连铸结晶器内部流场及熔渣卷入的数值模拟

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天钢板坯结晶器流场物理模拟及连铸工艺优化

３实验结果及分析
３１液面波动测量．
３．冲击压力实验结果分析．２２为减少水口射流对坯壳的冲刷，要求冲击压力要尽量小。从表２中可以看出，各断面及拉速条件下各测点的冲击压力都很小，很多测点测量值为负（量测
动、卷渣等情况引起的铸坯夹杂物及表面缺陷等问
题。
６
２试验原理及水模的建立
２１实验方法．
结晶器内的钢液在流动时受到的作用力：惯性
力、重力、粘性力及表面张力，含这些力的相似准数包有：雷诺准数（）弗鲁德准数（和韦伯准数（）、）Ｗ。
的表现形式，如果结晶器液面过于平静，导致结晶会
器内保护渣熔化不好，造成铸坯表面缺陷，严重时可能会造成钢水液面凝固结壳，导致结晶器漏钢。如果
结晶器液面波动太大，会造成结晶器卷渣、钢水二次氧化，同样会导致铸坯夹杂与表面缺陷。本文通过结晶器的水模实验［］１，－主要包含液面波动的测量、５冲击深度的测量及结晶器流场演示，进行结晶器钢液面保护渣覆盖情况的物理模拟，归纳其变化规律及产生铸坯内部夹杂和表面缺陷的原因，给连铸工艺的优化提供理论依据，解决连铸生产过程中因为结晶器液面波
表２流股对侧壁冲击压力
：：－７１Ｖ００ √ ７ …
（）４
拉速
：ｈｕ＂Ａ２Ａ２．５
几ｚ一几

CSP连铸结晶器内三维流场与温度场的数值模拟

参数的优化提供理论依据。
关键词：ＳＣＰ连铸；结晶器；浸入式水１；５数值模拟／中图分类号：７．Ｔ７７文献标志码：Ａ文章编号：６２— ｏｏ２ｏ）４— ３５— ４１７３９（０６００３０
Ｎｕｅｉａｉｕａｉｎｏ．ｍｅｓｏａｌｗｅｄｍｒｃｌＳｍｌｔｏｆ３ＤｉｎｉｎｌＦｏＦｉｌａｄＴｅｐｒｔｒｉｌｆＣＳｎｉｕｕｓｉｇＭｏｄｎｍｅａｕｅＦｅｄｏＰＣｏｔｏｓＣａｔｎｌｎ
题，因此，控制钢液在结晶器中的流动，合理地解
决浸入式水口设计、电磁制动及优化操作条件等问题，已成为改善铸坯产量与质量的一个重要的研究领域。采用计算机对连铸过程进行数值模拟，近年来已得到广泛应用。它能快速、效地对有连铸结晶器内钢液流动和传热进行解析，量地定分析水口结构和工艺参数对连铸过程的影响，从
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第２９卷第４期２００６年８月
武汉科技大学学报（自然科学版）
ＪｆｈｎＵｉｆｃ．Ｔｃ．ＮｔｒｌｃｎｅＥｉｏ）．ｏａｎ．ｏｉ＆ｅｈ（ａａＳｉｃｄｔｎＷｕＳｕｅｉ
ｕｄｒｈｅｉｅｅｔｕｍｅｇｄｅｔｏｚｓ（ＥｎｅｔｒｅｄｆｒｎｂｒｅｎｒｎｚｅＳＮ）ａｄｔａａｙｅｔｅｉｕｎｅｆｉｈｃｔｇｓｅｄｏｅｓｙｌｎｌｚｆｅｃｇａｉｐｅｎｔｏｎｈｎｌｏｈｓｎｈ

