冶金流體力學課程教學中實驗設計和數值模擬的應用

趙 鵬，李 彭，黃 建，敬興均

（1.山東建筑大學材料科學與工程學院，山東 濟南250101；2.攀枝花學院釩鈦學院，四川攀枝花617000）

結晶器是連鑄機的“心臟”，其作用是讓鋼水均勻快速的冷卻形成一定厚度均勻、表面質量良好的初生坯殼，并且能承受鋼水靜壓力。結晶器內涉及到多相傳輸和反應，連鑄板坯的表面和內部缺陷與結晶器內流動狀態密切相關［1］。冶金過程流體力學是攀枝花學院冶金工程專業本科生的一門重要的專業基礎課。學生到煉鋼車間進行生產實習，由于考慮安全性，在實習過程中學生就沒有機會動手操作，這樣導致理論教學和實際活動嚴重脫節。為了促使學生更好理解鋼鐵冶金連鑄過程多相傳輸過程，根據相似比設計連鑄結晶器水模型裝置，并將數值模擬方法應用于實際工藝過程中。目前，通過計算流體動力學（CFD）引入流體力學課程并不是一個全新的想法，然而單一工程的計算流體動力學算例講解過于抽象［2-4］。實驗裝置和數值模擬的應用在冶金流體力課程，在國內冶金過程流體教學過程的報道不夠全面。本研究在之前發表的油水卷渣實驗設計基礎上［7］，建立結晶器內流動和卷渣現象模擬裝置，并以Fluent軟件模擬連鑄過程卷渣過程的多相流過程，彌補當前專業實踐不足，提高冶金流體力學課程的學習效果，滿足冶金過程流體力學課程教學需求。

1 連鑄結晶器冶金特性

結晶器在鑄坯質量方面起著重要作用，其功能可概括為［5，6］：（1）鋼液凈化：促進鋼液中氣泡和非金屬夾雜物充分上浮。（2）質量控制：鋼液-凝固坯殼直接相互作用是一個復雜過程，對連鑄坯質量起著重要作用；（3）高效傳熱凝固：將高溫鋼液熱量迅速、均勻傳遞給冷卻水，把鋼凝固成所需鑄坯；（4）鋼水凝固成型器：把鋼液凝固成規定形狀，澆注所需的鑄坯。

2 連鑄結晶器模擬實驗裝置

結晶器水模擬設備主要包括結晶器水模型、浸入式水口（SEN）、泵、流量計以及相關配套管路，連鑄結晶器裝置如圖1所示。

圖1 結晶器實驗裝置圖

（1）水模型：根據實際結晶器1：2比例制作水模型，為使學生更好觀察水模型內部流動現象，材質采用透明有機玻璃。水模型寬面長度為650m，窄面厚度為120mm，實際結晶器高度是900mm，為了保證結晶器下部出口流動充分發展，減少出口對流體影響，水模型高度位是1800 mm。浸入式水口高度900m，外徑為64mm，內徑為39mm，水口底部為凹形設計，水口的傾角為15°。水從浸入式水口進入到結晶器水模型內，并從水模型底部出口流出到底部水桶。出口水流量由水模型底部閥門控制，維持水模型內一定液面高度。

（2）泵：通過泵把水從底部盛水桶抽進管路，使用變頻器調節泵的輸出功率而改變進水流量，并通過安裝在管路中的流量計讀出流量。

（3）管路系統：水沿管路進入水口，從水模型底部流入水桶，并通過泵抽入再次進入管路，實現水流循環。

3 連鑄結晶器水模擬實驗

在冶金流體力學實驗研究應遵循相似原理和準則。在連鑄結晶器水模型實驗中，主要考慮幾何相似、動力相似、界面相似。通過水模型實驗加深學生對相似原理的理解。結晶器內涉及多相流、鋼渣/金混卷和吹氬氣泡等多種傳輸現象。鋼液從浸入式水口流出，結晶器鋼液反應主要發生在三個區域，即：射流沖擊區、渣-金界面以及鋼液熔池。結晶器內由于存在湍流原因和射流振蕩，流場呈現出非對稱瞬態變化［7］；結晶器彎月面處覆蓋保護渣，從而保證連鑄坯和結晶器壁面良好潤滑、傳熱效果；結晶器水口壁面處易堵塞，水口常用吹氬氣泡技術，這不僅可以防止水口堵塞，同時還能粘附部分夾雜物促進上浮去除。實驗室水模裝置可以模擬連鑄結晶器內射流、流場、卷渣過程以及吹氬情況，圖2（a）～（c）分別顯示結晶器流場、卷渣現象和吹氣泡實驗過程。實驗中通過水、油和氣泡分別模擬結晶器內鋼液、渣層和吹入氬氣泡。通過改變水流量、SEN浸入式深度和吹氣量等操作參數，使用高儀和高速攝影儀器記錄實驗過程，學生通過觀察和分析結晶器多相傳輸過程，更加深入了解結晶器內流場變化、液面波動和氣泡運動等多相傳輸過程。

