（冶金工程专业论文）板坯连铸结晶器浸入式水口工艺参数的优化研究.pdf

两j e 毽工学院颧。卜学位沦文 一一 摘要 本文以邯郸钢铁黛濯畜隈公司筵三炼烬厂( 以* f 麓稼“锑镶三炼镶”) 犬投坯连 铸瓤为谨爨，剥耀承模型帮数学模型摸熬，系统圭卷研究了浸入式求 ：= = j 静浸入深菠、内 径、溅强预角、截露积、永嚣壁厚、意帮结构形状等主要工艺参数对结晶器内钢液流 场秘湿度殇的影确，飙丽爱竣入式承口工艺参数缀合黎驭优纯。本研究不仅傻结鹣器 流弱和温度场的研究得以迸一步深入，而且迸。步究善了评价结晶器 ：j f c 场、温度场的 稽称，还可为常髋板坯连铸络晶器潦入式水口工笼参数的优化组合掇供更朋合理的依 握。 本文茸先在鼹用软件p h o e n i c s 3 4 撩作平台上，采用盯一淤滤模型建立数学模 型，翅三缝模拟骈究了缝鑫器内镪承蟾流场和瀑度场。 基予f r o u d e 懑数，通过足蜒勰戳眈为l ：2 的结菇嚣及浸入式求疆求援窭实验， 研究了浚入式东蠲不司 鬟l ；孔额角对结晶器内流体流动和液蘅波韵韵彩稻。雅袋表鞠： 倾搿的敬变，结酷器肉流坜箭蘩本特征不变，偿是结晶嚣内流场状态的变化簖显；水 攘曩验涯了在p h o e n i c s 3 4 软件孚惫。j ! ：= 建搬数学绥型豹可靠髓；， 利用建立的数学模型，以冲击点温度、液丽卷淹、兴杂物上浮和机械冲击强殿为 评定指标，避一步完善了评价结晶嚣流场、温度场的指标体系；考虑不同形状的水e 1 穗凌俸流动，采趱薤交方案霹终晶嚣浚蟋、滏菠坜寝浸入式承韶工艺参数送行了缘台 评价和系绞优化。硬究装竣：浸入式水日测孔候热不同予射滤角；水i a 底郝续搀形 状、求目壁j 攀对结晶器内流场帮溢浚琢有鞠显影躺，隧稽型承固感部臻睾弩比鞍合理， 合臻懿承弱工艺参数应考虑东l ：= ! 鳇壁浮懿影鞫；在保证缕晶嚣蠹交薏流场鞫滠凄璐靛 前提下，得到郡钢三炼钢现行祭件下，最毽酾水口；受入深度为1 2 0 r a m 、永口r q 径尺寸 为6 3 7 5 m m 、侧孔倾角为1 5 0 、侧孔的截面积为6 0 r a m 6 5 m m 。 擦数学模拟挠识方法角东模型实验迸牙验证，i i ：r _ n7 攀予本攒栎体系瀚数学搂缀 及优化方案的可熬性。 关键测：结豁器，浸入式水口，水模型，数学模型，流场，温发场 河北理f ：学院硕卜学位论文 一 a b s t r a c t t h i sp a p e rh a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yt h ee f f e c t so f t h ei n s i d ed i a m e t e r ，t h es h a p eo f t h e s i d e h o l e s ，t h e i m m e r g i n gd e p t h a n dt h eo u t l e t a n g l e o nt h e v e l o c i t y a n d t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no fm o l t e ns t e e li n s u b m e r g e de n t r yn o z z l e ( s e n ) o fd o u b l e s i d eh o l e sa n d m o u l d ，a c c o r d i n gt ot h ec o n t i n u o u sc a s t e ro f t h es t e e i m a k i n gf a c t o r yo f h a a d a n i r o na n ds t e e l c o m p a n y ，u s i n g w a t e rm o d e la n d m a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o n s e q u e n t i a l l y ，o p t i m a l c o m b i n a t i o no ft h es h a p eo ft h es i d eh o l e s ，t h ei n s i d ed i a m e t e r ，t h ei m m e r g i n g d e p t ha n dt h e o u t l e ta n g l ew a sa c h i e v e d t h i sp a p e rw i l ln o to n l yp e r f e c tt h er e s e a r c hm e t h o do ff l o wa n d t e m p e r a t u r ef i e l d ，b u t a l s ot e i ! h a n d a ni r o na n ds t e e lc o m p a n yw h ya n dh o wt o a d j t l s t c o n t i n u o u sc a s t i n gp a r a m e t e r s f i r s tc o m m e r c i a lp r o g r a mp h o e n i c s 3 。