宽板坯连铸结晶器流场和温度场的数值模拟

宽板坯连铸结晶器流场和温度场的数值模拟
随着工业生产技术的不断发展，连铸技术已经成为宽板坯的主要生产方式，特别是在钢铁行业中，大量的钢铁产品均采用连铸工艺生产。

宽板坯连铸技术的核心是结晶器，结晶器的流场和温度场是宽板坯质量的关键因素，因此对流场和温度场进行数值模拟研究是必要的。

数值模拟能够对结晶器内部的流场和温度场进行快速、准确的计算，揭示了结晶器内的流场和温度场在宽板坯生产中的重要作用。

本文通过对结晶器内流场和温度场的数值模拟分析，提出了一种优化结晶器设计的方法。

首先，本文基于Navier-Stokes方程和热传导方程，建立了数学模型，考虑结晶器内部的流动载荷、热辐射、传导热和对流换热等因素。

其次，利用Fluent软件进行流场和温度场计算，得到了流场和温度场的数值解。

通过对数值模拟结果的分析，发现结晶器内部的流动较为复杂，主要存在四个涡旋，其中两个涡旋在底部，两个涡旋在上部。

涡旋的存在使得物料在结晶器内部获得了良好的混合，进一步提高了结晶器内物料的质量。

另外，结晶器内部的温度场也十分关键。

通过数值模拟结果可以看出，结晶器内部温度分布不均匀，底部温度较高，而顶部温度较低。

这是由于底部邻近铸坯熔池温度较高，导致底部结晶器的温度较高；而顶部的散热较快，导致顶部结晶器的温度较低。

最后，通过对数值模拟结果的分析得出，改变结晶器底部的形状，减少对流热损失，可以提高结晶器内部的温度分布均匀性，进而提高宽板坯的质量，同时也可以减少不必要的生产成本。

立式板坯连铸机结晶器内流场的数值物理模拟

ＮｕｅｉａｎｙｉａｉｕａｉｎｏｌｄＦｌｗｅｄｉｏｄｏｍｒｃｌａｄＰｈｓｃｌＳｍｌｔｏｎＦｕｉｏＦｉｌｎＭｌｆＶｅｔｃｌＳａｓｅｒｉａｌｂＣａｔｒ
ＺａｈｇｎＳｉｈＨｕｔｉ，ＣｅｕｎｉｇａｄＱｕＳｅｇａｈｏＺｉｇ一，ｈｅ，ｕＫｎａａＺｈｎＹａｑｎｎｉｈｎｔｏ
（ｏｅｅｏＭｅｌｒｃｌｎｎｒｎｉｅｉ，ＫｎｉｇＵｉｅｉｆｃｎｅａｄＴｃｎｌｙＫｎｉｇ５０３１ＣｌｇｆｔｌｇａａｄＥｅｇＥｇｅｒｇｕｍｎｎｖｒｔｏｉｃｎｅｈｏｇ，ｕｍｎ０９；ｌａｕｉｙｎｎｓｙＳｅｏ６２ＮｔｎｌｎｉｅｒｇＲｓａｈＣｎｒｆｏｔｕｕａｔｇＴｃｎｌｇ，ｅｔｏｎｔｌｅｅｒｎｔｕｅＢｉｎ０８）ａｏａＥｇｅｎｅｅｒｅｔｎｉｏｓＣｓｎｅｈｏｙＣｎｒｒｎａｄＳｅＲｓａｃＩｓｔｔ，ｅｊｇ１０ｉｎｉｃｅｏＣｎｉｏｅＩｅｈｉｉ０１
ａｄｂｓｄｏａｕａｉｎｏｕｄｍａｈｎｃ．一ｉｎｉｎｌｎｍｅｃｌｉｌｔｎｏｏｅｄｉｌｂｍｏｄｉｃｒｉｄｏｔｎａｅｎｃｃｌｔｆｉｃａｉｓ山ｅ３ｄｍｅｓａｕｒａｍｕａｉｆｆｗｆｌｎｓａｌＳａｒｕｏｌｆｏｉｓｏｌｉｅｂｓｇＦｕｎｏｔａｅａｄｈｇｑａｉｎｔｒｕｅｃｄ１ｅｕｔｓｏｔａｈｕｒａｉｌｔｎｒｓｌＯｙｕｉｌｅｔｓｆｒｎ一ｉｈＲｅｅｕｔｂｌｎｅｍｏｅ．ＲｓｌｈｗｔｅｎｍｅｃｌｍｕａｉｅｕｔＣ — ｎｗｏｕｓｈｔｉｓｏｓｉｃｄｉｈｅｕｔｏｈｓｃｌｓｍｕａｉｎ：ｔｅｅｆｃｏｏｚｅｓｒｃｕｅｐｒｍｅｅｓｏｑｉｖｌｕｂｌｎｉｅｉｅｅ — ｎｉｅｗｔｔｅｒｓｌｆｙｉａｉｌｔｈｓｐｏｈｆｔｆｎｚｌｔｕｔｒａａｔｒｎ１ｕｄｌｅｒｕｅｔｎｔｎｒｅｉｅｔｋｃ

