連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的研究進(jìn)展

唐海燕 李京社 吉傳波 梁永昌 吳拓 王建磊

( 北京科技大學(xué))

0 引言

結(jié)晶器是連鑄機(jī)非常重要的部件，是一個(gè)強(qiáng)制水冷的無(wú)底鋼錠模，稱(chēng)之為連鑄設(shè)備的“心臟”。其基本功能是使鋼液逐漸凝固成所需要規(guī)格、形狀的坯殼，并通過(guò)結(jié)晶器的振動(dòng)，使坯殼脫離結(jié)晶器壁而不被拉漏以及不產(chǎn)生變形、裂紋等鑄坯缺陷［1］。因此，結(jié)晶器的性能對(duì)連鑄機(jī)的生產(chǎn)能力和鑄坯質(zhì)量起著十分重要的作用。連鑄板坯的表面和內(nèi)部缺陷與結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。如從浸入式水口流出的流股沖向鑄坯窄面區(qū)域，由于沖刷作用，使窄面坯殼不均勻生長(zhǎng)，影響坯殼的傳熱，從而導(dǎo)致角部縱裂紋產(chǎn)生，嚴(yán)重時(shí)甚至造成漏鋼;另外結(jié)晶器鋼水流動(dòng)模式的改變引起過(guò)大的液面波動(dòng)，破壞了彎月面的穩(wěn)定凝固，容易造成局部卷渣，從而引起皮下夾渣等表面缺陷。因此，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為進(jìn)行了總結(jié)，并提出了未來(lái)的發(fā)展方向。

1 結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動(dòng)模擬研究

結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)屬于湍流流動(dòng)。研究它的方法很多，主要有直接測(cè)量法、水模擬法和數(shù)值模擬法。由于鋼水的高溫( ～1800 K) 直接測(cè)量方法很難實(shí)現(xiàn)。Assar 等［2］用一種電磁感應(yīng)器來(lái)測(cè)量彎月面附近鋼水的速度。也有部分學(xué)者用釘板試驗(yàn)法研究結(jié)晶器表面液態(tài)渣層的形貌［3］。這些研究對(duì)實(shí)際連鑄生產(chǎn)過(guò)程中結(jié)晶器的流場(chǎng)提供了非常有價(jià)值的信息。然而，所有這些研究對(duì)結(jié)晶器內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象僅僅提供有限的分析，而且介于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)原因有時(shí)這些測(cè)量結(jié)果并不是很準(zhǔn)確。因而，水模型和數(shù)值模擬這兩種方法就成為研究連鑄結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)行為的主要方法。

對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的研究主要集中在鋼液的流場(chǎng)以及鋼/渣界面的物理行為。

1．1 結(jié)晶器鋼水流動(dòng)的水模擬

液態(tài)水和鋼水的動(dòng)力學(xué)粘度系數(shù)相差很小( ～20%) ，因而以相似原理為基礎(chǔ)的水模型實(shí)驗(yàn)研究廣泛應(yīng)用于模擬連鑄過(guò)程流動(dòng)現(xiàn)象［4－5］。影響結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場(chǎng)的主要因素有: 浸入式水口結(jié)構(gòu)參數(shù)如水口直徑、出口傾角、面積、水口形狀等以及連鑄工藝參數(shù)如水口浸入深度、拉速、吹氣量等，因此水模擬實(shí)驗(yàn)也主要是圍繞這些方面展開(kāi)。模型與原型比例常為1∶ 1、1∶ 2 或者1∶ 3。為便于研究，經(jīng)常使用示蹤法顯示流場(chǎng)。使用較多的示蹤法有: 粒子示蹤法、染色示蹤法及氣泡示蹤法。

對(duì)流場(chǎng)的定量測(cè)量，分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量，主要對(duì)流場(chǎng)的速度、壓力以及液面波動(dòng)等進(jìn)行測(cè)量。Thomas 和Huang［6］在1∶ 1 結(jié)晶器水模型中用熱線(xiàn)式風(fēng)速計(jì)測(cè)量了結(jié)晶器表面的水流速度。Honeyands 和Herberton［7］，在薄板坯水模型試驗(yàn)中用超聲波流量傳感器研究結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)現(xiàn)象，超聲波流量傳感器安裝在水面上部測(cè)量表面波動(dòng)。Gupta 和Lahiri［5］通過(guò)流量傳感器的研究表明:對(duì)結(jié)晶器底部封閉和開(kāi)放式兩種結(jié)晶器，表面波動(dòng)和形狀波動(dòng)周期分別為5 s 和50 s，表面波動(dòng)振幅隨著拉速的增加而增加。水模型試驗(yàn)中同樣可以利用一些非侵入性測(cè)量?jī)x器，如激光多普勒速度測(cè)量?jī)x( LDV)［8］和粒子圖像測(cè)速儀( PIV)［9］。

