板坯连铸结晶器吹氩工艺参数优化

2016-06-04杨雪萍李光强饶江平杨治争

武汉科技大学学报 2016年1期

杨雪萍，李光强，饶江平，杨治争

(1.武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北武汉，430081；2.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北武汉，430081；3.武汉钢铁股份有限公司炼钢总厂，湖北武汉，430083；4.武汉钢铁(集团)公司研究院，湖北武汉，430080)

板坯连铸结晶器吹氩工艺参数优化

杨雪萍1,2，李光强1,2，饶江平2,3，杨治争2,4

摘要：采用流体体积 (VOF)方法和拉格朗日离散模型建立了反映230 mm×1100 mm板坯连铸结晶器吹氩过程中钢液、熔渣和氩气气泡流动行为的数学模型，通过数值模拟方法研究吹氩量、拉坯速度和水口浸入深度等工艺参数对结晶器内钢/渣界面行为特征的影响规律。结果表明，吹氩会明显加剧水口附近的钢/渣界面波动，选择合适的拉坯速度能有效降低该处的界面波动幅度，同时吹氩有利于减缓结晶器弯月面处的液面波动，可在一定程度上达到稳定钢/渣界面的目的。从16种工艺配置方案中优化出该结晶器的最佳吹氩工艺参数为：拉坯速度1.2 m/min，吹氩量9 L/min，水口浸入深度120 mm。

关键词：结晶器；吹氩；板坯连铸；钢液流动；钢/渣界面；数值模拟；参数优化

结晶器浸入式水口吹氩是目前广泛应用于板坯连铸生产的工艺技术之一，其通常由塞棒或滑板向浸入式水口中吹氩，以防止水口内壁结瘤造成堵塞，同时氩气在结晶器中上浮还能搅动钢液，促进钢中夹杂物上浮，均匀钢液成分和温度。但如果工艺参数设置不合理，氩气泡及其黏附的非金属夹杂不能及时上浮，将会滞留在铸坯内形成气孔缺陷，且由于氩气泡从保护渣层逸出导致结晶器液面波动加剧，极易造成保护渣卷入钢液被凝固坯壳捕捉，从而导致板坯表面缺陷，严重影响钢产品质量[1-2]。因此，国内外已有大量的研究工作围绕氩气泡在结晶器中的运动规律及其对结晶器内流场的综合影响而展开。例如，文献[3]主要采用物理模拟方法分析了吹氩量和拉坯速度对氩气的气泡分布及通过气泡吸附去除夹杂的影响；文献[4]采用物理模拟和数值模拟两种方法研究了浸入式水口倾角、拉坯速度、吹氩量对气泡的穿透深度、气泡横向分布和气流喷射角的影响；文献[5-6]采用多相流模型计算了吹氩后结晶器内钢液的流场、温度场及氩气的分布特征；文献[7-10]主要采用物理模拟方法研究了吹氩过程中连铸结晶器内钢液的流动行为，分析了水口浸入深度、水口倾角、拉坯速度、吹氩量等参数对连铸结晶器内钢液流动行为及钢渣自由液面的影响。本文则针对某钢厂230 mm×1100 mm板坯连铸结晶器浇注时存在的因夹杂造成改判率较高的问题，采用数值模拟方法利用FLUENT软件研究了吹氩量、拉坯速度、水口浸入深度等参数对结晶器内钢/渣界面波动的影响，以期为吹氩工艺参数的合理设置提供参考。

1数学模型

1.1模型假设

为便于建立数学模型，假设结晶器内钢液流动为三维瞬态不可压缩黏性流动；忽略已凝固坯壳和结晶器振动对钢液流动的影响；忽略结晶器壁的倾斜效果；忽略气泡间的相互作用力(即不考虑气泡破裂和碰撞过程)，气泡尺寸保持不变。

1.2控制方程

(1)流体体积函数模型

采用流体体积 (volume of fluid，VOF)方法来描述结晶器内钢/渣界面波动，两相界面的跟踪通过以下连续方程来完成：

(1)

