冶金流體力學(xué)課程教學(xué)中實驗設(shè)計和數(shù)值模擬的應(yīng)用

趙 鵬，李 彭，黃 建，敬興均

（1.山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟南250101；2.攀枝花學(xué)院釩鈦學(xué)院，四川攀枝花617000）

結(jié)晶器是連鑄機的“心臟”，其作用是讓鋼水均勻快速的冷卻形成一定厚度均勻、表面質(zhì)量良好的初生坯殼，并且能承受鋼水靜壓力。結(jié)晶器內(nèi)涉及到多相傳輸和反應(yīng)，連鑄板坯的表面和內(nèi)部缺陷與結(jié)晶器內(nèi)流動狀態(tài)密切相關(guān)［1］。冶金過程流體力學(xué)是攀枝花學(xué)院冶金工程專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。學(xué)生到煉鋼車間進行生產(chǎn)實習(xí)，由于考慮安全性，在實習(xí)過程中學(xué)生就沒有機會動手操作，這樣導(dǎo)致理論教學(xué)和實際活動嚴重脫節(jié)。為了促使學(xué)生更好理解鋼鐵冶金連鑄過程多相傳輸過程，根據(jù)相似比設(shè)計連鑄結(jié)晶器水模型裝置，并將數(shù)值模擬方法應(yīng)用于實際工藝過程中。目前，通過計算流體動力學(xué)（CFD）引入流體力學(xué)課程并不是一個全新的想法，然而單一工程的計算流體動力學(xué)算例講解過于抽象［2-4］。實驗裝置和數(shù)值模擬的應(yīng)用在冶金流體力課程，在國內(nèi)冶金過程流體教學(xué)過程的報道不夠全面。本研究在之前發(fā)表的油水卷渣實驗設(shè)計基礎(chǔ)上［7］，建立結(jié)晶器內(nèi)流動和卷渣現(xiàn)象模擬裝置，并以Fluent軟件模擬連鑄過程卷渣過程的多相流過程，彌補當(dāng)前專業(yè)實踐不足，提高冶金流體力學(xué)課程的學(xué)習(xí)效果，滿足冶金過程流體力學(xué)課程教學(xué)需求。

1 連鑄結(jié)晶器冶金特性

結(jié)晶器在鑄坯質(zhì)量方面起著重要作用，其功能可概括為［5，6］：（1）鋼液凈化：促進鋼液中氣泡和非金屬夾雜物充分上浮。（2）質(zhì)量控制：鋼液-凝固坯殼直接相互作用是一個復(fù)雜過程，對連鑄坯質(zhì)量起著重要作用；（3）高效傳熱凝固：將高溫鋼液熱量迅速、均勻傳遞給冷卻水，把鋼凝固成所需鑄坯；（4）鋼水凝固成型器：把鋼液凝固成規(guī)定形狀，澆注所需的鑄坯。

2 連鑄結(jié)晶器模擬實驗裝置

結(jié)晶器水模擬設(shè)備主要包括結(jié)晶器水模型、浸入式水口（SEN）、泵、流量計以及相關(guān)配套管路，連鑄結(jié)晶器裝置如圖1所示。

圖1 結(jié)晶器實驗裝置圖

（1）水模型：根據(jù)實際結(jié)晶器1：2比例制作水模型，為使學(xué)生更好觀察水模型內(nèi)部流動現(xiàn)象，材質(zhì)采用透明有機玻璃。水模型寬面長度為650m，窄面厚度為120mm，實際結(jié)晶器高度是900mm，為了保證結(jié)晶器下部出口流動充分發(fā)展，減少出口對流體影響，水模型高度位是1800 mm。浸入式水口高度900m，外徑為64mm，內(nèi)徑為39mm，水口底部為凹形設(shè)計，水口的傾角為15°。水從浸入式水口進入到結(jié)晶器水模型內(nèi)，并從水模型底部出口流出到底部水桶。出口水流量由水模型底部閥門控制，維持水模型內(nèi)一定液面高度。

