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1、氩气气泡和非金属夹杂物对连铸过程钢液流动行为的影响摘要：在目前的研究中，使用Eulerian-Lagrangian的方法，对连铸时的钢液流动（连 续相）以及有特性的非金属夹杂物和气泡（分散相）的运动轨迹，建立三维湍流 模型（k-已模型）。将分散相视为众多不同直径和密度的，具有惯性力的粒子。为 了弄清楚连续相和分散相之间的相互作用，采用两种方法研究和比较。第一种方 法，即单向耦合，只考虑金属液对分散相的流动轨迹的影响，而忽略分散相对金 属液流动的影响。第二种方法，即双向耦合，双方的影响都要考虑。结果表明： 本文所提出的双向耦合相互作用的方法是得到真实的结果必不可少的方法，特别 是在有大气泡存在时
2、。关键词：湍流，连续铸造，浸入式水口，夹杂物，气泡，分散相1.引言在连续铸造时非金属夹杂物和氯气气泡都会进入到结品器内。非金属夹杂物 来源于还原产物，氧化产物和外来杂质，然而氯气气泡是特意从塞棒口注入以防 止堵塞和外来空气的进入引起钢液二次氧化。与非金属夹杂物和气泡的存在相关 的主要问题为，它们在熔池中的传输。通过优化的浸入式水口或者优化的铸造工 艺参数仔细的调整钢液的流动形态，流动的钢液可能将夹杂物和气泡带到钢液表 面，使其进入被液态渣层从而去除。否则它们会被凝固坯壳捕获，造成最终产品 的缺陷。显然，夹杂物和气泡传输依靠流动。因此，已经建立了很多模型研究金 属液在熔池中的流动，并且，最近也直
3、接地研究了流动对夹杂物传输的影响。大 部分的研究者都只考虑了单相耦合，即金属液流动对夹杂物的运动轨迹的影响， 而夹杂物对流动的影响却被忽视了。然而，一个综合的模型应该考虑离散相和金 属液流动之间的相互作用。用来模拟夹杂物或者气泡在液态金属液中的传输的模型分为三大类：（1）准 单相方法，这里液态金属和夹杂物或气泡被当作是一种“混合物”相处理（这种 方法的缺点是不同相之间的相对运动只能近似的考虑）（2）欧拉两相法，这里分 散的夹杂物或气泡被看作是一个二次连续相，可以附加动量方程求解；（3）Eulerian-Lagrangian两相模型，这里金属液流动利用欧拉框架求解，然而夹杂物 或气泡的运动轨迹在
4、拉格朗日框架内处理。在公式的简易性，能否适应复杂的交 换过程，计算机内存的需要和计算的耗时方面，拉格朗日法比欧拉法明显有优势。 因此，本工作采用Eulerian - Lagrangian方法。比较连续和离散两种不同的耦合方 法，即单相耦合和双向耦合。单相耦合方式只考虑金属液流动对夹杂物或气泡的 运动轨迹的影响，忽视反馈回来的影响。双向耦合明显的考虑双向的影响。本工 作主要目的是研究耦合作用以及它对金属液流动和夹杂物或气泡的运动的影响。2. 模型描述对于质量和动量守恒的不可压缩流体可以由下列方程式给出V- |T = 0（ 1）8 I=P ； + （口-V）pt =Vp + 日 V2口 + FE
5、e（2）这里有效粘度 = % +已是由于湍流的影响产生的，采用标准4 模型，p0 是动力粘度，P是金属密度，pr是它的平均速度矢量。P是静态压力，F是一个 动量源项，它可以解释夹杂物或气泡的存在。将夹杂物和气泡看作有几何球面的 分散地分布于金属液中的离散二次相。在拉格朗日参考框架内，这些离散相的运 动轨迹可以用下列方程计算：虬=j8v 空p+p，）p Lg （p广p）出 P PdP24PPP（3）式中，pp是一个速度矢量，dp是直径，pp是离散相密度，g是重力加速 度，K是定义在方程（8）内的脉动速度分量矢量。一个有特点的离散对象的运动 轨迹取决于它通过流体时的受力情况。（3）右边的边界条件为
