(chǎng)的模擬過(guò)程，精細(xì)地確定該運(yùn)動(dòng)界面的位置、形狀和變形方向。在VOF方法中，兩種流體共用一組動(dòng)量方程，在全部計(jì)算區(qū)域內(nèi)追蹤流體體積分?jǐn)?shù)。對(duì)于非壓縮流體流動(dòng)，假設(shè)鋼液與熔渣的密度恒定
7、。鋼液體積分?jǐn)?shù)應(yīng)滿足以下傳輸方程：-6-（1）式中，為速度矢量。當(dāng)=1時(shí)代表鋼液，=0時(shí)為熔渣，在0～1之間為鋼渣界面。為獲得較精確的界面形狀，采用CICSAM（CompressiveInterfaceCapturingSchemeforArbitraryMeshes）算法，保持Courant數(shù)在0.3以下。采用Brackbill等提出的CSF（ContinuumSurfaceForce）模型來(lái)考慮表面張力作用。表面張力使界面處產(chǎn)生壓力不連續(xù)，壓力差的計(jì)算