板坯连铸机结晶器内流场的有限元分析

２模型的建立
２１基本假设和模型简化．
对结晶器参数进行优化是相当必要的。本文利用有
限元软件ＡＮＳＹＳ中的热一流场耦合ＦＯＴＲＬＡＮＣＤ模块，在相同的浇铸温度和不同的参数条件Ｆ对
下，钢三炼钢２０×１５ｍｍ的板坯结晶器内钢武５５０
Ｄ￣ｅｅ０６ｃｍｂｒ０２
板坯连铸机结晶器内流场的有限元分汉工程职业技术学院武汉：３００２武汉理工大学材料学院武汉：３００１武４０８，．４０７）
摘要应用有限元分析软件ＡＳＳ热一流场耦舍板块ＦＯＲＮＣＤ模拟了武钢三炼钢板ＮＹＬＴＡＦ，坯结晶器在相同浇铸温度下的流场分布情况。通过ＡＮＹ模拟结果，ＳＳ分析了不同拉坯速度、浸入式水口的插入深度和水口出口张角对结晶器中钢液流场分布状况的影响，从而为提高钢液的清洁
ｋ００（＋ｔ＋ “ ）＝．４ “ ｌ
）＋一差］户Ｇ￡（２）ｔ一水口出口Ｘ方向的速度；“ 口出口一水￡程Ｉ）［＋Ｙ方向的速度｝断面面积；～水口出口截面面方：Ｄ蠡（＝Ｓ一结晶器一拉坯速度；＝＝Ｓ尝麦］Ｇｆ）十＿２（积；一水口张角３ｎ）Ｇ罄（罄）（３结晶器内钢液流场的数值模拟一十４）
度和优化连铸工艺参数提供了依据。关键词板坯连铸结晶器流场有限元中图分类号：２文献标识码：Ｇ７０Ａ文章编号：６１３２（０６０—０００１７—５４２０）４０１—４

板坯结晶器内流场作用下钢液传热凝固的数值模拟

２ＡｎｉｇＩｏｎｔｅＣｔｌｒｎａｄＳｅｌｏＬｄ，ＡｎａｇＧｒｕｎｇｎｏｐ，Ｃａｙｎ２００）ｈｏａｇ１２０ＡｂｔａｔＷｊ１３５ｌｌｂｃｓｅｔｔｅｍａｉｇｗｒｓａｎｏｊｃｏｔｄ．ｔｅｅｆｃｆｃｓｐｅｓｒｃｆ２０ｍｍｘ２１０ｍＨｓａａｔｒａｅｌｋｎｏｋｓａｂｅｔｆｓｕｙｈｆｅｔｏａｔｅｄＪａｓｓ
ＮｕｅｉａｉｕａｉｎｏａａｓｌｎｏｉｉｃｔｏｆｍｒｃｌＳｍｌｔｆＨｅｔＴｒｎｆｒａｄＳｌｆａｉｎｏ０ｅｄｉＬｉｕｄａｔｎ０ｏＦｅｄｉｏｄｆｒＳａｑｉｔＡｃｉｆＦｌｗｉｌｎＭｌｏｌｂｏ
ｉｅｉｍａｌｒｃｏｓｓｃｉｎ．１ｒｅａｔｇｓｅｄａｄｓｌｒｉｌｒｉｎｄｐｈｏｕｍｅｇｄｎｚｌ，ｔｅｏｅｈａｘｅｔ．．ｗｔｓｌｅｒｓｅｔｈｏａｇｒｃｓｎｐｅｎｍａｌｎｍｅｓｏｅｔｆｓｂｒｅｏｚｅｈｖｒｅｔｅｔｎｉｅｏｉｕｄｏｕｆｃｆｂｔｓｌｒｅ．ｍａｉｍａｕｓｕｏ６．Ｋ．ｆｌｑｉｎｓｒａｅｏａｈｉａｇｒｘｍｕｖｌｅｉｐｔ２
ｍｍｎ、口浸入深度（０２０Ｉｔ）铸坯宽度（０／ｉ）水１０～０ｏ、ｎ１１０～２１０ｎｍ）结晶器内流场作用下的钢液传热、固特５］对凝