6、阻力及浮力的强度。对于阻力系数。，可以采用下列方法表示:C = a +华+黑。1 Re Re2（4）这里ai，a2，和a3都是常数，适用于在Re几个范围内的光滑球形夹杂物/ 气泡。相对雷诺数Re被定义为：d Pd |P P|Re =P pP0（5）熔化阶段离散相的动量转移量可以通过测得的动量变化来计算F =尹18、匕Re（ p p）沈心（6）P d224p pi p p. 一 一 . . 一:- 式中N是在一个计算微元内的夹杂物或气泡的数量和，mp是夹杂物或气泡 的质量流率。由于流体中的湍流夹杂物或气泡的分散被看作是随机轨道模型的运用。这个 随机轨迹模型包括瞬时湍流脉动速度史）对轨迹的影响。脉
7、动速度分量是离散 的分段时间常数函数。随机值在一段间隔时间内保持不变，这个时间段根据涡流 的旋转时间确定，旋转时间咨描述一个夹杂物或气泡在一个涡流里湍流运动的时 间，它与离散相分配率成正比的。值越大表示在流体中的旋转越剧烈。（k- s模 型可用下式表达：kT e 牝 0.3 湍流剧烈时的、，廿和1在三维中的波动值，通过假设他们服从高斯概率 分布测得。所以，5，=巨，=5（8）是一个正常分布的随机数字。离散相交叉的时间定义为：LeLL mi心Lip（9）t是离散相弛豫时间，Le是涡流的长度尺寸。假设夹杂物或气泡，在较短地涡流 旋转时间和涡流交叉时间下，与熔液相互作用。当达到这个时限时，通过运用方
8、 程（8）中的一个新值可以获得一个新的瞬时速度。3. 模拟的细节和边界条件对板坯连铸过程中，水口附近和内部的三维湍流流场进行了仿真模拟。考虑 一个三叉的浸入式水口。分散粒子，即非金属夹杂物和氩气泡，从浸入式水口顶 部注入通过三种喷嘴注入模具。几何和工艺参数见图1和表1。本工作考虑等温情 况。因此，假设粘度和密度不变。材料的参数值和铸造温度下的低碳钢一致，具 体见参考文献5。由于中心面双重对称，只取结品器的四分之一进行计算。熔 池内的计算域取离散结构化网格，并且浸入式水口里面及其周边选择非结构化网 格。结构化网格区和非结构化网格区之间定义一个非自适应性网格界面。整个网 格由500000个单元组成
9、。模拟的时间步长为0.0003秒。对于金属液，在浸入式水口的顶部采用匀速入口边界条件，在计算区域的底 部采用恒压出口条件。假设与渣接触的金属液熔池表面是平的。这里采用一个自 由平滑条件。熔池的所有边壁视为运动墙，选择给定的恒线速度（铸造速度）和无滑移的条件。金属液和浸入式水口壁之间的边界条件也是无滑移的条件，但浸入 式水口本身当然认为是固定的。SiMell pool00微 均匀米的三个分布。出 描述浸入式水 、为单相耦合，为40位置定义直径为10微米、。建立模型 了两个计买一个口定义为逃逸边界条件，连铸坯的边壁定义级别的气泡。每种级别从不同的位置注 口的顶部和内外壁处，捕获的夹杂物和气泡。另一
10、个为双向耦合。几何及其他条件的选择是相同的。如上所述，单相耦合方式 只考虑流体对夹杂物和气泡运动的影响，不考虑相反的影响。另一方面，双向耦合考虑流体受到存在的夹杂物和气泡的影响。表1几何和工艺参数板坯厚度(mm)1250板厚(mm)135板坯长度(mm)3000浸入式水口长度(mm)832浸入式水口浸入深度(mm)160拉坯速度m/min2.5钢种低碳钢流体动力粘度kg/ms0.00555流体密kg/m37020重力加速度m/s29.81夹杂物密度kg/ m33700夹杂物直径四m105001000夹杂物质量流量kg/s9.87E-4气泡密度kg/m31.6228气泡直径四m4000气体流量l
