连铸结晶器内钢液流场的水模型研究

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连铸结晶器钢水流动控制技术范本

连铸结晶器钢水流动控制技术范本摘要连铸结晶器是在连铸过程中发挥至关重要作用的设备之一，其钢水流动控制技术对于连铸产品质量的稳定和连铸效率的提高至关重要。

本文通过文献综述和实践案例分析，总结了连铸结晶器钢水流动控制的常见技术，并提出了一种技术范本。

该技术范本包括四个方面的内容：温度控制、流速控制、流向控制和液相级控制。

希望通过本文的介绍，能够为连铸结晶器钢水流动控制技术的研究和应用提供参考。

关键词：连铸结晶器；钢水流动控制；温度；流速；流向；液相级一、引言连铸是一种将熔化状态的金属直接铸造成所需形状的方法，可以生产出各类铸坯、薄板、线材等产品。

在连铸过程中，结晶器作为关键设备，直接影响着产品的质量和生产效率。

结晶器内钢水的流动控制技术，是提高连铸产品质量和生产效率的关键。

二、连铸结晶器钢水流动控制技术2.1 温度控制钢水的温度对于连铸产品的质量具有重要影响。

在结晶器中，钢水的温度应在一定的范围内保持稳定，并能满足产品的铸造要求。

温度控制主要包括两个方面的内容：钢水的初始温度控制和在线温度控制。

2.1.1 初始温度控制初始温度是指连铸开始之前的钢水温度，其直接影响着结晶器中钢水的凝固过程。

初始温度过高会导致结晶器中的渣浮，影响钢水流动和连铸产品质量；初始温度过低会导致结晶器中的孔隙和偏析，同样会影响产品质量。

因此，正确控制初始温度非常重要。

2.1.2 在线温度控制在线温度控制是指在连铸过程中对钢水温度进行实时监测和调整。

通过对结晶器中的温度传感器数据进行采集，结合温度模型和算法，可以控制结晶器中的钢水温度在一定范围内波动，并根据需要进行调整。

在线温度控制可以提高连铸产品的凝固结构和力学性能。

2.2 流速控制钢水的流速是指在结晶器中钢水的流动速度。

流速的大小直接影响着结晶器中钢水的凝固过程和均匀度。

流速控制主要包括连铸速度和结晶器内壁的涂层。

2.2.1 连铸速度控制连铸速度是指金属连续凝固过程中的铸造速度。

板坯连铸结晶器内部流场的数值模拟

板坯连铸结晶器内部流场的数值模拟汤磊;张炯明;董其鹏;韩立磊【摘要】连铸结晶器作为控制钢水清洁度的最后环节,结晶器液面波动不仅影响连铸生产的稳定性,还会引起卷渣、拉漏、钢水裸露氧化等.本文采用数值模拟方法,利用Fluent软件的k-ε湍流模型对板坯结晶器内钢水流动状态和液面波动规律现象进行模拟研究,分析了拉速和吹氩量对结晶器内流场的影响.结果表明:随着拉速的不断提升,钢液对铸坯窄面冲击深度不断增大,结晶器内自由液面表面流速增加,液面波动加剧;氩气量增加,钢液对铸坯窄面的冲击位置上移,液面波动剧烈程度增加,容易导致结晶器卷渣和钢水裸露氧化.【期刊名称】《工业加热》【年(卷),期】2018(047)004【总页数】6页(P46-50,55)【关键词】结晶器;液面波动;拉速;吹氩量【作者】汤磊;张炯明;董其鹏;韩立磊【作者单位】北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室,北京 100083;北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室,北京 100083;北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室,北京 100083;北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室,北京 100083【正文语种】中文【中图分类】TF777.1连铸结晶器作为控制钢水清洁度的最后环节，其内部钢液流动情况对铸坯洁净度有较大影响。

结晶器液波动不仅影响连铸生产的稳定，还会对铸坯质量产生影响[1]。

合理的结晶器流场可以使钢液中夹杂物和气泡上浮，防止卷渣，促使保护渣熔化良好，在坯壳与结晶器之间形成均匀的渣膜，保证连铸润滑和结晶器传热，减少钢液流束对连铸坯初生凝固坯壳的冲刷、熔融，而不稳定、不对称、不均衡的流场将破坏结晶器前生产工序的成果，导致卷渣、裂纹、拉漏等质量和生产事故[2]。

所以，对结晶器流场和液面波动进行研究，对于获得良好的铸坯质量，提高连铸生产效率以及生产洁净钢均具有重要的意义[3]。

多年来，中外冶金学者对结晶器液面波动行为进行了大量数值模拟和现场实验研究[4-11]，研究发现拉坯速度和水口吹氩量对结晶器内流场的影响较为明显，前人的研究大多都是从单个工艺参数进行研究，很少综合这两个因素来分析。

立式板坯连铸机结晶器内流场的数值物理模拟

ＮｕｅｉａｎｙｉａｉｕａｉｎｏｌｄＦｌｗｅｄｉｏｄｏｍｒｃｌａｄＰｈｓｃｌＳｍｌｔｏｎＦｕｉｏＦｉｌｎＭｌｆＶｅｔｃｌＳａｓｅｒｉａｌｂＣａｔｒ
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宽规格板坯连铸结晶器浸入式水口的数值模拟