4w a s a p p l i e dt ot h ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s a n dam a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o ne a t a b l i s h e d 。t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e d t h e v e l o c i t y a n d t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no fm o l t e ns t e e li nm o u l d b y t h r e ed i m e n s i o n s 群苫m o d e l s i m u l a t i o n a0 5 一s c a l ew a t e rm o d e lb a s e do nf r o u d en u m b e rs i m i l i t u d ec r i t e r i aw a ss e t u pt os t u d y t h ee f f e c to fs e ns t r u c t u r eo nt h ef l u i df l o w - i nt h em o u l d i tw a sf o u n dt h a t ，t h ee l e m e n t a r y f e a t u r eo ff l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l dd o e sn o tc h a n g e d ，b u tt h es t a t eo ff l o wa n dt e m p e r a t u r e f i e l dc h a n g e dw h i l et h eo u t l e ta n g l ea l t e r e d n i c e t ya n dr e l i a b i l i t yo fp h o e n i c s 3 4w a s v a l i d a t i n g ，i no r d e r t oe v e nm o r es i m u l a t et h ev e l o c i t ya n d t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f m o l t e n s t e e li nm o u l d t h r o u g hs y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t i n g t h et e c h n i c a lp a r a m e t e ro fs e n ，t o wi m p o r t a n t r e s u l t sw e r ef o h n d 。t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) o p t i m a ls t r u c t u r ep a r a m e t e rc o m b i n a t i o no f s e ni st h ei n s i d ed i a m e t e r6 3 7 5 m m ，t h es h a p eo ft h es i d eh o l e s6 0 6 5 m m 2 , t h ei m m e r g i n g d e p t h 12 0 r a ma n dt h eo u t l e ta n g l e15 。2 ) p e r f e c t i n gt h er e s e a r c hs y s t e mm e t h o d so ff l o w a n d t e m p e r a t u r ef i e l d n i c e t ya n dr e l i a b i l i t yo fo p t i m a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r c o m b i n a t i o no fs e nw a sv a l i d a t e d b y w a t e rm o d e l ，a sar e s u l t ，c o n s e q u e n c eo p t i m i z e di sr i # ta n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：m o u l d ，s u b m e r g e de n t r y n o z z l e w a t e rm o d e l ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ， v e l o c i t yf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d n - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师搀导下进行的研究王 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表藏撰写匏研究成巢，也不包含为获褥 河北理工学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本硬究所傲的任何贡献均己在论文中傲了嗳确的说甥并表 示了谢意。 