板坯连铸结晶器伸入式水口数理模拟研究及应用

５Ｖａ围内，面速度在０１０３ｎｓ围时，１ｌＩ．ｌ范表．～．ｌ范／板坯表面缺陷（其是表面纵向裂纹）尤出现最少；一弯月面过于平静，造成中心下移，必然使得凝固紊流加强，晶器上部区域循环不好，结引起液面；壳，＿不利于保护渣功能的发挥，Ｌ从而影响扳坯表质的提高和浇洼工艺的顺行。困此，量一衡～水：是否台理，了满足使用寿命要求外，１除重要的是考虑是否建立起了台理的结晶器流场，保证
中进行验汪
蒜
胍系凡：光华，文教搔．Ｊ：Ｊ４￣４｝旗学材｝科学］学院直）ｉ（Ｆ４，ｌ４
文光华唐萍何俊范
（庆大学）重
何宇明朱斌张佩
（重庆钢铁公司）
摘要针对重钢板坯连铸生产状况，采用物理模拟和数值模拟的研究方法，对结晶器内钢ｊ嘘流动
行为进行了研究。优选出适合重钢板坯连铸工艺的伸几式水口结构尺寸及相关参数．在生产中得到井
ＷｅｕｎｈａＴｇＰｎＨｅＪｎａｎｇａｇｕｍｌｉｇｕｆｎ
（ｈｎｑｉｒｉ）ＣｏｇｍｇＵｎｖｓｔｅｙ
ＨｅＹｎｎＺｕＢｎＺａｇＰｉｍｉｇｈｉｈｎｅ
（ｈｎｑｎｒｎ＆ＳｅｌｏａｙＣｏｇｉｇＩｏｔｅＣｍｐｎ）
验证及应用
关键词
板坯连铸
结晶器
伸人式水口
ＮｕｒｃｌａｈｙｉａｉｌｔｎａｄＡｐｌｔｆＳｂｒｅｍｅｉａｎｄＰｓｃｌＳｍｕａｉｏｎｐｉｉａｎｃｏｏｕｍｅｇｄＥｎｒｚｌｓｉｄｌｂＣｏｔｎｓＣｓｅｔｙＮｏｚｅＭｎＳａｎｉｏａｔｒｎ

不同宽度板坯结晶器内流场的水模型和数值模拟研究

ＡｂｔａｔＴｅｆｗｆｌｎ１０Ｈｍ１５０～１０ｍｍｉｅｓａａｔｇｍｏｄｈｓｂｅｔｄｅｙｕｉｇａｓａｅｓｒｃｈｏｉｄｉ９ｉｘ（０ｌｅ０）９ｗｄｌｂｃｓｎｌａｅｎｓｕｉｄｂｓｃｌｉｎ
流股涡心高度降低，晶器表面流速、结液面波动、流股对结晶器窄面的壁面剪切力均减小，卷渣和液面裸露几率逐渐降低。在钢水流量不变的情况下，随着结晶器断面宽度的增加，若采用同一水Ｆ，１可以适当减小水Ｖ插入深度。１
关键词
板坯连铸结晶器
水模型
数值模拟
结晶器内钢水的流动状况包括液面的波
动、注流对窄面的冲击、层覆盖状况、面流渣表速＿等，大地影响着铸坯质量和浇铸安全进行。３极
优化浸入式水口结构参数和结晶器操作工艺参数是
ＺａｇＤｊｎ，ｈｎＤｎｆ，ｎｕｎ，ｉＸｎｎｉＸｎｈｎａａｇＣｅｅｇＷａｇＣｉＪｉｇａｄＸｅｉｉｕａｎ
（ｏｌｅｏＭａｒｌＳｉｃｎｎｉｅｒｇＣｏｇｉｇＵｉｒｔ，ｈｎｑｎ００４ＣｌｇｆｔｉｓｃｅｅａｄＥｇｅｎ，ｈｎｑｎｎｖｓｙＣｏｇｉｇ０４）ｅｅａｎｎｉｅｉ４
・
１・２１４００年２月
第３卷第１期１
特殊钢
ＳＰＥＣＩＡＬＴＥＥＬＳ
Ｖｏｌ３１Ｎｏ．＿．１Ｆｂｕｒ２１ｅｒａｙ００

