氩气吹扫与气泡-夹杂物相互作用诱导薄板坯连铸结晶室内夹杂物去除机制建模及EMBr影响研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Modeling inclusion removal mechanisms induced by argon blowing and bubble-inclusion interactions in a thin slab casting mold with EMBr

为解决薄板坯连铸过程中非金属夹杂物控制难题，北京科技大学科研团队开展了氩气吹扫和电磁制动(EMBr)对钢液流动及夹杂物行为影响的研究。通过建立三维全尺寸瞬态数值模型，结合自主开发的用户自定义函数(UDF)程序模拟气泡-夹杂物碰撞过程。研究发现：氩气吹扫与EMBr联用可使弯月面最大流速降低58.4%，显著改善温度场均匀性；气泡捕获可去除41.96%的夹杂物，对100μm以下小尺寸夹杂物去除率超45%。该研究为优化薄板坯连铸工艺参数提供了理论依据。

　　

在钢铁工业追求高效节能的今天，薄板坯连铸连轧(TSCCR)技术因其近终形制造特性备受青睐。然而，特殊的漏斗型结晶结构和超高速浇注工艺却带来了非金属夹杂物控制的难题——这些微小的非金属颗粒容易在凝固前沿聚集，导致钢材表面缺陷，严重影响产品质量。更棘手的是，结晶器内部高温高压的恶劣环境使得直接观察夹杂物行为几乎不可能，这就像在黑暗的箱子里试图追踪萤火虫的轨迹一样困难。

为了解决这一行业痛点，北京科技大学先进冶金技术国家重点实验室的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了创新性研究成果。他们独辟蹊径，通过建立三维全尺寸瞬态数值模型，首次系统揭示了氩气吹扫和电磁制动(EMBr)联合作用下薄板坯结晶器内液-气-固多相流动的奥秘。这项研究不仅破解了超高速连铸条件下夹杂物行为的不解之谜，更为优化连铸工艺参数提供了精准的理论指导。

研究团队采用了多项关键技术方法：基于大涡模拟(LES)的湍流模型准确捕捉了结晶器内的复杂流动；磁流体动力学(MHD)模型量化了电磁制动的影响；离散相模型(DPM)追踪了气泡和夹杂物的运动轨迹；自主开发的用户自定义函数(UDF)程序首次实现了气泡-夹杂物碰撞过程的精确模拟。团队还通过工厂实测数据和物理实验验证了模型的可靠性，确保了研究结果的工业适用性。

数值方法部分详细阐述了模型建立的科学基础。研究人员基于实际薄板坯连铸生产线参数，构建了包含四孔浸入式水口(SEN)的漏斗型结晶器几何模型。通过网格独立性验证，最终确定了包含155.8万个六面体单元的最优网格系统。模型创新性地将电磁场提供的洛伦兹力源项引入动量守恒方程，同时通过UDF程序实时计算气泡与夹杂物的碰撞行为，实现了多物理场、多相流的耦合求解。

结果与讨论部分呈现了丰富的研究发现。在流场特性方面，研究显示氩气吹扫显著改变了结晶器内的流动结构：无氩气吹扫时，四股钢液射流形成复杂的循环流动；引入氩气后，小流量射流强度被明显抑制，更多钢液通过大流量射流流动，增强了中心再循环区。当氩气吹扫与EMBr联用时，磁场有效抑制了钢液射流的向下穿透，穿透深度从1.4米减少到0.8米，同时在弯月面附近形成了方向相反的两个循环流。

温度场分析表明，氩气吹扫通过改变钢液流动模式改善了温度均匀性，使中心区域温度从1809K升高到1815K。而EMBr的加入进一步提升了温度均匀性，中心温度达到1820K，弯月面下方温度也升至1817K。这种温度分布的改善对保证凝固坯壳均匀生长至关重要，可有效防止因温度不均导致的坯壳减薄和裂纹缺陷。

气泡分布研究揭示了尺寸效应的重要性。大于3毫米的大气泡主要聚集在SEN附近区域，小于1毫米的小气泡则能随钢流到达结晶器更深区域甚至窄面附近。EMBr的应用使大于3毫米气泡的最大穿透深度从1.09米减少到0.64米，且窄面附近的大气泡几乎完全消失。值得注意的是，1-3毫米中等尺寸气泡受EMBr影响最显著，数量减少了48.84%。

夹杂物行为分析展现了复杂的去除机制。500微米大尺寸夹杂物更容易通过自由上浮去除，上浮去除率达到49.21%，而10微米小尺寸夹杂物仅7.13%通过该方式去除。对于小尺寸夹杂物，氩气泡有效解决了上浮速度慢的难题，100微米以下夹杂物中超过45%被气泡捕获去除。相比之下，500微米大夹杂物的气泡去除率仅为21.40%，表明大尺寸夹杂物的去除更具挑战性。

氩气流量的影响也得到量化分析。当流量从8L/min增加到16L/min时，弯月面最大流速从0.163m/s降低到0.127m/s，气泡上升位置也向远离SEN方向移动约30毫米。适当增加氩气流量有助于促进大气泡的上浮去除，但过高流量可能导致小气泡数量增加，反而增加被凝固坯壳捕获的风险。

研究结论部分系统总结了本工作的科学价值。氩气吹扫与EMBr的协同应用能显著改善结晶器内流场和温度场分布，最大程度降低弯月面流速，提高温度均匀性。气泡对夹杂物的捕获是有效的去除途径，尤其对小尺寸夹杂物表现优异。研究强调，必须根据实际生产条件合理控制氩气流量，避免产生过多小气泡导致表面缺陷。这些发现为理解超高速度薄板坯连铸中多相多物理场耦合行为提供了理论支撑，对优化连铸操作参数、提高钢材洁净度具有重要指导意义。

这项研究的创新之处在于首次将气泡-夹杂物碰撞机制纳入薄板坯连铸全过程分析，建立了更加贴近实际生产条件的数学模型，突破了传统模拟方法的局限性。研究成果不仅深化了对连铸过程中多相流动规律的认识，更为钢铁企业优化连铸工艺、提高产品质量提供了可靠的技术依据。在钢铁行业绿色化、智能化发展的大背景下，这种基于多物理场耦合的数值模拟方法必将为连铸技术的进步注入新的活力。