關(guān)于水口形狀對(duì)流場(chǎng)的影響，R． Chaudhary等［10］研究了底部結(jié)構(gòu)為山形和凹形水口對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明使用山形水口，結(jié)晶器的表面流速比凹形水口高50%，因而更易造成表面卷渣。

N．A． Mcphereson［11］比較了橢圓形側(cè)孔和圓形側(cè)孔的不同之處，結(jié)果表明橢圓形側(cè)孔的較高部位處存在較大的壓力差，因此產(chǎn)生不穩(wěn)定的水流。而采用圓形出口，鋼液較為穩(wěn)定。

雷洪、朱苗勇等［12］研究了長(zhǎng)方形水口和圓形水口對(duì)改善卷渣的影響，結(jié)果表明:前者比后者更為有效。

N．Tsukamoto 等［13］用1∶ 1 水模型實(shí)驗(yàn)研究了浸入式水口的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn): 在相同出口面積下，方形側(cè)孔的流股噴出速度比圓形側(cè)孔大，流股沖擊深度也大。但方形側(cè)孔的流股散射程度小，對(duì)結(jié)晶器寬面的沖刷小，利于坯殼生長(zhǎng)。

包燕平［14］針對(duì)薄板坯連鑄高拉速的需要，開(kāi)發(fā)了一種耗散型浸入式水口，并通過(guò)與普通雙側(cè)孔水口的比較，得出了耗散型水口是一種適合薄板連鑄高拉速生產(chǎn)的新型水口。

關(guān)于連鑄和水口工藝參數(shù)對(duì)結(jié)晶器流場(chǎng)的影響，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者也做了大量的水模擬實(shí)驗(yàn)研究。

T．honeyands 等［15］研究了薄板坯連鑄過(guò)程中浸入式水口的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流充填率和傾角的影響。結(jié)果表明:在相同的條件下，大內(nèi)徑的水口射流噴射角比小內(nèi)徑的水口大。雷洪等［16］通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，出口面積增大，明顯降低了水口出口處鋼水流股速度，一方面會(huì)減小流股沖擊窄面的速度、使表面波動(dòng)降低;另一方面，由于鋼流速度偏角的減小，造成沖擊點(diǎn)上移引起更大的波動(dòng)。

B．G．Thomas［17］等對(duì)不同水口傾角下結(jié)晶器流場(chǎng)進(jìn)行了水模型實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明: ①隨著水口傾角的下降，有效射流角度增加，射流與窄面的沖擊位置下移;②水口浸入深度小，液面波動(dòng)劇烈; ③隨著浸入深度變大，射流與窄面的沖擊點(diǎn)下移，但流場(chǎng)的基本形狀不發(fā)生變化;④不同拉速下，結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的基本形狀相似;但隨著拉速的增加，結(jié)晶器內(nèi)的流速增大，沖擊深度變深，結(jié)晶器液面的波動(dòng)加劇; ⑤吹入氬氣改變了結(jié)晶器上回流的流動(dòng)方式，使注流與結(jié)晶器窄面的撞擊點(diǎn)上移，回流區(qū)的位置上移，當(dāng)含氣鋼液流至上表面時(shí)，流向水口處的回流減緩，向結(jié)晶器寬面有輕微的漂移，其影響程度隨含氣率的增加和氣泡尺寸的降低而增加; 但吹入氬氣對(duì)下回流的影響很小。

Hua Bai 等［18］研究認(rèn)為: 氬氣的吹入增大了鋼液的湍動(dòng)，使射流傾角上傾，減小了回流區(qū)( 鋼液重新流回水口上方) 的大小，且隨著拉速的增加，吹氬的影響減弱。水口中的最小壓力受吹氬量的影響，吹氬量增加，水口中的壓降減少，最小壓力提高，從而減少了水口堵塞的可能性。

陸巧彤等［19］采用1∶ 1 的水模型研究了工藝參數(shù)對(duì)大板坯結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)表面波動(dòng)的影響。結(jié)果表明:隨著拉速和吹氣量的增加，液面波動(dòng)加劇。但結(jié)晶器寬度不同，吹氣量影響也不同，隨著結(jié)晶器寬度的增加，液面波動(dòng)明顯增大。

GUPTA 和A． K． LAHIRI［5］研究了結(jié)晶器內(nèi)液體流動(dòng)的不對(duì)稱(chēng)性，結(jié)果表明:當(dāng)結(jié)晶器的厚寬比為1∶ 6．25 或更小時(shí)，水口出口處旋轉(zhuǎn)的渦流與結(jié)晶器寬面的碰撞會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)方式不對(duì)稱(chēng);射流的不穩(wěn)定與渦流方向的改變會(huì)引起流動(dòng)方式的改變。