式中：xi为坐标分量；ui为i方向上的速度分量，m/s；Fs为钢液的体积分数，Fs=0时代表液渣，0

(2)离散相模型中的作用力平衡方程

氩气泡运动轨迹采用拉格朗日离散模型中的力平衡方程求解得出：

(2)

式中：ug为气泡速度，m/s；u为钢液速度，m/s；μ为钢液动力黏度，Pa·s；ρ为钢液密度，kg/m3；ρg为气泡密度，kg/m3；dg为气泡直径，m；F为单位质量气泡所受其他力，N/kg；g为重力加速度分量，m/s2；CD为拖曳系数，是雷诺数Re的函数。

结晶器内钢液的流动属湍流流动，利用不可压缩黏性流体力学中的连续性方程、动量方程及k-ε双方程模型建立描述结晶器内三维流动的数学模型，其方程的具体形式参见文献[5]。

1.3边界条件及计算方法

结晶器浸入式水口结构如图1所示，所采用的工艺参数和物性参数见表1。根据结晶器实际尺寸建立三维数学模型，考虑其双对称结构，为减小计算量取其体积的1/4作为计算区域。为减小结晶器内回流对钢液流动的影响，在计算过程中适当延长了计算区域，结晶器有效长度为800 mm，计算区域长度取为1500 mm。采用正交直角坐标系，对结晶器模型划分结构六面体网格。求解过程中动量方程的压力项采用PISO(Press-ure Implicit with Splitting of Operators)算法。求解连续性方程、动量方程及湍动方程的收敛标准均为残差值小于10-4。

Fig.1 Structural diagram of the submerged nozzle

图1　浸入式水口结构示意图

表1　工艺参数及物性参数

注：水口浸入深度为钢渣界面至浸入式水口出口上端中心点的距离；液态渣层厚度近似取现场工艺条件下结晶器渣层厚度。

2模拟方案

首先在不吹氩的工况下，模拟不同拉坯速度和水口浸入深度对结晶器内钢/渣界面波动行为的影响，然后利用正交试验设计方法设计了16种方案，系统分析了在4种吹氩量、4种拉坯速度、4种水口浸入深度条件下结晶器内的钢/渣界面波动行为特征，通过数值计算并综合考虑各因素对结晶器钢/渣界面波动情况和冲击深度的影响来确定最佳的吹氩工艺参数。

3结果与讨论

3.1拉坯速度对钢/渣界面行为的影响

图2为不吹氩且水口浸入深度为120 mm时不同拉坯速度下的钢/渣界面形状。由图2可见，不吹氩时，结晶器钢/渣界面波动最大的地方均出现在靠近结晶器窄边的弯月面处；随着拉速的增加，界面波动范围明显增大，当拉速由1.1 m/min增至1.4 m/min时，弯月面处钢/渣界面最高点的高度坐标由6.9 mm变为10.1 mm，界面波动范围由11.7 mm增至18.4 mm；水口附近液面波动较小，基本处于平稳状态。这是因为随着拉速的增加，上下回流动能增加，上回流到达钢/渣界面后回流强度增大，导致弯月面处波动加剧。水口处钢液出口速度增大导致流股动能增加，而动能更大的流股在理论上更能克服结晶器中钢液的阻力从而达到更深的位置，即冲击深度增加，但由于本文研究的拉速变化范围不大，对钢液的冲击深度影响较小，4种拉速下的冲击深度均在275 mm左右。

(a) 1.1 m/min(b)1.2 m/min

图2不吹氩时不同拉坯速度下的钢/渣界面形状

Fig.2 Steel/slag interfacial profiles at different casting speeds without argon blowing

3.2水口浸入深度对钢/渣界面行为的影响

图3为不吹氩且拉坯速度为1.3 m/min时不同水口浸入深度下的钢/渣界面形状。由图3可以看出，在不吹氩时，随着水口浸入深度的增加，结晶器弯月面处钢/渣界面波动范围逐渐减小，当水口浸入深度由105 mm增至150 mm时，钢/渣界面最高点由9.1 mm降至7.1 mm，而水口附近液面基本处于平稳状态。这是因为，随着水口浸入深度的增加，上回流区下移，撞击到结晶器窄面的流股沿窄面流动的速度降低，流股对液面波动的影响减小。另外，随着水口浸入深度由105 mm增至150 mm，流股在结晶器窄面上的冲击点位置逐渐下移，冲击深度由260 mm增至319 mm。