圖2 結晶器水模實驗

4 數學模型

以結晶器內卷渣過程的數值模擬為例，分析結晶器內渣層波動和渣滴運動行為，定量化分析渣滴尺寸粒徑分布。界面問題研究廣泛地存在于學術領域和工程領域，如澆注過程中的液態金屬-空氣所形成自由界面問題等。Volume of Fluid（VOF）是一種理想的模擬自由界面運動模型，研究者在輸運方程的求解精度和界面的重構等方面做了一系列的研究，提出了Donor-Acceptor概念、Upwind特征思想和補償效應、輸運界面重構（Interface Reconstruction）等方法，使得VOF方法在適用性和精度方面都有所提升［8］。在VOF模型中，自由界面運動是通過求解整個計算域內的體積分數α輸運方程得到，每個單元體內的物相的性質和流動變量由各相共享，所有相共享一套動量方程。對于流體單元中各相，每個單元控制體各流體相的體積分率之和為1。通過對連鑄結晶器內卷渣過程卷渣數值模擬，讓學生更好理解建模過程中涉及連續性方程和動量方程等。

5 計算結果

5.1 渣層波動

圖3 結晶器內剪切、拖拽和渣層波動卷渣模型［9］

圖4 結晶器內瞬態卷渣過程

連鑄結晶器內卷渣主要過程是由于鋼液流動過程剪切力導致的鋼渣混卷現象。Orazzo等人［9］預測了結晶器內剪切、拖拽卷渣以及不穩定卷渣模式，如圖3所示。為了說明結晶器內卷渣的瞬態過程和驗證數學預測卷渣過程的準確性，圖4為拉速1.3m/min時結晶器內瞬態卷渣過程，其中（a）和（b）分別是上升流和回流導致卷渣現象。結果表明：CFD模型較好模擬結晶器內渣層波動和卷渣現象，能夠捕獲結晶器窄面處由于向上湍流剪切或拖拽作用力導致的卷渣過程，也能預測結晶器內由于渣層不穩定而引起的劇烈卷渣現象。

5.2 渣滴粒徑分布

卷入渣滴數量、尺寸及粒徑分布對連鑄坯質量影響明顯，這就需要對于結晶器計算域內的卷入渣滴行為進行跟蹤、統計和計算。Fluent UDF（用戶自定義程序）統計渣滴尺寸分布的計算過程如下：UDF代碼遍歷整個計算域中每個單元格，并為每個渣相的單元給出一個標定ID后遍歷周圍網格，如果搜索到有該屬性的相鄰單元就被賦予相同的ID，如果沒有搜索到就認為這是由相同ID構成的一個渣相，重復上述過程繼續搜索渣相ID+1，直到遍歷完整個計算域，最終得到了每個卷入渣滴體積和數量以及渣滴粒徑分布。渣滴粒徑分布統計方法見流程圖5。

圖5 結晶器內卷入渣滴尺寸和數量的統計方法流程圖

圖6 結晶器內渣層厚度對渣滴粒徑分布的影響

為了更好說明渣層物理性質對卷渣過程渣滴粒徑分布的影響。圖6顯示了不同渣層厚度條件下渣滴尺寸粒徑分布圖。從圖中看出，不同拉速下卷入渣滴粒徑尺度分布是不均勻的，卷入渣滴尺度粒徑分布呈現“Λ”形狀，卷入渣滴尺寸集中在2～3 mm范圍，所占卷入渣滴總量比例約為40%；而較大尺寸的液滴（3～4 mm）數量相對較小，其所占總量比例為約在10%。隨著渣層厚度增加，卷入渣滴仍然尺寸仍集中在2-3 mm范圍，渣滴粒徑分布基本相似。

6 結語

本文提出在冶金工程流體力學教學中引入實驗和數值模擬方法提高教學效果，以連鑄結晶器的水模型實驗和數值模擬為研究對象，涉及實驗過程、多相流動VOF方法，定量分析不同渣層厚度下渣滴尺寸粒徑分布。實驗過程、理論知識及軟件應用的綜合案例既可以激發學生學習興趣，增加專業知識，又能提高掌握應用軟件和運用不同算例模擬計算能力。本次探索取得了較好的效果，可供實踐性和理論性較強的冶金工藝課程教學借鑒，滿足學生認識、生產、畢業實習等實訓環節的要求，為學生從事以后工作和科研奠定良好基礎。