關(guān)于結(jié)晶器卷渣，He qinglin［20］利用物理模擬實(shí)驗(yàn)研究了漩渦卷渣的機(jī)理，認(rèn)為結(jié)晶器內(nèi)漩渦卷渣主要是因?yàn)樵谒诟浇趦蓚?cè)的流股作用形成的，偏流不是漩渦卷渣形成的主要原因，但它會(huì)增大漩渦卷渣的深度和發(fā)生頻率。通過(guò)優(yōu)化水口參數(shù)，改善偏流現(xiàn)象可以有效地減少或消除漩渦卷渣現(xiàn)象。朱苗勇［21－22］等利用物理模型系統(tǒng)研究了高拉速條件下結(jié)晶器內(nèi)漩渦現(xiàn)象，分析了鋼渣界面行為以及液態(tài)渣的消耗機(jī)理。認(rèn)為表面回流鋼渣卷混是引起結(jié)晶器卷渣的主要方式，拉速、水口的浸入深度、張角以及保護(hù)渣的粘度均對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的卷渣產(chǎn)生影響。通過(guò)增大水口向下的張角和水口浸入深度，可以防止結(jié)晶器內(nèi)卷渣的發(fā)生。

在結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)研究中，最具代表性的水模研究成果是日本的NKK 鋼鐵公司［23］采用1∶ 3水模型研究結(jié)晶器液面波動(dòng)、表面流速等對(duì)結(jié)晶器卷渣的影響，提出采用F 數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)晶器鋼水卷渣情況，F(xiàn) 數(shù)的計(jì)算公式為:

式中:ρ——鋼水的密度，kg/m3;

QL——鋼水的流量，m3/s;

θ——注流撞擊窄面的角度;

V——注流的撞擊速度，m/s;

D——撞擊點(diǎn)距自由面之間的距離，m。

研究表明，F(xiàn) 數(shù)在2 ～4 時(shí)，結(jié)晶器鋼水卷渣最不容易發(fā)生，鑄坯及冷軋軋板的表面缺陷最小。

陸巧彤［24］，齊新霞［25］等用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上的公式。他們的研究表明: 當(dāng)F 數(shù)控制在3 ～5，即可以將液面波動(dòng)控制在±(3 ～5) mm 的合理范圍內(nèi)，卷渣的幾率最小。

1．2 結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動(dòng)數(shù)值模擬

水模型在直觀(guān)認(rèn)識(shí)結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生的基本現(xiàn)象和水口優(yōu)化方面發(fā)揮了很重要的作用，但畢竟結(jié)晶器內(nèi)的現(xiàn)象比較復(fù)雜，進(jìn)行結(jié)晶器內(nèi)鋼流流動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬很有必要，目前已成為研究的主要手段之一。

流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型主要涉及以下幾方面內(nèi)容:①結(jié)晶器內(nèi)流體流動(dòng)情況、流動(dòng)的非對(duì)稱(chēng)性、合理的水口設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝參數(shù)優(yōu)化［17，26］; ②研究結(jié)晶器自由液面現(xiàn)象，液渣層分布以及流動(dòng)行為，結(jié)晶器液面波動(dòng)大小以及卷渣情況分析［27－28］;③研究結(jié)晶器鋼液流動(dòng)過(guò)程對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡［29］以及夾雜物上浮去除的影響［30］;④在電磁力作用下的鋼液流動(dòng)情況，電磁制動(dòng)對(duì)于結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)和液面波動(dòng)的影響［31－32］。

結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)。研究湍流現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型一般包括平均雷諾數(shù)Navier －Stokes 模擬方法( RANS) 、大渦流模擬方法( LES) 和直接數(shù)值模擬方法( DNS)［33］。考慮到計(jì)算成本原因，RANS模型加上雙方程( k －ε) 模型廣泛應(yīng)用于連鑄過(guò)程水口和結(jié)晶器流動(dòng)現(xiàn)象的模擬。Huang 等［34］用非穩(wěn)態(tài)RANS 數(shù)學(xué)模型研究了水口條件的變化和鋼渣界面波動(dòng)劇烈的情況下結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)現(xiàn)象。

在研究連鑄湍流現(xiàn)象中，更多的是用LES 和DNS 數(shù)學(xué)模型模擬湍流速度場(chǎng)。在雷諾數(shù)較高的情況下由于DNS 計(jì)算成本較大，所以L(fǎng)ES 模型更加適合研究連鑄湍流現(xiàn)象。但是LES 模型只能解決大尺度渦流，一些耗散的小渦流通常會(huì)被過(guò)濾掉，這就導(dǎo)致產(chǎn)生殘余應(yīng)力張量，這時(shí)可以用一種叫做次網(wǎng)格尺度的模型( SGS model) 來(lái)模擬。LES 模型最初是應(yīng)用在一些簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)例如在渠道或者管道中流體流動(dòng)中湍流現(xiàn)象，在這些簡(jiǎn)單的流體結(jié)構(gòu)中也使用SGS 模型研究流體的湍流現(xiàn)象［35］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在一些復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)中也可以利用LES 模型來(lái)解決更復(fù)雜的問(wèn)題，例如湍流射流現(xiàn)象［36］及鈍體周?chē)黧w流動(dòng)的湍流現(xiàn)象［37］。