(a)105 mm(b)120 mm

图3不吹氩时不同水口浸入深度下的钢/渣界面形状

Fig.3 Steel/slag interfacial profiles at different nozzle immersion depths without argon blowing

3.3吹氩对结晶器内钢液流动和钢/渣界面行为的影响

水口浸入深度为105 mm时不同吹氩量和拉坯速度下沿结晶器宽面的中间剖面处钢液流场分布情况如图4所示。由图4可见，在吹氩工况下，从水口侧孔出来的氩气泡迅速上浮至浸入式水口周围并抽引周围的钢液向上运动，在熔池表面形成表面流，并且在靠近结晶器窄面的弯月面附近上升流逐渐向下降流转变。氩气泡的浮力明显改变了连铸结晶器上部的钢液流动行为，导致钢液流股对结晶器窄面的冲击点上移，结晶器上部的涡心上移并偏向水口。

(a) 拉速1.1 m/min，不吹氩(b) 拉速1.1 m/min，吹氩量9 L/min

图4不同拉坯速度和吹氩量下结晶器中的钢液流场

Fig.4 Molten steel flow fields in the mold at different casting speeds and argon blowing rates

水口浸入深度为105 mm时不同吹氩量和拉坯速度下结晶器内的氩气分布情况如图5所示。由图5可见，当拉速较低、吹氩量较小时，流股的冲击强度较弱，气泡在结晶器内分散程度较差，氩气泡基本竖直上浮，易集中在水口附近逸出，导致水口附近液面波动加剧。随着拉速和吹氩量的提高，氩气泡受到主流钢液的影响增加，在结晶器内的扩散范围逐渐增大，并偏向结晶器窄面的弯月面处。但当水口吹氩量为18 L/min时，尽管拉速增至1.4 m/min，仍然有大量的氩气泡摆脱主流钢液的影响在水口附近聚集上浮逸出。

(a) 拉速1.1 m/min，吹氩量9 L/min(b) 拉速1.2 m/min，吹氩量12 L/min

图5不同拉坯速度和吹氩量下结晶器中氩气分布情况

Fig.5 Argon distributions in the mold at different casting speeds and argon blowing rates

水口浸入深度为105 mm时不同吹氩量和拉坯速度下的钢/渣界面形状如图6所示。由图6可见，吹氩对钢/渣界面形状影响显著，钢/渣界面最明显的变化出现在水口附近以及靠近结晶器窄面的弯月面处。这是因为，在吹氩过程中，结晶器内钢液的流动取决于从水口流出的钢液的惯性力以及氩气泡的漂浮力。当拉速较低时，氩气浮力相对较大，较小的钢液回流速度不足以抵消氩气泡的浮力作用，较多的钢液被氩气泡所带动沿水口附近的结晶器壁面向上运动，主流钢液较早地开始回流，导致水口附近形成较强的旋流，同时氩气泡在水口附近靠其自身的浮力脱离主流股而垂直上浮，到达液面后破裂逸出，造成靠近水口周围的液面剧烈湍动，钢/渣界面波动加剧，所以此处的液渣层更容易被吹破，例如图6(a)中圆圈处所示，该工艺条件下结晶器弯月面处界面最高点坐标为-2 mm，而水口附近的液渣层处于吹破状态。另一方面，由于吹氩导致到达结晶器窄面后向上回流的钢液相对较少，所以此时弯月面附近的界面波动比不吹氩时的界面波动要小。

(a) 拉速1.1 m/min，吹氩量9 L/min(b) 拉速1.2 m/min，吹氩量12 L/min

图6不同拉坯速度和吹氩量下的钢/渣界面形状

Fig.6 Steel/slag interfacial profiles at different casting speeds and argon blowing rates