（2）泵：通過泵把水從底部盛水桶抽進管路，使用變頻器調(diào)節(jié)泵的輸出功率而改變進水流量，并通過安裝在管路中的流量計讀出流量。

（3）管路系統(tǒng)：水沿管路進入水口，從水模型底部流入水桶，并通過泵抽入再次進入管路，實現(xiàn)水流循環(huán)。

3 連鑄結(jié)晶器水模擬實驗

在冶金流體力學(xué)實驗研究應(yīng)遵循相似原理和準則。在連鑄結(jié)晶器水模型實驗中，主要考慮幾何相似、動力相似、界面相似。通過水模型實驗加深學(xué)生對相似原理的理解。結(jié)晶器內(nèi)涉及多相流、鋼渣/金混卷和吹氬氣泡等多種傳輸現(xiàn)象。鋼液從浸入式水口流出，結(jié)晶器鋼液反應(yīng)主要發(fā)生在三個區(qū)域，即：射流沖擊區(qū)、渣-金界面以及鋼液熔池。結(jié)晶器內(nèi)由于存在湍流原因和射流振蕩，流場呈現(xiàn)出非對稱瞬態(tài)變化［7］；結(jié)晶器彎月面處覆蓋保護渣，從而保證連鑄坯和結(jié)晶器壁面良好潤滑、傳熱效果；結(jié)晶器水口壁面處易堵塞，水口常用吹氬氣泡技術(shù)，這不僅可以防止水口堵塞，同時還能粘附部分夾雜物促進上浮去除。實驗室水模裝置可以模擬連鑄結(jié)晶器內(nèi)射流、流場、卷渣過程以及吹氬情況，圖2（a）～（c）分別顯示結(jié)晶器流場、卷渣現(xiàn)象和吹氣泡實驗過程。實驗中通過水、油和氣泡分別模擬結(jié)晶器內(nèi)鋼液、渣層和吹入氬氣泡。通過改變水流量、SEN浸入式深度和吹氣量等操作參數(shù)，使用高儀和高速攝影儀器記錄實驗過程，學(xué)生通過觀察和分析結(jié)晶器多相傳輸過程，更加深入了解結(jié)晶器內(nèi)流場變化、液面波動和氣泡運動等多相傳輸過程。

圖2 結(jié)晶器水模實驗

4 數(shù)學(xué)模型

以結(jié)晶器內(nèi)卷渣過程的數(shù)值模擬為例，分析結(jié)晶器內(nèi)渣層波動和渣滴運動行為，定量化分析渣滴尺寸粒徑分布。界面問題研究廣泛地存在于學(xué)術(shù)領(lǐng)域和工程領(lǐng)域，如澆注過程中的液態(tài)金屬-空氣所形成自由界面問題等。Volume of Fluid（VOF）是一種理想的模擬自由界面運動模型，研究者在輸運方程的求解精度和界面的重構(gòu)等方面做了一系列的研究，提出了Donor-Acceptor概念、Upwind特征思想和補償效應(yīng)、輸運界面重構(gòu)（Interface Reconstruction）等方法，使得VOF方法在適用性和精度方面都有所提升［8］。在VOF模型中，自由界面運動是通過求解整個計算域內(nèi)的體積分數(shù)α輸運方程得到，每個單元體內(nèi)的物相的性質(zhì)和流動變量由各相共享，所有相共享一套動量方程。對于流體單元中各相，每個單元控制體各流體相的體積分率之和為1。通過對連鑄結(jié)晶器內(nèi)卷渣過程卷渣數(shù)值模擬，讓學(xué)生更好理解建模過程中涉及連續(xù)性方程和動量方程等。