ｄｅｐｔｈｏｆｎｏｚｚｌｅ（１５０—１９０ｍｍ）．ａｎｇｌｅｏｆｓｉｄｅｈｏｌｅｏｆｎｏｚｚｌｅ（一１０。一一１６。），ｒａｔｉｏｏｆｃｒｏｓｓ．ｓｅｃｔｉｏｎａｒｅａｏｆｓｉｄｅ — ｈｏｌｅｔｏ
２ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｒｅ．Ｍａ ’ ａｎｓｈａｎＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＣｏＬｔｄ．Ｍａ ’ ａｎｓｈａｎ２４３０００）
ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｎｕｍｅ￣ｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｌｆｏｗｉｆｅｌｄａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｅｆｌｄｉｎｃａｓｉｔｎｇｍｏｌｄｆｏｒｗｉｄｅｓｌａｂａｔＭａ’ ａｎｓｈａｎＳｔｅｅｌｈａｓｂｅｅｎｃａ￣ｉｅｄｏｕｔｂｙｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｔｈｒｅｅ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｕｓｉｎｇＦｌｕｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅ．ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｉｍｍｅｒｓｉｏｎ
ＳｈｕＨｏｎｇｆｕ一．ＬｉｕＬｉｕａｎｄＬｉｕＸｕｅｈｕａ（１ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｅｎｔｒａｌＩｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ。Ｂｅ￣ｊｉｎｇ１０００８１：

连铸机结晶器液位控制系统数学模型及其仿真

连铸机结晶器液位控制系统数学模型及其仿真摘要：连铸机结晶器是铸造过程中的关键部件，其液位控制系统的稳定性直接影响到铸坯的质量。

本文基于连铸机结晶器液位控制系统，建立了数学模型，并利用Simulink软件进行了仿真分析。

结果表明，所建立的数学模型能够准确反映结晶器液位变化的规律，仿真结果表明该液位控制系统具有较好的稳定性和控制精度。

关键词：连铸机；结晶器；液位控制系统；数学模型；仿真一、引言连铸机是现代钢铁工业中非常重要的设备之一，其主要功能是将熔化的钢水连续地注入结晶器中，使其逐渐凝固成为长条形的铸坯。

而结晶器是连铸机的核心部件，其液位控制系统的稳定性直接影响到铸坯的质量。

因此，研究连铸机结晶器液位控制系统的数学模型及其仿真分析具有重要的理论和实际意义。

二、液位控制系统的工作原理结晶器液位控制系统的主要工作原理如下：在结晶器中注入钢水后，钢水逐渐凝固形成铸坯，结晶器内的液位会随之下降。

当液位下降到一定程度时，液位传感器会将信号传输给控制器，控制器通过调节结晶器出钢口的流量，使钢水的注入速度与结晶器内的凝固速度相匹配，从而保持结晶器内的液位稳定。

三、数学模型的建立连铸机结晶器液位控制系统的数学模型建立涉及到多个物理参数，如结晶器内的液位、钢水的注入速度、结晶器内的凝固速度等。

为了简化模型的复杂度，我们可以将结晶器看作一个封闭的容器，并假设钢水的注入速度为恒定值，结晶器内的凝固速度与结晶器内的液位成正比。

因此，结晶器的液位变化可以用以下微分方程来描述：dH/dt = -q/A其中，H为结晶器的液位，q为钢水的注入速度，A为结晶器的截面积。

为了对该微分方程进行数值求解，我们需要对其进行离散化处理。

假设时间间隔为Δt，结晶器的液位在t时刻的值为H(t)，则在t+Δt时刻的液位可以用以下公式来计算：H(t+Δt) = H(t) - qΔt/A四、仿真分析为了验证所建立的数学模型的准确性和可靠性，我们利用Simulink软件进行了仿真分析。

板坯连铸结晶器流场物理与数学模拟研究

板坯连铸结晶器流场物理与数学模拟研究
1 连铸结晶器流场物理模拟
连铸结晶器流场物理模拟是研究连铸坯料结晶过程的一种重要手段，是利用数值模拟的方法，来模拟连铸拉管内坯料的运动及结晶发展状态。

模型的实际内容主要包括连铸坯料的宏观流场状态以及坯料中结晶物的运动规律等行为。

通过模拟，可以更客观准确的描述连铸结晶器内坯料的物理行为，从而深入了解坯料在结晶器内的运动规律及行为，为分析和优化结晶器厂内运行状况提供更全面及客观的评价依据。

2 连铸结晶器流场数学模拟
连铸结晶器流场的数学模拟是指通过构建连铸拉管内的坯料流场数学模型，以及采用恰当的结晶行为模型，通过数值计算模拟分析出连铸坯料结晶过程的流场行为。

数学模拟可以非常客观准确的描述在连铸拉管内坯料结晶时存在的热平衡性、液态结晶性及流场的发展变化规律，而且还能考虑到基于个体的细致行为，如晶粒大小、组分等及结晶动力学过程。

数学模拟可以作为理解坯料的运动过程的重要工具，帮助研究人员更深入了解结晶器内坯料的流场状态，有助于研究连铸结晶器内坯料的性能及实际运行情况。

3 结论
连铸结晶器流场物理模拟和数学模拟是目前研究连铸结晶器流场状态的有力手段，它们可以通过客观的数据和事实，来解释连铸坯料
的结晶过程及其运动规律，从而帮助研究人员更深入地探索问题本质及潜在机理，以此寻求更好的解决方案。

