板坯连铸结晶器内钢渣界面行为的数值模拟

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1、板坯连铸结晶器内钢渣界面行为的数值模拟摘要本文对板坯连铸结晶器内钢渣界面行为进行了数值模拟，考察了拉速、水口出口角度及浸入深度、铸坯宽度和保护渣黏度对界面行为的影响。结果表明：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。关键词连铸结晶器，钢渣界面行为，数值模拟NumericalSimulationofInterfacialBehaviorofSteelandSlaginaSlabContinuousCastingMoldCAONa,ZHUMi

2、aoyong,SONGJingxin1),LENGXianggui1),CHENGNailiang1)SchoolofMaterialsandMetallurgy，NortheasternUniversity，Shenyang1)SteelmakingPlant,ShanghaiMeishanIronandSteelCo.,Ltd,NanjingABSTRACTTheinterfacialbehaviorbetweenfluidsteelandmoltenslaglayerinaslabcontinuouscastingmoldwa

3、snumericallystudied,andtheinfluencesofcastingspeed,portangleandsubmergencedepthofSEN,moldwidthandmoltenslagviscosityoninterfacialbehaviorwereinvestigated.Theresultsshowthatforagivencastingspeed,increasingthepenetrationdepthanddownwardportdegreecaneffectivelyrestrainint

4、erfacialoscillations.Moltenslagviscosityhashardlyinfluenceoninterfacialprofileofsteelandslag.Steel-slaginterfacevelocitydecreaseswithincreasingmoltenslagviscosity.KEYWORDScontinuouscastingmold,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

5、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

6、]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

7、，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Bra

8、ckbill等提出的CSF（ContinuumSurfaceForce247）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