CSP结晶器内钢液流动及凝固的数值模拟

中图分类号 ： ＴＦ ７ ７ ７ ． ７ 文献 标 志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ４ — ３ ６ ４ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ — ０ ４ ０１ － ０ ５
薄板坯 连铸 技 术 是 实 现 高 效 连铸 、 节 约 能源
和实 现近终 形 连铸 的有效 手段 。针 对薄 板坯 结 晶 器 连铸 特点 ， 国 内外 学 者通 过 水 力 学 模 型 和数 值
摘要 ： 应 用数 值 模 拟 方 法 ， 建立 Ｃ Ｓ Ｐ 漏 斗 型 结 晶 器 内钢 液 流 动 及 凝 固传 热 耦 合 模 型 。针 对 结 晶 器 内铸 坯 角 部
受到强冷的特点 ， 对 结 晶 器 内热 流 密 度 采 用修 正 方 程 进 行 计 算 ， 分 析 热 流 密度 修 正 系数 对 铸 坯 凝 固坯 壳表 面 温度 计 算 精 度 的 影 响 。通 过 比较 不 同拉 坯 速 率 下 结 晶 器 内钢 液凝 固的 特 点 ， 研 究 凝 固坯 壳对 结 晶器 内钢 液 流 动行 为 的 影 响 。结 果 表 明 ， 采 用 热 流 密度 修 正 系数 后 ， 铸 坯 凝 固坯 壳 角部 温度 的计 算值 与 实 际 情 况 更相 符 ； 提
（ ３ ） 忽略 结 晶器 振 动对钢 液流 动 的影 响 。 （ ４ ） 凝 固坯壳 向下 移 动 速率 与 连 铸 拉坯 速 率 （ 以下简 称拉 速） 相同。 １ ． ２ 钢 液流 动及 凝 固传 热微 分 方程 通过 连续 性方 程 、 动 量方 程 、 ｅ方 程 来 描 述 钢液 的流动 行 为 ， 采 用热 焓一 多孔 介质 模 型计算 钢
式（ ９ ） 所示 ： 连 续 性 方 程
一０
ｄＸ ｉ
究， 通 过 引入热 流密 度修 正 系数 ， 提高铸 坯凝 固过
程 角 部温度 计 算 的 准确 性 ； 研 究 不 同拉 坯 速 率下 Ｃ Ｓ Ｐ结 晶器 内钢 液 的凝 固特 性 ， 并 讨 论 了铸 坯凝 固对 钢液 流动 的影 响 。
模 拟方 法 开展 了大 量 研 究 ］ ， 涉 及 到钢 水 流 动 、 熔 池 液面 波动 以及传 热 和凝 固等 现象 。 由于结 晶 器 内冷却强 度 大 、 凝 固坯 壳收 缩等 原 因 ， 结 晶器 内 将 不 可避免 出现气 隙 ， 影 响结 晶器 内钢 水凝 固传 热 过 程 。通 过对 结 晶器铜 板测 温反 算 出结 晶器 内
Ｄｅ ｃ ．２ ０１ ３
Ｃ Ｓ Ｐ结 晶器 内钢 液 流 动 及 凝 固的数 值模 拟
张晓峰 ， 窦 坤 ， 王亚涛 ， 聂嫦平 ， 刘 青
（ １ ． 北 京 科 技 大 学 钢 铁 冶 金 新 技 术 国家 重 点 实 验 室 ， 北京 ， １ ０ ０ ０ ８ ３ ；
２ ． 北京科技大学冶金与生态工程学 院 ， 北京 ， １ ０ ０ ０ ８ ３ ）
第３ ６卷 第 ６期
２ ０ １ ３年 １ ２月
武
汉
科
技
大
学
学
报
Ｖｏ １ ． ３ ６． Ｎｏ． ６
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
过 低 。另外 ， 在 薄板 坯连 铸过 程 中 ， 结 晶器 出 口凝 固坯 壳厚度 达 到 １ ０ ｍｍ 以上 ， 对 薄板坯 结 晶器 内 钢 液 流动产 生 较大 的影 响＿ ｇ 。 ， 因此 ， 针对 Ｃ Ｓ Ｐ薄 板 坯结 晶器 内钢 液 流动 特 性 的研 究 中 ， 应 充 分考 虑到凝 固坯 壳 对 钢 液 流 动 的影 响 。本 文 建 立 了
液温 度场 。
描述 Ｃ Ｓ Ｐ结 晶器 内钢 液 流 动 及 凝 固传 热 特
点三 维稳 态不 可压 缩 问 题 的数 学 表 达 式 如式 （ １ ）
～
Ｃ Ｓ Ｐ连 铸结 晶 器 内钢 液 流 动 及 凝 固传 热 的数 学
模型 ， 针对 薄板 坯 结 晶 器 内铸 坯 角 部 过 冷 进行 研
高拉 坯 速 率 可 使 铸 坯 凝 固坯 壳厚 度 减 小 ； 拉 坯 速 率较 大 时 凝 固坯 壳 厚 度 随 铸 坯 距 弯 月 面距 离 的 增 大 基 本 呈
线性 增 长 ， 拉坯速 率为 ３ ｍ／ ｍｉ ｎ时 ， 凝 固坯 壳在 生 长过 程 中 厚 度 的 增 长 有 短 暂 的 停 滞 现 象 ； 凝 固坯 壳 对 钢 液 流动的影响较大 ， 主要 是 由钢 液 有 效 流 动 区 域 减 少及 两 相 区额 外 动 量 阻损 造 成 的 。 关键 词 ： 连铸 ； 薄板坯 ； Ｃ Ｓ Ｐ结 晶 器 ； 钢液流动 ； 钢液凝 固
１ 数 学 模 型
１ ． １ 基 本 假 设
结合 结 晶器 内钢 液 流 动 及传 热 特 点 ， 对 模 型
作 以下假 设 ： （ １ ） 结 晶器 内钢 液 为黏性 不可 压缩流 体 。 （ ２ ） 结 晶器 内各 相 为均相 介质 ， 物性 参数 为常
数。
钢 液传 热热 流 密度 ］ ， 能够 较 准确地 计算 出结 晶 器 内钢液 凝 固过 程 。但 目前 大 多 数 对 Ｃ Ｓ Ｐ结 晶 器 内钢 液 流动及 传热 耦合 研究 中 ］ ， 忽 略 了结 晶 器 内气 隙作 用 ， 这 将 导 致计 算 出 的铸 坯 角 部 温度
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ７ — ０ ３
（ １ ）
式中： ｐ为钢 液密 度 ， ｋ ｇ ／ ｍ。 ； 为钢 液流速 ， ｍ／ ｓ ； ｚ 为ｉ 方 向的坐标 。
基金 项 目： ０ ２ ３ ） ．
作者 简 介 ： 张 晓峰 （ １ ９ ８ ５ 一 ） ， 男， 北 京 科 技 大 学 博 士生 ． Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ： ｘ ｉ ａ ｏ ｖ ｓ ｆ ｅ ｇ ＠１ ６ ３ ． ｔ ｏ ｍ 通讯作者 ： 刘 青（ １ ９ ６ ７ 一 ） ， 男， 北 京 科 技 大 学 教授 ， 博 士生 导 师 ． Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ： ｑ ｌ ｉ ｕ ＠ｕ ｓ ｔ ｂ ． ｅ ｄ ｕ ． Ｃ Ｄ ．