目前，已经有许多研究者采用这两种模拟方法，研究了连铸结晶器流场性质及变化规律，同时也得出了不少有益的结论与研究成果，但由于连铸结晶器流场特性复杂且简单模型化研究还存在不足，所以仍然需要持续深入探讨和研究才能进一步提高连铸结晶器的运行效率和能源使用效率。

连铸大包内钢液温度分布及分层现象的模拟

连铸大包内钢液温度分布及分层现象的模拟示例文章篇一：《连铸大包内钢液温度分布及分层现象的模拟》嗨，你知道连铸大包吗？那里面装着钢液呢，就像一个超级热的大容器装着神奇的液体。

我今天就想跟你唠唠这里面钢液的温度分布还有分层现象的模拟，可有趣啦。

我先来说说这个连铸大包吧。

它就像一个超级大的锅，只不过这个锅装的不是汤，而是钢液。

钢液可热啦，热得像太阳一样，红彤彤的。

我想象自己站在旁边，那热浪肯定能把我给掀翻。

在这个大包里啊，钢液的温度可不是到处都一样的。

你想啊，就像我们家里的热水壶，上面的水和下面的水温度有时候就有点差别。

连铸大包里的钢液也是这样。

有的地方热一点，有的地方稍微凉一点。

这是为啥呢？这就跟很多东西有关啦。

比如说，大包周围的环境会影响它。

就好像我们在冬天，靠着暖气的地方就暖和，离得远就冷一点。

大包壁就像那个暖气，会影响钢液的温度。

那这个温度分布到底是啥样的呢？这就得靠模拟啦。

模拟就像是一场魔法，能让我们看到眼睛看不到的东西。

科学家们用电脑来做这个模拟。

就像我们玩游戏一样，不过这个游戏是关于钢液的。

他们在电脑里建立一个大包的模型，就像搭积木一样，把大包的样子搭出来。

然后呢，把钢液的各种性质也放进去，比如说钢液有多热，它是怎么流动的。

我来给你讲讲我想象中的模拟过程吧。

我觉得那些科学家就像超级魔法师。

他们坐在电脑前，手指在键盘上噼里啪啦地敲着。

他们输入各种数字和指令，就像在念咒语一样。

然后呢，电脑屏幕上就出现了大包里钢液的样子。

我仿佛能看到那些红色的钢液在大包里流动着，有的地方热得发红光，有的地方稍微暗一点。

再来说说分层现象。

分层就像我们喝的果汁分层一样。

钢液也会分层哦。

上面的钢液和下面的钢液温度不一样，性质也有点差别。

这是怎么造成的呢？我觉得就像我们把油和水放在一起，油会浮在水上一样。

钢液里不同温度的部分也会像这样分开。

我问我的科学老师，老师说呀，这分层现象可复杂啦。

有好多因素在捣乱呢。

比如说钢液里的成分不一样，就像我们做蛋糕，放的材料不一样，蛋糕的样子和味道就不一样。

注流方式对大方坯连铸结晶器内钢水流动与温度状态影响_孙海波

第32卷第9期2010年9月北京科技大学学报Jou rnal of U niversity of Sc i ence and T echno l ogy B eijingV o.l 32No .9Sep .2010注流方式对大方坯连铸结晶器内钢水流动与温度状态影响孙海波韩占光钱宏智张家泉北京科技大学生态与循环冶金教育部重点实验室,北京100083摘要依据改变水口侧孔射流方向来控制结晶器内钢流流动状态的思想,设计了一种大方坯连铸结晶器新型四分切向水口.对不同类型水口(直通式、四分径向以及四分切向水口)浇注条件下大方坯连铸结晶器内钢水流动形态和温度分布状况进行了流体动力学比较研究.结果表明,新型四分切向水口不仅可以使结晶器内钢水形成上、下两个回流,并能够产生较强的水平旋流.该水平旋流能降低钢水的冲击深度,抑制钢液面波动,促进夹杂物上浮,还具有促进钢水过热耗散的效果.与四分径向水口相比,新型四分切向水口能减弱射流对初生坯壳的冲击,均匀横截面坯壳厚度.此外,该旋流状态使热中心上移,自由液面附近钢水的温度可提高2~6e ,改善化渣条件.关键词方坯;连铸;结晶器;水口;旋流分类号 T F 77712E ffects of i njecti on m odes on the flo w pattern and te mperature distri bution of molten steel i n a bl oo m casti ng moul dSU N H ai -bo ,H AN Zhan -guang,Q IAN H ong-zhi ,Z H AN G J i a -quanKey Laboratory of Ecol og i ca l and RecycleM et all urgyM i n i s try of Educati on ,Un i versit y of Science and Technology B eiji ng ,Beiji ng 100083,Ch inaAB STRACT Based on an i dea that t he flo w patte rn o f mo lten stee l in a m old can be con tro ll ed by chang i ng t he directi on o f j e t from the outl e ts o f a sub m e rged entry no zzle (SE N ),a new type o f quad -furca ted SEN w ith outlets i n tangential directi on w as desi gned f o r b l oom casti ng .T he fl ow pa tterns and te m pe rature d istri buti ons of mo lten stee l i n t he m o l d were co m puted by hydrodyna m i