论文摘要
高拉速条件下结晶器内的卷渣是困扰连铸生产的一个技术难题,尤其是浸入式水口吹氩时结晶器内的流动与钢/渣界面行为变得更为复杂,对其的控制也更加困难。因此,揭示并把握高拉速与吹氩条件下结晶器内的钢/渣界面行为特征以及操作参数的影响规律就显得尤为重要。针对目前关于钢/渣界面和卷渣研究工作中很少同时涉及高拉速和吹氩条件下的情况以及保持结晶器内双循环流型的条件仍不清晰的现状,本文采用数学和物理模拟相结合的研究方法对高拉速和吹氩条件下板坯结晶器内钢/渣界面和流动行为进行了研究,主要研究内容和获得的结果如下：(1)按照相似原理建立了结晶器物理模型研究体系,观察有、无吹气条件下结晶器内水/油界面运动和卷混现象；根据不同的工艺条件确定结晶器水模型内的临界吹气量(即保持双循环流型)。为数学模型的验证和完善提供基础。(2)利用连续性方程、动量方程、湍流模型、Lagrange多相流模型和界面波动模型VOF(Volume of Fluid)方法建立了描述结晶器内钢/渣界面行为的数学模型,并采用CSF (Continuum Surface Force)模型考虑钢/渣界面张力作用。在用水模型验证的基础上,描述了高拉速与吹氩条件下钢/渣界面瞬态行为特征,揭示了操作参数与界面行为之间的定量关系,并提出了抑制界面波动和防止熔渣层乳化的措施。结果表明：①提高拉速明显加剧钢/渣界面的波动和增加界面速度,且最大界面速度位于距离窄面1/3附近处。拉速由1.4 m/min升至2.2 m/min过程中,最大波高的增幅达8.5mm,最大界面速度增加了0.087m/s；增大结晶器宽度对降低最大波高和界面速度的影响并不大；增加水口浸入深度和下倾角度能有效抑制钢/渣界面波动和降低界面速度,浸入深度由120 mm增至220 mm,最大波高降低了5.2mm,最大界面速度减少了0.052 m/s,水口出口角度每向下增加5°,以上两值分别降低约3.7 mm和0.05 m/s；熔渣黏度对钢/渣界面形状几乎没有影响,而适当增加熔渣黏度可降低最大界面速度,熔渣黏度由0.02 kg/(m·s)增至0.50 kg/(m·s),该值的降幅达0.059 m/s。②吹氩使气泡上浮区域内的钢/渣界面速度降低,同时也导致波高显著上升。当钢流量为3.20 ton/min(所对应的拉速为1.8 m/min),吹氩量为4.5 L/min时,结晶器内的上循环区明显缩小；增至9.0 L/min时,钢液流型已转为单循环且界面波动剧烈。吹氩量由0增至9.0 L/min过程中,最大波高升高了7.7 mm,而最大界面速度降低了0.111 m/s。当吹氩量为4.5 L/min,钢流量由2.13 ton/min(所对应的拉速1.2 m/min)增至3.91 ton/min(所对应的拉速2.2 m/min),上循环流重新出现,且界面卷混减弱,最大波高降低了2.4 mm。钢液流动特征和界面行为受钢流量(拉速×结晶器宽度)和吹氩量的影响,两者的合理匹配对获得双循环流和平稳的钢／渣界面至关重要。③增加水口浸入深度对抑制吹氩下钢/渣界面波动的作用较明显,当浸入深度由120 mm增至220 mm,最大波高和界面波动范围均降低了3.5 mm;气泡尺寸也显著影响钢/渣界面行为。(3)利用Lagrange多相流模型定量研究了吹氩结晶器内双循环流形成条件,确定实际操作参数下的临界吹氩量,并提出保持此流型的控制手段。在本研究条件中,当钢流量为2.84 ton/min(所对应的拉速1.6 m/min),吹氩量为6.0 L/min时,钢液流型已从双循环转为单循环。选择与其他工艺参数匹配的吹氩量是保证双循环流型的重要条件,临界吹氩量范围随钢流量的增加而扩大。当钢流量较大(>2.5ton/min)时,减小结晶器宽度和增加水口浸入深度均有助于扩大临界吹氩量范围,适当减少水口下倾角度使上循环流的趋势略有增强；当钢流量较小ton/min)时,以上操作参数的影响均不显著。