第4期 王耀等：连铸中间包钢液中凝聚态氧化铝夹杂物运动行为的数值模拟 ·435· 1.6.2边界和初始条件设置 (m.s 1 模型计算边界和初始条件设置如下： (1)中间包内自由液面及对称面上的变量梯度 3.0 为零； 1.8 (2)中间包壁面采用无滑移边界条件，近壁面 0 0.6 网格节点采用标准壁面函数处理； 02 (3)入口速度根据拉坯速度计算，设置为 1.5ms1; (4)夹杂物颗粒运动至钢液表面则上浮去除， 与包壁碰撞后则反弹回钢液中： 图3中间包中心对称面上的速度矢量图 (5)出口设置采用outflow边界条件； Fig.3 Velocity vector graph of liquid steel in the tundish in the cen- (6)依据中间包入水口处取样分析可得，夹杂 ter symmetry plane 物微小粒子的平均直径为4μm,数学模型中假定构 坝上方进入左侧开阔的区域，并形成大的环流，最后 成凝聚态夹杂物的微小单体粒子直径为4μm. 经水口流出.在左侧环流中部，钢液平稳向上流动， 2数值计算模拟 可以促进夹杂物的上浮去除；环流上部钢渣交界处， 钢液中实际夹杂物颗粒尺寸分布范围较广，形 钢液流动平稳不易发生漩涡卷渣.在右侧钢液湍流 核心区，湍流随机涡对夹杂物颗粒的运动影响较大： 貌各异.为了研究方便，本文只考虑钢液中分形维 数D,=1.8网（簇群状AL,03)和分形维数D,=3.0 左侧环流区，惯性是主导夹杂物运动行为主要因素 (致密球状A山，O)两种形貌的夹杂物颗粒，并且尺 3.2夹杂物运动轨迹 寸分布为20、40、60和80μm.中间包钢液流场采用 为了研究连铸中间包内，不同尺寸山03夹杂 fluent6.3.26进行数值求解，数值模拟时各物理量的 物颗粒的形貌结构对其运动行为的影响，在中间包 残差控制在10-6，收敛标准满足出入口质量守恒. 入水口同一位置释放同一尺寸不同形貌的夹杂物颗 先计算中间包稳态流场，然后通过参数设置加载凝 粒，然后计算其运动轨迹，d为夹杂物颗粒直径，结 聚态夹杂物颗粒的随机轨道模型，模拟研究凝聚态 果如图4所示. AL,O3在钢液中的运动行为.模拟时采用的钢液和 由图4可以看出，在挡墙左边不同尺寸和形貌 AL,O3夹杂物的物性参数如表1所示. 的A山，03夹杂物运动轨迹相似，而在挡坝右边夹杂 物的运动轨迹却不尽相同.具体来说，在挡坝右边 表11873K下钢液与A山，0，夹杂物颗粒的物性参数 Table 1 Physical properties of liquid steel and Al2O inclusions at 直径为20um的簇群状和球状夹杂物运动轨迹基本 1873K 一致，除少量被中间包顶渣吸附外，大部分随钢液流 物性参数 符号 取值 出中间包出水口：直径为40m夹杂物虽然大部分 A山203密度/(kgm3) 角 3600 随钢液流出，但是球状夹杂物相比于簇群状夹杂物 钢液密度/(kgm3) Pm 7000 在钢液中停留时间更长；对于直径为60m和80um 钢液动力黏度/(N·sm2) 上m 0.005 的夹杂物，簇群状夹杂物和球形夹杂物运动轨迹则 差异很大，球形夹杂物几乎全部上浮去除，而簇群状 模拟结果与讨论 夹杂物则有一部分随钢液流出.在挡墙左边，由于 3 钢液湍流剧烈，随机湍流涡强度较大，同时湍流涡与 3.1中间包流场 夹杂物颗粒相互作用时间较长，钢液流场是影响夹 中间包流场是影响夹杂物颗粒运动行为的一个 杂物颗粒运动轨迹的主要因素，形貌结构和尺寸对 重要因素.选取中间包中心对称面为研究对象，中 其运动影响较小，因此不同尺寸和形貌夹杂物运动 心面上钢液的速度矢量分布如图3所示. 轨迹相似.挡坝右边，钢液流动比较平稳，夹杂物的 图3表明，钢液自水口注入后，迅速到达包底， 惯性对其运动影响较为明显.尺寸相同的情况下， 并向四周流动.向右流股遭遇包壁阻碍，在水口和 簇群状夹杂物结构疏松，内部颗粒空隙之间充满钢 包壁之间形成强烈的湍流漩涡区.向左流股经挡墙 液，这部分钢液将随簇群状夹杂物颗粒一起运动 下部，一部分在靠近挡坝处形成漩涡区，一部分由挡 相比于致密球形夹杂物来说，簇群状AL,O3夹杂物第 4 期 王 耀等: 连铸中间包钢液中凝聚态氧化铝夹杂物运动行为的数值模拟 1. 6. 