c models un -der the conditi ons o f si ng l e stra i ght SEN s ,quad -f urcated SEN s w ith outlets in radia l d i recti on ,and quad -f urcated SEN s w ith outlets in tangenti a l d irec tion .F or the latter ,a strong ho rizonta l s w i r ling flo w has been observed a l ong w i th the upper and lo w er back flo w s i n the m old .T he horizonta l s w irli ng flo w pattern i n the m old can no t on l y reduce t he i m p i nge m en t depth o f mo lten stee,l i nh i b it liqu i d l eve l fl uctua ti on and acce l e rate i nc l usi on fl oa tati on ,but a lso be bene fi c i a l to dissipa tion o f stee l supe rheat .Compared to quad -f u rcated SEN s w it h outl e ts i n radial d i recti on ,the jet i m pi nge m ent on the initial shell can be obv i ously reduced and the cross -section so li d ifi ed shell d i str i bu tes un ifor m l y i n t he mo ld .Additiona lly ,t he hor izontal s w ir li ng fl ow pattern m oves t he hot spot upwa rd in t he m o l d and leads to a 2to 6ete m pe rature r i se o f mo lten stee l around the free surface ,wh ich i s benefi c ial t o quick m elti ng o fm oul d pow der .K EY W ORDS bloo m s ;con ti nuous casti ng ;m o l ds ;nozzles ;s w i r ling fl ow收稿日期:2009--12--17作者简介:孙海波(1986)),男,硕士研究生;张家泉(1963)),男,教授,博士生导师,E-m a i :l j qz h ang @m etal .l us t b 结晶器内钢水的流动行为与铸坯坯壳的生长以及最终产品的质量密切相关[1],而结晶器内钢水的流场以及温度场很大程度上取决于浸入式水口的结构、工艺参数与使用技术[2--5].由于断面小、拉速快,且为了避免对结晶器内初凝坯壳的冲刷,直通式水口是目前钢铁企业浇铸方坯的首选.对于拉速相对较低、断面尺寸较大的特殊钢大方坯或矩形坯,为了提高铸坯的洁净度,保证弯月面的化渣效果,理论上宜采用多分式水口,以降低注流钢水的冲击深度.Frauenhuber [6]研究表明,大方坯采用四分式水口浇铸时,所形成的涡流还有利于钢水过热度耗散,提高铸坯等轴晶比,进而改善铸坯的中心偏析以及表面质量.普通的四分式水口虽然能够改善结晶器内钢水的流北京科技大学学报第32卷场,却难以在结晶器内形成有效的水平旋流,且还有可能造成钢水液面不稳定的不良效果.为此,大方坯连铸至今多还沿用普通的直通式水口,通过外加结晶器电磁搅拌(M --EM S )来控制钢水的合理流动[7].鉴于M --E M S 价格昂贵且安装维护成本较高,基于新型的水口结构设计使钢水在结晶器内形成旋流已成为提高铸坯内部质量研究的又一重要方向[8--10];但至今为止,对于这种旋流水口设计还缺乏充分的理论指导.为了深入认识水口结构对结晶器内钢水流动状态的影响,本研究设计了一种新型四分切向水口,并考虑实际自由液面特点,利用VOF 多相流模型,对水口结构与钢水流动状态的相关性进行了数值模拟研究.1 结晶器水口物理模型为了对比分析不同浸入式水口(SEN)类型浇铸时结晶器内钢水的流动状态和温度分布状况,本研究分别设计了直通式、四分径向式以及新型四分切向水口式三种水口结构,如图1所示.表1给出了三种水口的结构参数,其中定义水口侧孔向下时倾角为正.图1 水口结构示意图.