B．G． Thomas［17，26，29］采用高雷諾數(shù)湍流模型對(duì)板坯結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究表明，水口的流股角度對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)有較大影響。

Creech［38］等采用有限差分模塊CFX4．2 對(duì)結(jié)晶器內(nèi)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和傳熱進(jìn)行模擬，比較了標(biāo)準(zhǔn)K －ε模型、低雷諾數(shù)K－ε 模型和邊界修正K－ε 模型三種模型的仿真計(jì)算結(jié)果，指出邊界修正K －ε 模型與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合較好。而低雷諾數(shù)K －ε 模型對(duì)于網(wǎng)格劃分要求較高，只有當(dāng)網(wǎng)格處理較好時(shí)才能保證得到理想的結(jié)果。采用Fortran 進(jìn)行壁面修正的K－ε 模型可以預(yù)測(cè)結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長(zhǎng)情況，有助于了解坯殼生長(zhǎng)變化規(guī)律，可以避免其它模型出現(xiàn)的坯殼過(guò)薄的情況。對(duì)于結(jié)晶器液面波動(dòng)的研究，基本上都采用N－S 方程和K －ε 湍流模型［39］，而模擬的難點(diǎn)主要是如何選擇合適的界面邊界條件以及確定界面形狀。對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)進(jìn)行模擬研究時(shí)，主要研究對(duì)象局限于水油界面和自由表面。

朱苗勇等［40］用K －ε 模型對(duì)不同浸入式水口側(cè)孔傾角下結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明:當(dāng)出口角度從向下到水平變化時(shí)，下部回流區(qū)變大，鋼液對(duì)結(jié)晶器窄邊的沖擊點(diǎn)上移，上部回流區(qū)變小，鋼流對(duì)熔池表面沖擊的強(qiáng)度增強(qiáng)，加劇了表面的波動(dòng);當(dāng)水口出口角度從水平到向上變化時(shí)，上部回流區(qū)逐漸變小，直至消失，表面擾動(dòng)和不穩(wěn)定加劇，易造成卷渣和鋼液面裸露，下部回流中心上移;當(dāng)出口角度為水平時(shí)，射流到結(jié)晶器窄面的距離最短，沖擊速度最大。

Hua Bai 等［41］采用商業(yè)軟件CFX 對(duì)吹氬后浸入式水口內(nèi)的鋼液行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明: 大部分氬氣從水口出口的上半部分逸出，而出口下半部分的注流中含有很少的氣體; 氬氣的吹入使出口射流傾角上移，鋼液擾動(dòng)增加，反流入水口的回流區(qū)減小;隨著拉速的增加，氬氣對(duì)流場(chǎng)的影響減小。與水模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。

Kouji TAKATANI 等［42］采用LES( Large Eddy Simulation) 模擬法建立了結(jié)晶器內(nèi)瞬變流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，分析了向浸入式水口中吹入氬氣對(duì)鋼液和凝固坯殼的影響。他們把計(jì)算區(qū)域分為剛體區(qū)域和可移動(dòng)區(qū)域兩部分，根據(jù)計(jì)算得出的壓力初步推測(cè)出了彎月面的形狀。

Zhang 等［43］對(duì)水口結(jié)瘤情況下的結(jié)晶器內(nèi)夾雜物上浮情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，認(rèn)為在水口結(jié)瘤情況下，結(jié)晶器內(nèi)水口出口兩流股呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱(chēng)性，未結(jié)瘤一側(cè)水口出口流股湍動(dòng)能較強(qiáng)，引起較大的液面波動(dòng)，容易造成小尺寸的夾雜物卷入鋼液內(nèi)，同時(shí)由于水口結(jié)瘤，結(jié)晶器內(nèi)溫度分布不均勻，造成出結(jié)晶器時(shí)坯殼過(guò)薄，嚴(yán)重時(shí)容易產(chǎn)生漏鋼。

流體流動(dòng)模型對(duì)描述鋼液在結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生的湍流流動(dòng)行為及其對(duì)液面卷渣夾雜上浮等現(xiàn)象本質(zhì)起到了積極作用。但模型一般只考慮了坯殼較薄的結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)情況，而且大多只考慮了鋼液流動(dòng)的情況，未充分考慮兩相區(qū)之間的相互作用，尤其是傳熱和凝固過(guò)程對(duì)流動(dòng)行為的影響。

2 結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動(dòng)控制技術(shù)