随着拉速的进一步提高，钢液整体回流速度增大，氩气泡的浮力不足以带动更多的钢液向上运动，水口附近形成相对较弱的旋流区，液面波动幅度呈减小趋势，即选择合适的拉速能明显降低水口附近钢/渣界面的波动幅度，同时更多的钢液流向弯月面处，导致弯月面附近的液渣厚度降低。由图6(a)和图6(b)可见，当拉速从1.1 m/min增至1.2 m/min时，水口附近由渣层吹破状态变为钢/渣界面最高点坐标为2 mm，而弯月面处界面最高点由-2 mm增至2 mm。

但随着吹氩量的持续增加(达到18 L/min)，氩气泡对周围流体的抽引能力大于钢液流股惯性力的影响，大量氩气泡在水口附近破裂逸出引起水口附近的钢/渣界面波动加剧，水口附近渣层再次被吹破，如图6(d)中圆圈处所示。同时由于氩气在吹入结晶器后对钢液有提升作用，致使钢液向下的速度减小，冲击深度减小至166 mm。

3.4最佳吹氩工艺参数的确定

根据所设计的16种配置方案，通过数值计算得出不同吹氩工艺参数下的钢/渣界面行为特征，如表2所示。由表2可见，采用方案1、6、11、13、15时，水口附近的钢/渣界面波动较大，保护渣覆盖效果较差，甚至出现水口附近部分钢/渣界面被吹破的情况，此时极易造成卷渣，且钢液暴露在空气中，容易被氧化，影响铸坯质量，所以这几个方案的工艺配置很不合理，不考虑使用。

钢/渣界面波动过大，容易造成卷渣；钢/渣界面太平静，不利于保护渣的熔化。注流流股冲击深度过小，流股冲击面上回流离液面近，造成液面波动和液面流速增大，也容易引起卷渣及保护渣覆盖不均匀；而冲击深度过大在一定程度上又增加了夹杂物及气泡等物质上浮的障碍，同时由于下回流区的冲击动能很大，对刚刚形成的凝固坯壳造成严重的冲刷，不利于初生坯壳的形成，增大了漏钢的几率，不利于高拉速操作。因此合适的液面波动和冲击深度是连铸工艺顺行及铸坯质量的保证。

表2　不同工艺参数下的钢/渣界面行为特征

通过对表2数据的综合分析并考虑冲击深度的影响可知，在16种方案中，2号方案的各项指标符合预期，此时结晶器钢/渣界面波动较为稳定，如图7所示，而且冲击深度合适，流股对凝固坯壳的冲击力较小。因此，最佳吹氩工艺参数确定为：拉坯速度1.2 m/min，吹氩量9 L/min，水口浸入深度120 mm。

4结论

(1)在不吹氩的条件下，随着拉坯速度的增加，结晶器弯月面处钢/渣界面波动加大，而水口附近界面波动较小，基本处于平稳状态；水口浸入深度的增大可有效减缓结晶器弯月面处钢/渣界面的波动，但同时也会增大钢液注流的冲击深度，不利于钢液中夹杂物上浮和凝固坯壳的形成。

(2)吹氩会明显加剧水口附近的钢/渣界面波动，而选择合适的拉坯速度能有效降低此处的钢/渣界面波动幅度，同时吹氩有利于减缓结晶器弯月面处的液面波动，可在一定程度上达到稳定钢/渣界面的目的。

(3)对于所研究的230 mm×1100 mm板坯连铸结晶器，其最佳吹氩工艺参数为：拉坯速度1.2 m/min，吹氩量9 L/min，水口浸入深度120 mm，此时结晶器钢/渣界面波动较为稳定，冲击深度为208 mm，也比较合适。

图7　最佳工艺参数下的钢/渣界面形状

Fig.7 Steel/slag interfacial profile at the optimal process parameters

参考文献

[1]Thomas B G, Huang X, Sussman R C. Simulation of argon gas flow effects in a continuous slab caster[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 1994, 25(4): 527-547.