(a)直通式;(b)四分径向式及其水口截面图;(c)四分切向水口及其水口截面图F i g.1 S tructural sche m atic of SENs :(a)si ng l e strai gh t SEN;(b)quad-f urcated SEN w it h ou tlets i n rad ial d i rection and its cross -secti on v i e w at outl ets ;(c)quad -furcat ed SEN w i th outl ets i n tangen tial d i rection and i ts cross -section vi ew at outl ets表1 不同水口结构参数Table 1 G eo m etri c para m eters of vari ou s SENs 水口类型水口内径/mm 水口外径/mm 侧孔倾角/(b )侧孔高度/mm 侧孔宽度/mm 直通式4590)))四分径向水口4590154020四分切向水口45901540202 数学模型的建立211 模型基本假设分析正常稳态浇铸过程的钢水流体动力学特征,可以采用如下假设:(1)钢水为不可压缩的黏性流体,按均相介质处理,采用低雷诺数J--E 模型模拟;(2)忽略结晶器内钢水上方保护渣,只考虑钢水与空气两相流的自由液面;(3)忽略钢水凝固对结晶器内流动的影响;(4)忽略结晶器弧度与振动对计算的影响;为了更好地考察不同水口结构对结晶器内钢水流动状态的综合影响,以下将按照与实际物理过程更加相近的自由液面条件,采用多相流控制模型进行流体动力学模拟.212 数学模型由于结晶器内钢水流动为湍流流动,根据以上假设可以利用不可压缩黏性流体力学中的连续性方程(1)、N --S 方程(2)、能量方程(3)及标准J--E 双方程来描述方坯连铸结晶器内钢水流动和温度场.其中,标准J--E 双方程模型由湍流动能J 方程(4)及其耗散率E 方程(5)组成.此外,利用VOF 多相流模型来模拟自由液面处钢水与空气的两相流流动,该模型中每个组分共用一套动量方程,通过追踪每个计算单元的体积分数来确定界面形状.关于该方法的详细叙述可参见文献[11].5Q 5t +5(Q u i )5x i=0(1)5(Q u i )5t +Q 5u i u j 5x j =L eff 52u i 5x 2j-5P 5x i +Q g i (2)Q5T 5t +c p u i 5T5x i=55x i k eff5T5x i(3)Q5J 5t +u i 5J 5x i=55x i L eff R J 5J5x i +L t5u i 5x j 5u i 5x j +5u j 5x i-Q E (4)=#1132#第9期孙海波等:注流方式对大方坯连铸结晶器内钢水流动与温度状态影响55x jL eff R E 5E 5x j +C 1L t E J 5u j 5x i 5u i 5x j +5u j5x i-C 2EJ Q E (5)式中,Q 为流体密度,kg #m -3;t 为时间,s ;u i 为速度分量,m #s -1;x i 为方向分量;P 为压力,Pa ;g i 为重力加速度,m #s -2;T 为温度,K ;c p 为比热容,J #kg -1#K -1;k eff 为有效导热系数,W #m -1#K -1,且k eff =L 0P r+L t P r t;J 为湍流动能,m 2#s -2;L eff 、L 0和L t 分别为有效黏度系数、层流黏度系数和湍流黏度系数,Pa #s ;E 为湍流动能耗散率,m 2#s -3;L eff =L 0+L t ,且L 0=13Q Lv,L t =Q C L k 2E ;R J 、R E 、C 1、C 2、C L 和Pr t 都为常数,其值分别取110、113、1144、1192、0109和019;L 为分子运动的平均自由程.213 结晶器计算域网格划分及边界条件本文以浇铸断面尺寸为260mm @300mm 的大方坯连铸结晶器为研究对象和建模依据.图2以采用四分径向式水口浇铸为例,并根据对称性给出了1/4模型的网格划分情况及其物理模型边界条件,其中坐标系Z 向为拉坯方向.将计算区域都进行六面体网格划分,并在自由液面处(在自由液面初始位置的上下10mm 的范围内)加密网格,以提高计算精度.图2 大方坯结晶器计算域模型网格划分及其边界条件.(a)计算模型网格;(b )物理模型边界条件F i g.2 M es h and boundary cond i ti on s of the calcu l ation do m ai n of a b l oo m m old :(a)co m pu tati on al grids ;(b )boundary cond iti ons of t h e phys i calm od el21311 水口入口入口物质为钢水,温度设为1530e ,给定入口速度,其速度可由拉坯速度根据流量平衡原理计算,入口湍动能和耗散能根据下面半经验公式计算得出,其中D 为水口内径,mm .J in =0101M 2in ,E in =2J 3/2in /D (6)21312 自由液面由于不考虑保护渣的存在,钢水上方为空气,空气出入口处给定压力出口边界条件,压力P =100kPa ,温度为30e .考虑保护渣的保温效果,采用绝热边界条件.21313 模型出口出口物质为钢水.给定出口速度,其速度大小为拉速,方向为拉坯方向.21314 对称面对称面的法向速度分量为零,其余变量沿对称面的法向方向梯度也为零.21315 壁面采用无滑移壁面,壁面附近流场采用标准壁面函数计算.由于不考虑凝固对钢水流动的影响,结晶器壁面温度设定为钢种的液相线温度.其他壁面均采用绝热边界条件.214 模拟计算工况及条件为保证计算域内钢水流动的充分发展以利于计算收敛,将结晶器模型的计算域延长为实际结晶器长度的2倍,其工艺和热物性参数分别列于表2和表3.其中,定义水口浸入深度为水口侧孔上端面到钢液面的距离.