結(jié)晶器內(nèi)的鋼水流動(dòng)控制除控制浸入式水口參數(shù)和連鑄工藝參數(shù)外，還有幾項(xiàng)很重要的技術(shù)就是電磁控制技術(shù)。用于板坯結(jié)晶器的電磁制動(dòng)( EMBr) 、電磁攪拌( EMS) 和電磁流動(dòng)控制( FC 結(jié)晶器)是結(jié)晶器鋼水流動(dòng)控制技術(shù)的典型代表。

2．1 電磁制動(dòng)

電磁制動(dòng)技術(shù)( EMBr) 是通過(guò)對(duì)結(jié)晶器施加一個(gè)與鑄流方向垂直的靜態(tài)磁場(chǎng)而對(duì)流動(dòng)的鋼液進(jìn)行制動(dòng)的技術(shù)。它可抑制水口射流速度，促進(jìn)夾雜物和氣泡上浮。

電磁制動(dòng)方式有很多種，分別有不同的用途。其中一種是局部電磁制動(dòng)( local EMBr) ，它是在結(jié)晶器兩個(gè)寬面上分別施加兩塊磁鐵，在浸入水口出口附近產(chǎn)生一塊矩形區(qū)域磁場(chǎng)。這種類(lèi)型的電磁制動(dòng)能夠抑制并彌散水口射流、降低彎月面速度、減小結(jié)晶器表面波動(dòng)［44］，如圖1 所示。

圖1 局部電磁制動(dòng)工作原理圖解及對(duì)流場(chǎng)的作用效果

M．Y．Ha 等［45］用RANS 模型模擬了結(jié)晶器內(nèi)施加電磁制動(dòng)情況下流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及坯殼凝固現(xiàn)象，結(jié)果表明由于外加磁場(chǎng)的作用有效抑制了水口射流，減少了射流對(duì)結(jié)晶器窄面的沖擊作用，降低了底部循環(huán)區(qū)域的穿透深度。Takatani 等［46］使用相似的模擬方法研究電磁制動(dòng)對(duì)結(jié)晶器流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明外加磁場(chǎng)的情況下能夠整體降低結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流動(dòng)速度，并且發(fā)現(xiàn)如果施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大、產(chǎn)生的洛倫磁力過(guò)強(qiáng)，會(huì)引起水口射流在沖擊結(jié)晶器窄面之前發(fā)生彎曲并消失。Kim 等［47］的研究表明，施加局部電磁制動(dòng)會(huì)使結(jié)晶器內(nèi)鋼水速度和動(dòng)量有明顯的減小。

另外一種電磁制動(dòng)是Ruler EMBr( 全幅一段電磁制動(dòng)) 如圖2 所示。這種類(lèi)型的EMBr 是在浸入水口出口處結(jié)晶器兩側(cè)安置兩塊矩形磁鐵薄片，每塊磁鐵都橫過(guò)整個(gè)結(jié)晶器寬面。和Local EMBr 一樣，這種制動(dòng)方式也是為了穩(wěn)定結(jié)晶器彎月面速度和形狀。Harada 等［48］用數(shù)值模擬的方法比較了Local EMBr 和Ruler EMBr 對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)影響的不同。研究結(jié)果表明盡管兩種電磁制動(dòng)都能有效降低結(jié)晶器彎月面速度和結(jié)晶器下部循環(huán)區(qū)域的穿透深度，但Ruler EMBr 能夠更有效的穩(wěn)定彎月面鋼水流動(dòng)。Zeze 等［49］比較了水銀模型和數(shù)學(xué)模型電磁制動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響，研究表明施加Ruler EMBr 更容易產(chǎn)生活塞流。

圖2 單條全幅EMBr

2．2 電磁攪拌

電磁攪拌是利用交流電產(chǎn)生連續(xù)變化的磁場(chǎng)來(lái)控制結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流動(dòng)方式。圖3 為板坯電磁攪拌結(jié)晶器，在彎月面附近每個(gè)寬面上布置2 個(gè)攪拌器，這種電磁攪拌方式能夠使結(jié)晶器內(nèi)鋼水順著結(jié)晶器四周有序流動(dòng)，均勻彎月面處溫度進(jìn)而改善鑄坯質(zhì)量［50］。

圖3 板坯結(jié)晶器電磁攪拌

2．3 電磁流動(dòng)控制

電磁流動(dòng)控制( FC 結(jié)晶器) 含有兩個(gè)方向相反的制動(dòng)磁場(chǎng)，第一個(gè)位于彎月面區(qū)域，另一個(gè)位于結(jié)晶器的下部，每一個(gè)磁場(chǎng)都覆蓋了板坯的整個(gè)寬度。FC 結(jié)晶器的上電磁場(chǎng)減小了結(jié)晶器彎月面湍流，可防止保護(hù)渣卷入凝固殼和角部橫裂; 下電磁場(chǎng)可減小鋼液向下的流速，有利于夾雜物和氣泡上浮［51］，如圖4 所示。

