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连铸过程钢液多相流动、传热、凝固及夹杂物捕获的大涡模拟研究

陈威  
【摘要】:本研究首先通过耦合大涡模拟湍流模型、VOF多相流模型、离散相模型建立三维数学模型,对结晶器水模型和实际板坯连铸结晶器内多相流场及气泡分布进行了研究。通过用户自定义子程序计算了净卷渣速率、不同位置卷渣发生概率以及卷入渣滴直径分布规律,为后续卷渣类夹杂物分布预测提供了初始条件。通过对比预测值与粒子图像测速仪(PIV)测量值得出曳力系数采用Kolve模型[1],升力系数采用Tomiyama模型[2],虚拟质量力系数采用0.5,并且考虑压力梯度力和壁面润滑力的影响时能够较为准确地预测结晶器内多相流及气泡分布。气泡受浮力及曳力的影响最大,在湍流运动剧烈区域所受曳力、升力、压力梯度力、虚拟质量力大小基本相等;而在上浮过程中升力、压力梯度力、虚拟质量力的大小则会减小至阻力和浮力的1%-10%。小尺寸气泡可以忽略升力的影响,而当气泡直径增大至0.5 mm以上时需要考虑各个相间作用力的影响。断面1000 mm×230 mm、拉速1.8 m/min、水口浸入深度150mm以及吹氩流量6NL/min下结晶器内流态为典型的双环流流态。该流态下液位波动大小从窄面到水口方向逐渐降低,且通过初始钢渣界面以下0.13 m处的净卷渣速率为0.05376 kg/s;目前双环流流态下卷渣主要发生在结晶器宽度1/4处及水口和宽面之间区域,主要为剪切卷渣和旋涡卷渣。绝大部分卷入的渣滴平均直径在2-5 mm。拟合得到了不同直径渣滴占比的关系式。液位波动、卷渣速率随着吹氩流量和拉速的增大而增大。其次,通过耦合大涡模拟湍流模型、传热凝固模型、溶质传输模型实现了从弯月面到凝固终点范围内流场、温度、溶质分布以及凝固坯壳厚度分布的预测。结果表明结晶器内传输现象呈现瞬态不对称的周期性变化,出口近窄面处瞬态速度的变化周期约为43 s;不对称的流场造成了温度和溶质浓度分布的不对称及坯壳的不均匀生长,也是造成连铸坯中夹杂物分布不均匀的原因之一;凝固终点三维形貌呈现“W”形,考虑碳、硫传输条件下计算得到的凝固坯壳厚度比忽略这两个元素传输的条件下相对较大,与测量值更加接近。上表面附近冷却速率和凝固速率较大,分别可达35-75 K/s和2.2 mm/s左右,且沿着拉坯方向逐渐降低,出结晶器后基本维持在1-4K/s和0.1 mm/s。一次枝晶间距沿着拉坯方向也相应减小,且最小值在60 μm以上。最后,在全凝固模型的基础上耦合离散相模型及夹杂物在凝固前沿的捕获模型,实现了连铸坯中夹杂物数量、大小和空间位置分布的预测。考虑一次枝晶间距、夹杂物不同受力以及临界捕获速度等因素的改进捕获模型成功消除了简易模型条件下夹杂物的带状分布特征,并预测得到了与自动扫描电镜检测相吻合的分布结果。夹杂物在内弧和外弧表层以及距离内弧和外弧1/4连铸坯厚度处存在明显的聚集。内弧和外弧表层聚集区的形成主要由结晶器内双环流流态造成,双环流流态下夹杂物在上环流区域内与凝固前沿接触几率增大导致捕获率增大。小尺寸夹杂物在距内弧和外弧1/4连铸坯厚度处都易聚集,而大尺寸夹杂物则更容易在距内弧1/4连铸坯厚度处聚集。这与距内、外弧1/4连铸坯厚度处夹杂物所受马兰戈尼力达到峰值相关。马兰戈尼力使得夹杂物被推向凝固前沿的几率增大。此外,由于浮力的作用,夹杂物也更趋向于在内弧侧被捕获。


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