表2 结晶器使用的工艺参数Table 2 Para m eters for the mould结晶器断面尺寸/mm 结晶器长度/mm 水口浸入深度/mm 拉速/(m #m i n -1)浇铸温度/e 计算域度/mm 260@30085010001815301700表3 钢水与空气的热物性参数Table 3 Th er m ophysical p roperti es ofm olten steel and air 物质密度/(kg #m -3)黏度/(kg #m -1#s -1)导热系数/(W #m -1#K -1)比热容/(J #kg -1#K -1)钢水702001005534680空气1122511789@10-50124210063 计算结果与讨论311 结晶器内钢水流动状态比较图3为采用三种不同水口时Y OZ 对称面(拉坯方向纵截面)上的速度云图及其局部放大的速度矢量图.其中云图表示流动强弱,矢量图只表示方向而不表示大小,并用流股冲击区域内钢水平均速度大小来表征钢水对宽、窄面坯壳的冲击强度.由图可知,当使用直通式水口时,钢水从水口流出后迅速#1133#北京科技大学学报第32卷向下,且流股逐渐扩散,当中心流股达到一定深度后,形成一股向上回旋的流股并能到达自由液面,但在自由液面处的流速很小,约为01012m #s -1.如图4所示,当钢水到达结晶器出口处时,速度为01223m #s -1,远大于拉速010133m #s -1(018m #m in-1),即冲击深度深,这将不利于夹杂物与气泡上浮和去除.当采用四分径向水口时,钢水从侧孔流出形成射流直接冲向宽、窄面,其冲击速度逐渐减小,到达坯壳附近时,钢水平均速度为01162m #s -1,图3 三种不同水口条件下结晶器内钢水流场.(a)直通式;(b)四分径向式;(c)四分切向水口F i g.3 F l o w fi elds ofm olten steel i n the bloo m m old w it h d ifferen tSEN s :(a)strai ght si ngle SEN;(b)quad -furcat ed SEN w it h ou tlets i n rad i al d-i recti on;(c)qu ad -furcated SEN w ith outl ets i n t angen tial d i recti on并形成向上和向下的两个回流.与直通式水口相比,下部回流中心的位置有显著提升,这将有利提高上部钢水温度,促进保护渣的熔化,并有利于夹杂物与气泡的上浮和吸收.当采用四分切向水口时,钢水从侧孔流出后也形成了向上和向下的两个回流,但与四分径向水口相比,其回流中心的位置进一步提升,且钢水到达坯壳附近时的平均速度为010836m #s -1,对当地坯壳的冲击强度明显的降低,这将有利于坯壳均匀生长.图3(c )所示为截取的结晶器弯月面处和水口出口处以及弯月面下300、500和700mm 处的横截面速度矢量图.可以看出,使用该水口浇铸时,钢水可以在结晶器中形成水平旋流.该水平旋流有利于结晶器横截面周向上的坯壳厚度均匀分布,这将降低铸坯表面缺陷的发生率.且弯月面处的水平旋流能稳定弯月面的波动,减少卷渣的几率,并能为弯月面处提供热源,改善熔渣.这种水平旋流削弱了钢水在Z 向上的速度,降低了冲击深度,从而有利于均匀钢水成分与温度.水平旋流也将有利于抑制柱状晶生长,提高等轴晶率,达到类似M --E M S 的冶金效果.#1134#第9期孙海波等:注流方式对大方坯连铸结晶器内钢水流动与温度状态影响图4 直通式水口结晶器中心轴方向上的钢水速度F i g.4 V el ocit y of m olten steel a l ong t he m ou l d cen tral axis w hil e u si ng a si ng l e strai ght SEN312 结晶器内钢水流线及其停留时间分布图比较图5给出了三种水口条件下结晶器钢水流线图5 三种不同水口条件下结晶器钢水流线及停留时间分布图.(a)直通式;(b )四分径向水口;(c)四分切向水口F i g.5 S trea m li ne and res i dence ti m e d i s tri buti on (RTD)of molten steel i n the b l oo m m ol d w h il e us i ng d ifferent SEN s :(a)strai gh t si n-gle SEN;(b )quad -f u rcated SEN w it h outl ets i n rad i al d irecti on ;(c)quad-f u rcated SEN w it h ou tlet s i n tangenti al d irecti on图.流线图可以直观反映新鲜钢水从水口进入结晶器后的流动轨迹.由图可知,较其他两种水口,四分切向水口浇铸条件下,钢水在结晶器内的行程最长,且停留时间最长,最长可达213s ,这为夹杂物和气泡碰撞、长大、上浮及其去除提供良好的物理环境.从图中还可以看出:在使用四分切向水口浇铸时,钢水从侧孔流出后,不仅在结晶器内形成上、下两股水平旋流,且向上的水平旋流在9s 左右内到达钢液面;而采用其他两种水口时,到达钢液面的时间分别约为38s 和18s ,这将有利于提高夹杂物去除率.313 结晶器内钢液面形状比较图6~图8分别为结晶器内钢水浇铸达到稳态时,不同水口对应的宽、窄面对称面上钢水体积分数为016的自由液面特征曲线和速度分布情况.其中该曲线的以初始设置Z =011m 为基准高度,并定义自由液面曲线的最高点与最低点的距离为波高差.由图6~图8可见,在相同的条件下,三种不同类型水口对自由液面波动影响差别不大,其波高差都在?1mm 内,钢液面基本呈水平面,液面最大速度为0101~0102m #s -1.表4给出了不同水口浇铸条件下结晶器宽、窄面对称面上的自由液面波高差和最大速度.由表4可知,宽、窄面对称面上钢水自由液面的波高差和最大速度值基本相等,这是由于宽面和窄面的尺寸大小相当引起的.