5 計算結(jié)果

5.1 渣層波動

圖3 結(jié)晶器內(nèi)剪切、拖拽和渣層波動卷渣模型［9］

圖4 結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)卷渣過程

連鑄結(jié)晶器內(nèi)卷渣主要過程是由于鋼液流動過程剪切力導(dǎo)致的鋼渣混卷現(xiàn)象。Orazzo等人［9］預(yù)測了結(jié)晶器內(nèi)剪切、拖拽卷渣以及不穩(wěn)定卷渣模式，如圖3所示。為了說明結(jié)晶器內(nèi)卷渣的瞬態(tài)過程和驗證數(shù)學(xué)預(yù)測卷渣過程的準確性，圖4為拉速1.3m/min時結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)卷渣過程，其中（a）和（b）分別是上升流和回流導(dǎo)致卷渣現(xiàn)象。結(jié)果表明：CFD模型較好模擬結(jié)晶器內(nèi)渣層波動和卷渣現(xiàn)象，能夠捕獲結(jié)晶器窄面處由于向上湍流剪切或拖拽作用力導(dǎo)致的卷渣過程，也能預(yù)測結(jié)晶器內(nèi)由于渣層不穩(wěn)定而引起的劇烈卷渣現(xiàn)象。

5.2 渣滴粒徑分布

卷入渣滴數(shù)量、尺寸及粒徑分布對連鑄坯質(zhì)量影響明顯，這就需要對于結(jié)晶器計算域內(nèi)的卷入渣滴行為進行跟蹤、統(tǒng)計和計算。Fluent UDF（用戶自定義程序）統(tǒng)計渣滴尺寸分布的計算過程如下：UDF代碼遍歷整個計算域中每個單元格，并為每個渣相的單元給出一個標定ID后遍歷周圍網(wǎng)格，如果搜索到有該屬性的相鄰單元就被賦予相同的ID，如果沒有搜索到就認為這是由相同ID構(gòu)成的一個渣相，重復(fù)上述過程繼續(xù)搜索渣相ID+1，直到遍歷完整個計算域，最終得到了每個卷入渣滴體積和數(shù)量以及渣滴粒徑分布。渣滴粒徑分布統(tǒng)計方法見流程圖5。

圖5 結(jié)晶器內(nèi)卷入渣滴尺寸和數(shù)量的統(tǒng)計方法流程圖

圖6 結(jié)晶器內(nèi)渣層厚度對渣滴粒徑分布的影響

為了更好說明渣層物理性質(zhì)對卷渣過程渣滴粒徑分布的影響。圖6顯示了不同渣層厚度條件下渣滴尺寸粒徑分布圖。從圖中看出，不同拉速下卷入渣滴粒徑尺度分布是不均勻的，卷入渣滴尺度粒徑分布呈現(xiàn)“Λ”形狀，卷入渣滴尺寸集中在2～3 mm范圍，所占卷入渣滴總量比例約為40%；而較大尺寸的液滴（3～4 mm）數(shù)量相對較小，其所占總量比例為約在10%。隨著渣層厚度增加，卷入渣滴仍然尺寸仍集中在2-3 mm范圍，渣滴粒徑分布基本相似。

6 結(jié)語

本文提出在冶金工程流體力學(xué)教學(xué)中引入實驗和數(shù)值模擬方法提高教學(xué)效果，以連鑄結(jié)晶器的水模型實驗和數(shù)值模擬為研究對象，涉及實驗過程、多相流動VOF方法，定量分析不同渣層厚度下渣滴尺寸粒徑分布。實驗過程、理論知識及軟件應(yīng)用的綜合案例既可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增加專業(yè)知識，又能提高掌握應(yīng)用軟件和運用不同算例模擬計算能力。本次探索取得了較好的效果，可供實踐性和理論性較強的冶金工藝課程教學(xué)借鑒，滿足學(xué)生認識、生產(chǎn)、畢業(yè)實習(xí)等實訓(xùn)環(huán)節(jié)的要求，為學(xué)生從事以后工作和科研奠定良好基礎(chǔ)。