Idogawa et al［52］用數(shù)值模擬的方法研究FC 結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流動(dòng)情況。研究表明FC 結(jié)晶器能夠有效降低結(jié)晶器內(nèi)鋼水的整體流動(dòng)速度。

3 本課題組的研究工作

圖4 FC 結(jié)晶器

林曉川等［53］以國(guó)內(nèi)某鋼廠(chǎng)板坯連鑄結(jié)晶器為原型，采用1∶ 1的水模型，用OA型光纖式流速儀測(cè)定結(jié)晶器內(nèi)流體流速，研究了拉速、浸入式水口出口角度、水口浸入深度、水口底面結(jié)構(gòu)及結(jié)晶器斷面寬度等工藝參數(shù)對(duì)板坯結(jié)晶器內(nèi)表面流速的影響。其實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

結(jié)果表明: 拉速對(duì)表面流速的影響最大，隨著拉速的提高，結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面流速明顯增大，當(dāng)斷面寬度為1650 mm，拉速由0．7 m/min 提高到1．4 m/min，表面流速由0．04 m/s 提高到0．1 m/s;波浪面結(jié)構(gòu)的浸入式水口表面流速效果最優(yōu)。

此外，他們通過(guò)在結(jié)晶器表面不同位置處布置波高傳感器測(cè)定瞬時(shí)波高，研究了拉速、浸入式水口出口角度、水口浸入深度、水口底面結(jié)構(gòu)等工藝參數(shù)對(duì)板坯結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)和液面波動(dòng)行為的影響。結(jié)果表明: 拉速對(duì)板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)的影響最大，水口傾角次之;各工藝參數(shù)之間對(duì)結(jié)晶器內(nèi)部流場(chǎng)的影響是相互制約的;提高拉速時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大水口浸入深度來(lái)控制液面波動(dòng)。在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上他們提出了優(yōu)化結(jié)晶器流場(chǎng)的工藝參數(shù)，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)取得了一定效果［54］。

陳永峰等［55］以某廠(chǎng)板坯結(jié)晶器為原型建立1∶ 1的物理模型，通過(guò)監(jiān)測(cè)液面波動(dòng)，研究了浸入式水口結(jié)瘤物對(duì)結(jié)晶器流場(chǎng)造成的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:水口結(jié)瘤物的存在會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶器水口兩側(cè)流場(chǎng)的明顯不對(duì)稱(chēng)，水口堵塞側(cè)鋼液更多集中于結(jié)晶器上部，下回流占據(jù)區(qū)域較小;未堵塞一側(cè)漩渦卷渣出現(xiàn)的頻率較高;較大拉速下，隨著水口傾角的增大，液面平均波動(dòng)逐漸減弱; 拉速提高會(huì)造成水口兩側(cè)平均波高的差距變大，結(jié)瘤物脫離水口后液面恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間延長(zhǎng);結(jié)瘤物脫離瞬間會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)迅速惡化，影響鑄坯質(zhì)量。

付建勛等［56］研究了鑄坯展寬現(xiàn)象及其與拉速的關(guān)系。通過(guò)對(duì)5 個(gè)連鑄工廠(chǎng)結(jié)晶器設(shè)置的調(diào)查，對(duì)鑄坯展寬的普遍性進(jìn)行了研究; 在提出衡量鑄坯展寬指標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用儀器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)鑄坯的展寬。結(jié)果顯示: X60 鋼的目標(biāo)展寬率范圍為1． 25% ～3．63%，平均為3．01%; Q235 鋼目標(biāo)展寬率范圍為0．77% ～2．91%，平均為2．04%; 且鑄坯的展寬和拉速有明顯的一致性，拉速恒定，展寬也基本保持穩(wěn)定。拉速降低，展寬減小，展寬的變化略滯后于拉速的變化。

吉傳波等［57］采用數(shù)值模擬及鋼水表面插釘法，對(duì)電磁制動(dòng)條件下薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動(dòng)進(jìn)行研究，分析了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動(dòng)及彎月面波動(dòng)的影響。模擬結(jié)果表明，電磁制動(dòng)能夠明顯抑制高速流動(dòng)的鋼水，減小對(duì)結(jié)晶器窄面的沖擊及鋼水表面卷渣的影響，磁場(chǎng)電流強(qiáng)度由180 A增加到284 A 時(shí)，鋼水表面速度最大值由無(wú)電磁制動(dòng)的0．85 m/s 分別降低至0．50 m/s、0．16 m/s。插釘法可作為一種經(jīng)濟(jì)有效的方法檢測(cè)鋼水表面速度，且測(cè)量值與模擬結(jié)果比較吻合。通過(guò)合理控制磁場(chǎng)電流強(qiáng)度約260 A 可以?xún)?yōu)化結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動(dòng)，進(jìn)而改善鑄坯質(zhì)量。