其中,采用四分切向水口时,宽、窄面对称面上的钢液面波高差最小,因此在该工况下,卷渣的发生几率也将最小;但其液面速度却最大,这是由于水平旋流平衡了钢水在弯月面处Z 方向上的速度.因此,该四分切向水口浇铸条件下,可以避免钢水弯月面处形成流动死区,也有助于进一步抑制弯月面处的液面波动.图6 直通式水口结晶器对称面上自由液面特征与钢水速度分布.(a)宽面对称面;(b )窄面对称面F i g.6 Liqu i d level con t our and veloci ty at the free s u rf ace on the s y mm etri c p lanes w it h a s i ngle strai gh t SEN:(a)s y mm etri c p lane on the w i de si d e ;(b )sy mm etric p lane on t he narro w side#1135#北京科技大学学报第32卷图7 四分径向水口结晶器对称面上自由液面特征与钢水速度分布.(a)宽面对称面;(b )窄面对称面F i g.7 Liqu i d level con t our and velocity at t he free s u rface on the sy mm etry p lanes wh ile usi ng a qu ad -furcated SEN w it h ou tlets i n rad ial d i recti on :(a)sy mm etric p l ane on the w ide s i de ;(b )sy mm etric p l ane on t h e n arro w s i de图8 四分切向水口结晶器对称面上自由液面特征与钢水速度分布.(a)宽面对称面;(b )窄面对称面F i g.8 Liqu i d level con t our and veloci ty at t h e free s u rf ace on t he sy mm etry planes w h il e us i ng a quad -furcated SEN w i th outl ets i n tangen ti al d irec -tion :(a)s y mm etri c p l an e on the w i de s i de ;(b)s y mm etri c p l an e on the narrow si de表4 三种不同水口条件下钢水对称面上自由液面波高差和最大速度Table 4 M axi m um level fluct uati on and velocity at t h e free surf ace ofm olten steel on the sy mm etrical p l anes对称面直通式四分径向四分切向波高差/mm液面最大速度/(m #s -1)波高差/mm液面最大速度/(m #s -1)波高差/mm 液面最大速度/(m #s -1)宽面0158701012019101015501344010172窄面016330101150187401015201353010175314 结晶器内钢水温度分布比较图9给出了三种水口条件下结晶器宽面对称面上弯月面以下的钢水温度分布状况.由图可知,四分切向水口条件下,结晶器内钢水热中心有所上移,且高温区域范围较其他两种条件下要大,这为弯月面处提供了大量的热量.对比弯月面处(Z =3mm 面)的温度场图可知,相比于直通式和四分式水口使用条件,四分切向水口条件下弯月面温度分别提高了6e 和2e 左右,且该弯月面上的温度分布较其他两种工况均匀.对比弯月面下Z =400mm 面的温度分布图对比可知,四分切向水口条件下,该面温度梯分布均匀,且其总体温度与其他两种水口条件下相比,分别提高2e 和1e 左右,即结晶器内钢水热中心有所上移.比较四分径向式和四分切向水口出口处Z =120mm 面的温度分布可知,钢水总体温度在该面上的差别不大,但四分切向水口条件下,过热钢水从侧孔注入结晶器后,其温度在该面上沿X 和Y 方向的梯度较大,说明四分切向水口更利于钢水过热的耗散.4 结论(1)使用新型四分切向水口时,结晶器内钢水不仅能形成上、下两个回流,也能够产生较强的水平旋流.该水平旋流能降低钢水冲击深度,也有助于抑制液面波动、夹杂物上浮以及进一步消除弯月面处的钢水死区.(2)与四分径向水口相比,新型四分切向水口及其产生的水平旋流可以明显减弱钢水对初生坯壳的冲击,有利于结晶器内钢水坯壳的均匀生长,也有助于均匀结晶器区域钢水温度,促进钢水过热耗散.#1136#第9期孙海波等:注流方式对大方坯连铸结晶器内钢水流动与温度状态影响图9 三种不同水口条件下结晶器内钢水温度场.(a)直通式;(b)四分径向式;(c)四分切向水口F i g.9 Te m perature distri bu ti on ofm olten steel i n t he b l oom m old w i th d ifferent SEN s :(a)strai gh t s i ngle SEN ;(b)quad-f urcated SEN w it h outl ets i n rad i al d irecti on;(c)quad -furcat ed SEN w i th outl ets i n tangen tial d i rection(3)新型四分切向水口使结晶器内钢水热中心上移,提高和均匀了弯月面处的温度.较其他两种常规水口,弯月面处钢水温度可提高2~6e ,利于保护渣的熔化.