[2]卢金雄，王文科，张炯明，等．板坯连铸结晶器吹氩对铸坯卷渣的影响[J]．北京科技大学学报，2006，28(1)：34-37．

[3]Kwon Youjong, Zhang Jian, Lee Hae-Geon. Water model and CFD studies of bubble dispersion and inclusions removal in continuous casting mold of steel[J]. ISIJ International, 2006, 46(2): 257-266.

[4]Singh V, Dash S K, Sunitha J S, et al. Experimental simulation and mathematical modeling of air bubble movement in slab caster mold[J]. ISIJ International, 2006, 46(2): 210-218.

[5]孙健．420 mm×1100 mm板坯连铸结晶器吹氩对流场和温度场影响的数值模拟[J]．特殊钢，2015，36(2)：5-8．

[6]于会香，朱国森，王新华，等．连铸板坯结晶器内钢液吹氩行为的数值模拟[J]．北京科技大学学报，2003，25(3)：215-217．

[7]Miranda R, Barron M A, Barreto J, et al. Experimental and numerical analysis of the free surface in a water model of a slab continuous casting mold[J]. ISIJ International, 2005, 45(11): 1626-1635.

[8]冯巍，朱传运，余挺进，等．水口吹氩工艺条件下连铸结晶器内钢液流动行为的模拟和优化[J]．连铸，2007(4)：4-7．

[9]周海斌，郑淑国，朱苗勇，等．宽厚板坯连铸结晶器内气液界面波动行为的实验研究[J]．连铸，2008(6)：20-22．

[10]Yu Haiqi, Zhu Miaoyong, Wang Jun. Interfacial fluctuation behavior of steel/slag in medium-thin slab continuous casting mold with argon gas injection [J]. Journal of Iron and Steel Research (International), 2010, 17(4): 5-11.

[11]Fluent Inc. Fluent 6.3 user’s guide[M]. Lebanon, NH：Fluent Inc, 2006.

[12]Zhang Lifeng, Yang Subo, Cai Kaike, et al. Investigation of fluid flow and steel cleanliness in the continuous casting strand [J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2007, 38B(1): 63-83.

[责任编辑尚晶]

Optimization of process parameters for argon blowing in slab caster mold

YangXueping1,2,LiGuangqiang1,2,RaoJiangping2,3,YangZhizheng2,4

(1.State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2.Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 3.General Steelmaking Plant, Wuhan Iron and Steel Company Limited, Wuhan 430083, China; 4.Research and Development Center，Wuhan Iron and Steel Corporation, Wuhan 430080, China)

Abstract:Using VOF (volume of fluid) method and Lagrange discrete phase model, this paper established the mathematical models of the flow behaviors of molten steel, liquid slag and argon bubbles during argon blowing in a slab continuous casting mold (230 mm×1100 mm). Effects of such process parameters as argon blowing rate, casting speed and nozzle immersion depth on the steel/slag interfacial behavior characteristics in the mold were studied by numerical simulation. The results show that argon blowing obviously expands the fluctuation range of the steel/slag interface near the nozzle, while this range can be effectively reduced with proper casting speed. At the same time, argon blowing reduces the fluctuation of molten steel near the meniscus area of the mold, which can stabilize the steel/slag interface to some extent. The best process scheme for this mold is selected from sixteen ones, and the optimal parameter values of casting speed, argon blowing rate and nozzle immersion depth are 1.2 m/min, 9 L/min and 120 mm, respectively.

Key words：mold; argon blowing; slab continuous casting; molten steel flow; steel/slag interface; numerical simulation; parameter optimization

收稿日期：2015-11-04

基金项目：湖北省自然科学基金资助项目(2008CAD010).

作者简介：杨雪萍(1991-)，女，武汉科技大学硕士生.E-mail：1204882271@qq.com 通讯作者：李光强(1963-)，男，武汉科技大学教授，博士生导师.E-mail：liguangqiang@wust.edu.cn

中图分类号：TF777

文献标志码：A

文章编号：1674-3644(2016)01-0012-07