11、/min44. 结果与讨论4.1钢液流动行为图2显示在连续铸造中央平面处的典型流型。在这里，夹杂物和气泡对流动 的影响不被考虑。主干流两侧的射流向上弯曲，形成两个对称的漩涡。从SEN中 间的流口出来的射流直接以2.15米每秒的高速向下流动。高速向下的射流在熔池 较低的部分逐渐减缓。4.2非金属夹杂物和气泡的运动图3显示了在不同时期非金属夹杂物和气泡的分布。红色的点代表气泡，黑 色的点代表非金属夹杂物。气泡和夹杂物都是同时从浸入式水口顶部注入到流动 的钢液中。注射连续时间是t=100毫秒。尽管注入三种不同大小级别的非金属夹 杂物，模拟结果显示它们的运动轨迹差异不明显。因此，下面的讨论我们不会区
12、分不同大小的类别。原则上，在SEN内所有夹杂物和气泡都沿着垂直方向流动。然后它们流入三 个分支。这是相当清楚的，跟随向下的射流的夹杂物或气泡迅速下降，特别是在 刚开始的2秒钟。跟随侧射流的夹杂物或气泡类似于金属液流动一样向上弯曲。 其中部分升到表面（弯月面）处被“保护渣捕获”，而大多数则继续跟随流体流 动散布到漩涡中。大约在t=5秒时，一些夹杂物从测流中分流出来上浮，逐步分 散在较低的卷坯内部。非金属夹杂物和气泡的区别很明显SEN内气泡比非金属夹杂物的速度慢很 多（图3中t=1.0288 s时）。当气泡离开水口侧口时，其上升的速度很快。这些气泡 由于受到涡流的影响，导致气泡分散在熔池上面的区域
13、。大部分气泡能上升到钢 液表面并且很快的被“渣捕获”。跟随向下流动射流的气泡的运动比非金属夹杂 物慢得多。大约t=5s时，气泡上升的速度随着钢液的流动而到达平衡。随着时间 的增加，这些气泡还是会上浮到熔池的上部区域。与非金属夹杂物相比，较大的 浮力推动着大而轻的气泡上浮得更快。4.3仿真算例与模拟耦合比较模拟表明：两种不同的耦合方式对夹杂物和气泡的运动产生相当大的影 响。不同耦合方式下夹杂物或气泡的运动轨迹（图3）和流型（图4）都有显著的 差异。射入的所有L在水口中了穿过SEN部B况 I.火向耦合，图4显示两种情况一浮力使气泡相对于钢液向上浮动，并且由H如果考虑气泡运动对在钢液的影响， 之下，
14、双向耦合浸入式水口中的流速曲线几0、t=l秒时所有气泡在同一瞬间，一 一.心部分的一些气泡移动速度较缓慢。为了分的顶面处（渣平面）的速度曲线图。； 于气泡和钢液动量交换导致钢液速度减缓。如 流速曲线呈现为“W”型曲线。相比之下，双 乎是单向耦合w*服one-way coupled simulationtwo-way coupled simulation当非金 得更加渣捕获。吉果显示两 S表 比较$夹桀物和气切腿由此看来，考虑到动量交这两个情况下的：1.8988 s1.8988 s5.0788_ -.1IB,!流也双右：向耦换，最度模型也进彳分布面更加分散从而被.2.1?-图4第一股夹杂线的比较ow -aoc a oo ooz ojw研究发现，宏观流动模式相似，但在某种程度上精确的速度大小是不同的。 对于对应的具体细节不是本文研究的内容。5.结论利用Eulerian-Lagrangian模型模拟非金属夹杂物和气泡在浸入式水口内和连 续铸钢熔池中的传输行为。比较两种耦合方式的模拟，一种只考虑金属液流动对 夹杂物或气泡运动的影响，另一种还考虑夹杂物或气泡运动对金属液流动的影 响，表明，特别是存在大气泡的时候，为了能够正确预测夹杂物或气泡的运动轨 迹，采用双向耦合是至关重要的。这一结论基于以