综合表明,新型四分切向水口不仅可获得类似结晶器电磁搅拌的冶金效果,还具有稳定液面、活化弯月面下钢水流动状态的综合效果.参考文献[1] Tho m as B G,M i ka L J ,N ajj ar F M.S i m u l ati on of fl u i d fl ow i n -si d e a con ti nuous slab casti ng m ach i ne .M etall Tran s B ,1990,21(2):387[2] H i n ti kka S,Kon tti n en J ,Le i vis ka K.Opti m i zati on ofm olten steelflo w i n con ti nuou s casti ng m old M S teel maki ng Conference P rocee d-ing s ,1992:887[3] W ang W W,Zhang J Q,C hen S Q,et a.l E ffect of nozzle outl etangl e on the fl u i d fl ow and level fl u ctuati on in a b l oo m casti ng m ou l d.J Univ S ciT ec hnol B ei jing ,2007,29(8):816(王维维,张家泉,陈素琼,等.水口侧孔倾角对大方坯结晶器流场和液面波动的影响.北京科技大学学报,2007,29(8):816)[4] Gu W A,Tang P ,W en G H,et a.l S t udy on subm erged en trynozzle w i th f ou r outl ets f or b loo m con ti nuou s casti ng .Iron S teel ,2008,43(4):101(顾武安,唐萍,文光华,等.大方坯连铸四孔浸入式水口的应用研究.钢铁,2008,43(4):101)[5] Gao Z P ,Su Z J .Op ti m i zation 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的钢液在不同工艺参数和水口结构下的流动情况。
１试验过程
所速：／Ａ２１以度比ｆ：：１，＼
ｒ
ｎ
Ｔ２
体流比：１积量：普Ａ：
Ｒ， ’ ｒ
式中：、一型与原型的惯性力；一重力加速ｎ模ｇ度；一何相似比；２模型与原型结晶器的长Ａ几ｚ、一度；、模型与原型的拉速；Ｑ一型与原型一Ｑ、，模
ｉｃｅｓｓｗｈｌｈｅｉｎｒａｅｉｅｔｍｍｅｇｄｎｚｌｐｔｎｉａｔｎｐｔｓｔｏｖｏ．ｒｅｏｚｅｄｅｈｏｍｐｃｉｇｄｅｈｉｎ’ ｂｉｕｓ
ＭａｔｒａｎｄｘＦｌｗｅｄｏｑｕｄｉｏｄ，ＮｏｚｅＳｒｃｕｅ，ＣａｔｎｐｅｅｉｌＩｅｏＦｉｌｆＬｉｉｎＭｌｚｌｔｔｒｕｓｉｇＳｅｄ，ＩｍｍｅｇｄＮｏｚｅＤｅｔｒｅｚｌｐｈ，Ｉｐｃｉｍａｔｎｇ
（芜钢铁集团１技术中心，莱２特殊钢厂，芜２１０３北京科技大学冶金与生态工程学院，京１０８）莱７１４；北００３
摘
要
采用１：水模型研究了２０ｍｍ ×３０ｎｌ连铸结晶器中钢液在拉速０５～．／ｉ、入深度１６０ｌ坯ｎ．０８ｍｍｎ浸
９０～１０ｍ和５水口结构时的流场。试验结果表明，理的水口结构有利于降低冲击深度，有的直筒型水口２ｍ种合现过大，化后的水口可使冲击深度降低３％～０；拉速增大，优０４％随冲击深度增加，浸入深度对冲击深度影响不大。而关键词结晶器钢液流场水口结构拉速浸入深度冲击深度水模型
ｔｅｏｔｚｄｎｚｌｓｍａｅｒａｅｔｅｉａｔｇｄｐｈｂ０～４％；ｗｔｎｒａｉｇｃｓｉｇｓｅｄｔｅｉａｔｇｄｐｈｈｐｉｅｏｚｅｙｄｃｅｓｈｍｐｃｉｅｔｙ３％ｍｉｎ０ｉｉｃｅｓｎａｔｎｐｅｈｍｐｃｉｅｔｈｎ
Ｄｅｔｐｈ，ＷａｅｏｌｔｒＭｄｅ
钢液对结晶器下部的冲击深度太大，不仅不利于铸坯的凝固，会将夹杂物带到铸坯的下部，还恶化铸坯质量。本文以莱芜钢铁公司特钢厂的连铸结晶器为研究对象，用物理模拟的方法Ｈ研究结晶器中采
第３２卷第３期２１年６月０１
特殊钢
ＳＰＥＣＩＡＬＴＥＥＬＳ
Ｖｏ．２．Ｎｏ３１３．
Ｊｎ２１・１・ｕｅ０ｌ５
连铸结晶器内钢液流场பைடு நூலகம்的水模型研究
郑艳张利平梁娜何庆文。 ’ 。
ＡｔｄｎＦｌｗｅｄｏｑｉｎＣｏｃｓｉｏｄｂＳｕｙｏｏＦｉｌｆＬｉｕｄｉｎａｔｎｇＭｌｙＷａｅｏｌＴｅｔｎｇｔｒＭｄｅｓｉ
ＺｅｇＹｎ，ＺａｇＬｐｎｉｎａａｄＨｉｇｅ ‘ ｈｎａｈｎｉｉｇ，ＬａｇＮｎｅＱｎｗｎ’
ＡｂｓｒｔＴｈｏｆｅｄｏｉｕｄｓｅｌｉ６ｎｌ× ３０１１ａｔｎｌｔａｔｎｐｅｄ０．～０．ｔａｃｅｆｗｌｆｌｑｉｔｅｎ２０ｉｎｌｉ０１１ｃｓｉｇｍｏｄｗｉｈｃｓｉｇｓｅ５１１８ｍ／ｍｉｎ．ｓ — ｕｂｍｅｇｄｎｚｌｅｔ０～１０ｔｎｎｋｎｄｆｎｚｌｔｕｔｅｈｓｂｅｎｓｕｄｅｙ１：ｗａｅｏ１ｒｅｏｚｅｄｐｈ９ｉａｄ５ｉｓｏｏｚｅｓｒｃｕｒａｅｔｉｄｂ２ｏ１ｔｒｍｄｅ．Ｔｅｔｒｓｌｓｓｏｓｅｕｔｈｗｔａｅｓｎａｅｎｏｚｅｓｒｃｕｅｉｖｉａｌｏｄｃｅｓｈｅｉｈｔｒａｏｂｌｚｌｔｔｒｓａａｌｂｅｔｅｒａｅｔｍｐａｔｎｇｄｐｔｕｃｉｅｈ，ｐｒｓｎｚｌａａｇｒｉｐｃｉｇｄｐｈａｄｅｅｔｎｏｚｅｈｓｌｒｅｍａｔｎｅｔｎ
（ｅｈｏｏｙＣｎｅ，２ＳｅｉｌＳｅｌＷｏｋ，ＬｉｕＩｏｎｔｅＧｒｕ１Ｔｃｎｌｇ＂ｅｔｒｐｃａｔｅｒｓａｗｒｎａｄＳｅｌｏｐ，Ｌｉｕ２１０ａｗ７１４：
３ＳｈｏｆＭｅａｌｒｉａｎｏｏｉａｇｎｅｉｇｎｖｒｉｆＳｉｎｅａｄＴｃｎｌｇｃｏｌｔｌｇｃｌａｄＥｃｌｇｃｌｏｕＥｎｉｅｒ，Ｕｉｅｓｔｏｃｅｃｎｅｈｏｏｙ，Ｂｉｎ００３）ｎｙｅｊｇ１０８ｉ