他們也采用雷諾平均( RANS) 數(shù)學(xué)模擬方法，研究波浪形和山形水口底部結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼水湍流現(xiàn)象及表面流速的影響。表明波浪形水口可以抑制水口流出鋼水的射流，改善結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場(chǎng)，降低表面流速，穩(wěn)定液面，進(jìn)而改善鑄坯表面質(zhì)量［58］。

結(jié)晶器內(nèi)鋼水渦流現(xiàn)象是連鑄過(guò)程中普遍存在的非定常現(xiàn)象。尤其是在高拉速條件下，容易導(dǎo)致連鑄結(jié)晶器內(nèi)強(qiáng)烈的非穩(wěn)態(tài)湍流，而鋼液的湍流狀態(tài)又決定了夾雜物和氣泡的運(yùn)動(dòng)分布，進(jìn)而最終影響鑄坯質(zhì)量。因此，隨著對(duì)鑄坯質(zhì)量要求的提高，冶金工作者越來(lái)越關(guān)注這一現(xiàn)象。課題組的吉傳波等人［59］用LES 大渦模擬的方法對(duì)水口和結(jié)晶器內(nèi)湍流現(xiàn)象進(jìn)行了分析，比較了雷諾應(yīng)力對(duì)水口和結(jié)晶器內(nèi)湍流脈動(dòng)的影響，分析了結(jié)晶器寬面中心面內(nèi)不同位置點(diǎn)的瞬時(shí)速度波動(dòng)，以及采用本征正交分解方法對(duì)水口底部和結(jié)晶器內(nèi)射流區(qū)域不同湍流尺度分離，分析不同模態(tài)下速度脈動(dòng)和能量分布。

研究表明:

1) 水口底部的漩渦流呈現(xiàn)交替旋轉(zhuǎn)變化，水口出口區(qū)射流的上下波動(dòng)，引起射流向結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)呈階梯狀分布;

2) 采用LES 對(duì)結(jié)晶器內(nèi)速度模擬比實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果更能準(zhǔn)確捕捉流體內(nèi)的復(fù)雜湍流現(xiàn)象以及速度波動(dòng)情況;

3) 采用本征正交分解方法對(duì)水口和結(jié)晶器寬面中心面處、水口底部及射流區(qū)域的速度隨時(shí)間和空間變化進(jìn)行降維處理，能夠識(shí)別流動(dòng)中的主要能量結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并通過(guò)奇異值分解方法對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)，提取不同尺度湍流所積累能量的關(guān)系。

4) 控制結(jié)晶器內(nèi)的湍流，最主要的是控制低階模態(tài)下含有高能量的大尺度湍流結(jié)構(gòu)，由于低階模態(tài)下的流體包含主要的能量，通過(guò)控制低階模態(tài)下的湍流運(yùn)動(dòng)進(jìn)而控制水口流出的流體向結(jié)晶器內(nèi)擴(kuò)散作用，為最終優(yōu)化鑄坯質(zhì)量提供理論支持。

4 結(jié)晶器流場(chǎng)研究中國(guó)內(nèi)外的差距及未來(lái)的發(fā)展方向

4．1 國(guó)內(nèi)外差距

1) 目前國(guó)內(nèi)所進(jìn)行的水模擬實(shí)驗(yàn)大多是用粒子、墨汁等作為示蹤劑，簡(jiǎn)單地模擬流場(chǎng)情況，而國(guó)外已開(kāi)始使用激光多普勒速度測(cè)量?jī)x( LDV) 和粒子圖像測(cè)速儀( PIV) ，它們具有準(zhǔn)確、清晰、多維等特點(diǎn)。

2) 國(guó)內(nèi)水模擬實(shí)驗(yàn)很少采用1∶ 1 的模型，主要原因是1∶ 1 模型體積太大，需要較大的實(shí)驗(yàn)空間。根據(jù)相似原理模型可以按照比例縮小，但研究表明采用1:1 的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。國(guó)外水模型通常按1∶ 1 制作。另外國(guó)內(nèi)結(jié)晶器模擬還存在一個(gè)問(wèn)題，就是由于空間限制，通常結(jié)晶器模型的長(zhǎng)度不夠，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡準(zhǔn)確。

3) 水模中經(jīng)常用到渣和夾雜物的模擬，通常采用一定配比的油來(lái)模擬渣層，利用聚乙烯粒子來(lái)模擬夾雜物，它們和水的密度比很難和鋼渣的密度比一致，到目前還沒(méi)有很好的辦法來(lái)模擬頂渣和夾雜物，尤其是液態(tài)夾雜物，所以水模得到的卷渣和夾雜物去除指標(biāo)也只具有相對(duì)比較的價(jià)值，還不能和實(shí)際生產(chǎn)的情況完全對(duì)應(yīng)起來(lái)。國(guó)外用玻璃粒子來(lái)模擬夾雜物。