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面的回流和喷嘴附近的涡流等不稳定流场引起
的¨ 。其中，ｊ钢水的注入速度、面的波动和熔渣性表
质等均是重要的影响因素。为防止水口堵塞和二次氧化，要往钢水中注入氩气，气又严重影响到需掺流场特征，成钢水注入速度的脉动和涡动加剧。造同时，也使流场解析更为复杂。
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第２期
马震岳．：铸结晶器内部流场及熔渣卷入的数值模拟等连
４５
１（＋志，０，。）＝（。＋Ｏｋ＂１（＋０，。，）＝（
，，
）＋一｝，，
是和扩散系数￡以偏量形式表示为：，
本文以一硅油／模型为分析原形，替熔渣／水代
来稿日期：０００．４修回日期：０１．０２０ —９１２０一１叭
第一作者简介：震岳，，９２年生，连理工大学教授，导；究方向：轮机振动及流场分析、筑结构分析马男１６大博研水建
式表达为：
２控制方程和边界条件
ｌ（００
＋“ ・ｕｖ）＝一Ｐ＋ｐｆ＋ｏ
“
（）１
式中，。流体密度，设为不可压缩流体，。为常ｌ为０假ｌ０
入现象。由于钢水和熔渣的物理特性差别很大，再加上气体掺人，使得铸模内部流场成为多相流问题。更为复杂的是，渣表面为自由表面，水一渣间熔钢熔
方法是适用的。
关键词：连铸；值模拟；数熔渣；卷入；填法；充湍流
中图分类号：Ｇ４Ｔ２９文献标识码：Ａ钢液体系，用有限单元法建立数值分析模型。计利算以传统的ｋ一￡双方程湍流模型为基础，以充填法为特殊的解析工具模拟熔渣的运动和卷入。为充分
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第ｌ９卷第２期
２００２年６
Ｖｏ．９Ｎｏ．Ｉ１２
ＣＨＩＳＯＵＮＥＥＪＲＮＡＬＰＬＩＯＦＡＰＥＤＥＣＨＡＮＩＭＣＳ
Ｊｎ．０２ｕ２０
文章编号：００４３（０２０ —０４０１０ —９９２０）２０４ —４
连铸结晶器内部流场及熔渣卷人的数值模拟
马震岳陈婧汪哲向井楠宏西道弘
（连理工大学大大连１６２）（州工业大学Ｅ本・九州市）１０４九ｌ北
１
／ＥＡｊｔ
，
）＋，，
２
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一ｏ专Ｐ２ｃ
Ｊ
（）３
式中，＝（＋．）。准ｋ—ｅ模型的常系 “ “ 标
摘要：对连铸结晶器内部流场及熔渣卷入过程，出了两方程是一￡湍流模型和充填法数值计算针提模型，采用硅，／并４水模拟体系代替熔渣／液体系，行了模拟试验和数值计算。对充气造成的浸钢进入式水口水流脉动的影响进行分析。计算结果与试验结果符合良好，明本文所采用的数值模拟表
为两种液体的结合面，随着钢水注入和气体掺和，界面发生波动，渣有被卷入钢水的趋势。界面的大熔幅度变化使常规的数值分析方法不再适用，计算网格不断需要修改，析过程极其复杂。解
数；Ｕ为速度矢量；为压力；Ｐ，为体积力。里流体这作为等温场处理。
为湍流流体的总体粘性系数，一般可分解为：
＝０＋
。
（）２
为层流粘性系数，为湍流粘性系数。目前
最常用的为是一￡双方程湍流模型，以求解湍流动能
由于模型试验的局限性，学模型成为钢水流数动特征模拟和充气过程分析的重要工具。但熔渣卷入现象数值分析成果很少，限的文献也仅为二有维模型Ｌ或钢水单一模型Ｌ，以准确模拟熔渣卷５６难，描述流体运动的Ｎａｉ —ｔｋｓ方程，矢量形ｖａｓｅｒｏ用
引言
熔渣卷入所造成的缺陷是连续铸造过程的主要问题之一。超低碳钢表层缺陷６％以上是由卷入０
的熔渣造成的。熔渣卷入一般是由于钢水在铸模壁
反映实际铸钢过程，充气所造成的水口出口流态对
变化加以考虑。作为第一阶段的研究，先不考虑首充气后的气液两相流问题。最后对数值计算与试验结果进行比较分析，图建立较为准确可行的连铸试过程数学分析模型。