2 边界和初始条件设置 模型计算边界和初始条件设置如下: ( 1) 中间包内自由液面及对称面上的变量梯度 为零; ( 2) 中间包壁面采用无滑移边界条件，近壁面 网格节点采用标准壁面函数处理; ( 3) 入口速度根据拉坯速度计算，设 置 为 1. 5 m·s － 1 ; ( 4) 夹杂物颗粒运动至钢液表面则上浮去除， 与包壁碰撞后则反弹回钢液中; ( 5) 出口设置采用 outflow 边界条件; ( 6) 依据中间包入水口处取样分析可得，夹杂 物微小粒子的平均直径为 4 μm，数学模型中假定构 成凝聚态夹杂物的微小单体粒子直径为 4 μm． 2 数值计算模拟 钢液中实际夹杂物颗粒尺寸分布范围较广，形 貌各异． 为了研究方便，本文只考虑钢液中分形维 数 Df = 1. 8 ［12］( 簇群状 Al2O3 ) 和分形维数 Df = 3. 0 ( 致密球状 Al2O3 ) 两种形貌的夹杂物颗粒，并且尺 寸分布为 20、40、60 和 80 μm． 中间包钢液流场采用 fluent6. 3. 26 进行数值求解，数值模拟时各物理量的 残差控制在 10 － 6 ，收敛标准满足出入口质量守恒． 先计算中间包稳态流场，然后通过参数设置加载凝 聚态夹杂物颗粒的随机轨道模型，模拟研究凝聚态 Al2O3 在钢液中的运动行为． 模拟时采用的钢液和 Al2O3 夹杂物的物性参数如表 1 所示． 表 1 1873 K 下钢液与 Al2O3 夹杂物颗粒的物性参数 Table 1 Physical properties of liquid steel and Al2O3 inclusions at 1873 K 物性参数 符号 取值 Al2O3 密度/( kg·m － 3 ) ρp 3600 钢液密度/( kg·m － 3 ) ρm 7000 钢液动力黏度/( N·s·m － 2 ) μm 0. 005 3 模拟结果与讨论 3. 1 中间包流场 中间包流场是影响夹杂物颗粒运动行为的一个 重要因素． 选取中间包中心对称面为研究对象，中 心面上钢液的速度矢量分布如图 3 所示． 图 3 表明，钢液自水口注入后，迅速到达包底， 并向四周流动． 向右流股遭遇包壁阻碍，在水口和 包壁之间形成强烈的湍流漩涡区． 向左流股经挡墙 下部，一部分在靠近挡坝处形成漩涡区，一部分由挡 图 3 中间包中心对称面上的速度矢量图 Fig． 3 Velocity vector graph of liquid steel in the tundish in the cen￾ter symmetry plane 坝上方进入左侧开阔的区域，并形成大的环流，最后 经水口流出． 在左侧环流中部，钢液平稳向上流动， 可以促进夹杂物的上浮去除; 环流上部钢渣交界处， 钢液流动平稳不易发生漩涡卷渣． 在右侧钢液湍流 核心区，湍流随机涡对夹杂物颗粒的运动影响较大; 左侧环流区，惯性是主导夹杂物运动行为主要因素． 3. 2 夹杂物运动轨迹 为了研究连铸中间包内，不同尺寸 Al2O3 夹杂 物颗粒的形貌结构对其运动行为的影响，在中间包 入水口同一位置释放同一尺寸不同形貌的夹杂物颗 粒，然后计算其运动轨迹，d 为夹杂物颗粒直径，结 果如图 4 所示． 由图 4 可以看出，在挡墙左边不同尺寸和形貌 的 Al2O3 夹杂物运动轨迹相似，而在挡坝右边夹杂 物的运动轨迹却不尽相同． 具体来说，在挡坝右边 直径为 20 μm 的簇群状和球状夹杂物运动轨迹基本 一致，除少量被中间包顶渣吸附外，大部分随钢液流 出中间包出水口; 直径为 40 μm 夹杂物虽然大部分 随钢液流出，但是球状夹杂物相比于簇群状夹杂物 在钢液中停留时间更长; 对于直径为 60 μm 和80 μm 的夹杂物，簇群状夹杂物和球形夹杂物运动轨迹则 差异很大，球形夹杂物几乎全部上浮去除，而簇群状 夹杂物则有一部分随钢液流出． 在挡墙左边，由于 钢液湍流剧烈，随机湍流涡强度较大，同时湍流涡与 夹杂物颗粒相互作用时间较长，钢液流场是影响夹 杂物颗粒运动轨迹的主要因素，形貌结构和尺寸对 其运动影响较小，因此不同尺寸和形貌夹杂物运动 轨迹相似． 挡坝右边，钢液流动比较平稳，夹杂物的 惯性对其运动影响较为明显． 尺寸相同的情况下， 簇群状夹杂物结构疏松，内部颗粒空隙之间充满钢 液，这部分钢液将随簇群状夹杂物颗粒一起运动． 相比于致密球形夹杂物来说，簇群状 Al2O3 夹杂物 ·435·