4) 在實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面目前國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用中國(guó)水利水電科學(xué)院開(kāi)發(fā)的DJ800 型水工多功能檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)配有電導(dǎo)率儀、波高傳感器和壓力傳感器，能夠分別檢測(cè)溶液的電導(dǎo)率、液面的波高和某一位置的壓力。對(duì)流體流速的測(cè)量?jī)H局限于對(duì)結(jié)晶器表面局部點(diǎn)速度的測(cè)量。國(guó)外的一些水模擬實(shí)驗(yàn)室用到了超聲波多普勒測(cè)速儀( UDV) 和粒子圖像測(cè)速儀( PIV) ，它們具有分辨率高、測(cè)速更準(zhǔn)確、多分量同時(shí)測(cè)量等特點(diǎn)，能夠更全面地反映流場(chǎng)全貌。

4．2 未來(lái)的發(fā)展方向

在目前結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的研究中，對(duì)于瞬態(tài)的、脈動(dòng)的行為還不能有效預(yù)測(cè)，對(duì)于高溫液態(tài)鋼水的一些測(cè)量工作還不能如愿展開(kāi)，還需要加大科技的投入。

1) 對(duì)連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，大部分研究者采用的都是標(biāo)準(zhǔn)k－ε雷諾平均( RANS) 數(shù)學(xué)模型，模型對(duì)鋼水流場(chǎng)進(jìn)行時(shí)均化處理，總的來(lái)說(shuō)可以預(yù)測(cè)流場(chǎng)的平均運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但是對(duì)鋼水湍流中的小尺度脈動(dòng)不能有效進(jìn)行計(jì)算，因此無(wú)法預(yù)測(cè)到流體隨時(shí)間變化的脈動(dòng)行為;

2) 對(duì)縮小比例的結(jié)晶器內(nèi)水模型采用大渦模擬( LES) ，并通過(guò)PIV 實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)LES 模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場(chǎng)，并能夠捕捉到小尺度脈動(dòng)湍流，但是并未對(duì)LES模擬結(jié)果的具體湍流信息進(jìn)行分解描述，只是簡(jiǎn)單地預(yù)測(cè)了鋼水的瞬態(tài)流動(dòng)形態(tài);

3) 對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量，多是針對(duì)水模型中局部速度及結(jié)晶器表面波動(dòng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)高溫條件下鋼水表面速度的測(cè)量工作較少;

4) 對(duì)連鑄結(jié)晶器內(nèi)施加電磁制動(dòng)的研究，由于實(shí)驗(yàn)條件所限大多是采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)其效果，而且對(duì)薄板坯內(nèi)鋼水流場(chǎng)模擬多忽略了凝固坯殼的影響，事實(shí)上在凝固坯殼界面的質(zhì)量和動(dòng)量損失對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場(chǎng)影響較大。

鑒于冶金工業(yè)中連鑄結(jié)晶器工作環(huán)境的特殊性，因此，未來(lái)的發(fā)展方向應(yīng)該還是通過(guò)物理和數(shù)值模擬的方法研究結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場(chǎng)。為了準(zhǔn)確顯示結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)情況，物理模擬力求采用1∶ 1的模型，并配合多種測(cè)量手段，以獲得結(jié)晶器內(nèi)三維空間上的流速分布。數(shù)學(xué)模擬則應(yīng)開(kāi)發(fā)計(jì)算速度更快、能對(duì)結(jié)晶器不同尺度的湍流信息進(jìn)行分解描述的模型，如由本課題組開(kāi)發(fā)的Filter URANS 模型，采用了本征正交分析( POD) 方法，對(duì)水口和結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行降維重構(gòu)，提取不同尺度湍流所積累能量的關(guān)系，并且識(shí)別流動(dòng)中的主要能量結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)與連鑄坯的表面和內(nèi)部缺陷密切相關(guān)。國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)水模擬配合多種測(cè)量手段以及數(shù)值模擬研究結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)，考察各種因素對(duì)流動(dòng)的影響。水模擬具有直觀(guān)、可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地進(jìn)行控制測(cè)量等特點(diǎn)，但受模型比例及水的物性限制，且冷態(tài)和熱態(tài)對(duì)流場(chǎng)也有一定的影響，尤其是在吹氣條件下。數(shù)值模擬具有速度快、成本低等特點(diǎn)，但其中網(wǎng)格的劃分、邊界條件和殘差的設(shè)置、求解方法的選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大。如何進(jìn)一步提高物理模擬和數(shù)學(xué)模擬的準(zhǔn)確性是未來(lái)的主要發(fā)展方向。

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