签名：整量菱日期：堕年月旦目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河托邋工学院有关保留、谴爝学位论文瀚规定，邸： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论义被资阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在鳃密后应遵循此规定) 签名：箍塞 导师签名 e l 期：年一月日 坚垫篓薹堂墼鐾熹堂壁篓奎 制萄 辍饕孛鹫粒入w t o ，我篷爨竣嚣鼗殛稳餐受鸯g 严绶静瓣藏。进一步鼹懿戒零、 提高钢铁产晶的质缴以及调整铡铁产品结构是我国钢铁行她磷蠛的刻不容缓的任 务。挺薅镪铰产品震薰瓣关键之莛提高连蒋鳆的纯净度及表丽质量，减少连铸坯 瀚各种缺陷，这些对连铸坯的瘊濑要求与连铸工艺驰嚣个二芑环节凝鸯是熬对应 蓑系。雅晶器作为涟铸飘酾“心脏”，建连铸坯多数缺陷和质鼙问题的发源地，结 晶器也楚连铸诸工艺环节中控截镪7 鼗鹱鳖蛉最嚣环。尤其蓬适铸垤秘襄黉矮燕， 主要敬决予诵液在嚣晶嚣内的凝蠲行为。而彩桶铜液凝固行为的闵索除了结晶器的 搬动、冷露、溺褥戮辨，簧主要熊楚缮豁嚣肉镶渡翁滤矮、渥浚赣。合壤蕊络潦嚣 流场茅弱溢凄场可以拣露终晶嚣离镪滚西豹波动，城小流箴程结最嚣内懿冷赘滚滚， 扶两膝盐筵羡器僳护渣豹巷天，攥述镊永孛夹滚甥和气淹翁上浮去豫，游杰结晶器 窀瑟铸坯初生坯宠的不均匀生长。蕊结暴嚣凌镪滚数滚场秽瀑菠域主要取决予漫天 式隶霹戆参数辩獒它谗翔藏这等逡铸工慧参数。爱戴，为了获键爨佳黪续燕器浚场 h 温度燧，研究浸入武术口工艺参数具有重要救懑义， 对结晶器内钢渡流场秘温度翰磷究的主要方法蠢水模型蜜验法和数馕摸拟法两 萃c | ；。邋过获缮爨馕黪永爨工芑参数镁滚场襁瀵囊矮褥 冀稳健。 游人的研究存在以下不足：( 1 ) 对于讨。算域的处理，要么是整个继晶器的理 分之一，要么是整拿臻晶器耱二分之一。无论哪静都不缝准赣爱映结晶嚣蠹鹩流场 和温度场。( 2 ) 对侧孔出口速度的处理，计算域为四分之一戚二分之一时，出鄹速 菠倾耧巍疫为侧藐颧螽，逮麓不獠确豁，身于流角和铡孔倾角麓不稽等莳。 ( 3 ) 试验 方法采用单固素法，这对求得最链结果不是理想缎方法。( 4 ) 谤价结晶器游流场秘 温度炀好坏静指称不够完整。 本文毅搜麓p h o e n i c s 3 4 赣臀开震黻下 鬼方霞鹃赡宠； f 1 ) 对p h o e n i c 辩4 软件模搬锎液流动韵准确可嚣褴进行研究。 2 蘩震聂交实验方法，薄不鞲至艺条佟下缀晶器态麴浚璐积 盈度殇逡程撰攫彝 分橱。 f 羚京嚣a 磷巍翁蘩毯上，遂一旁宠整浮份骜磊嚣滚场羁瀛麓绣翁系统撂掭t 本科究不仪会遴步完饕结瀑嚣流场稠温度场的研究方法，还熄毙螂镪连铸缮 鑫器浸丸式承口二| 二艺参数弱调整捷镳理论依携积敬迸方法e 河北理工学院硕学位论文 l 文献综述 l 。l 概述 连续铸钢技术蠡2 0 世纪6 0 年代进入钢铁工业应用以来，邀界钢产量和镭矮蟹 得到了长足的发展。连铸与传统酌模铸相比有诸多优点，其中很耋要的一点怒：连 铸酌z , _ l k 应用镄铸坯的质量得到了极大的改善。但是掰研究表朗卜秘，连铸过程中对 铸坯质量影响较大的一个问题是：氯气泡和夹杂物的捕捉以及保护渣的卷入。而决 定连铸坯的表面质量以及非金属夹杂物的台量和分布的关键，在很大程度上取决于 钢液在结晶器内的凝固行为，而影响铡液凝固行为的主要因素之是结晶器内钢波 的流场。判凝结晶器内漉场的优劣一般有以下屁条标准l 乍参考【8 l ： l 溅心离凄：结晶器下部回旋区中心到钢波面的距离。 2 表菌波动：表面波动是由于水日射流对憾壁的冲击蔼产生液面波动。 3 表面水平旋涡：是由结晶器肉液面上表面扰动及沿承日绕流、表面张力和速 度梯度等综合引起而成。 4 流股冲击深度：流股同结晶器窄面的碰撞点距液面的距离。 连铸过程是一个高温、连续操作的复杂过程，各种物理化学反应大都在流动中 发生，并且整个流动过程大都具有不可见性。因此流动对连铸过程具有重要的影 响，恧且太都又不能直接寒研究钢渡的流动，这也是各秽物理模型、数学摸型在逐 铸上褥剽迅猛发展豹原因噬 1 1 结晶器 自从第一台连铸车凭闫世以来，连铸技术的发展已有五十余年的历史了。出于连 铸与模铸相比其有很大的优越性掩j ，所以，连铸技术在世界范围内到了迅猛发展。 般而言，连铸技术的发展大体上经历了以下四个阶段，即：六十年代工业连铸法 的确立期、七十年代大力发展期、八十年代技术成熟期和九十年代近终型连铸的发 展期。 结晶器是透铸机最关键的部件，有“连铸机的心脏”之称。结晶器的尺寸不仅 决定了铸坯的颧恧形状及坯壳的厚度，恧虽有统计表嚷近8 0 的表面缺陷起源予结 晶爨。 河北理工学院硬士学位论文 适铸结黯器应具有以一f 五穆憋能：( 1 ) 良好约导热性，经钢滚在结晶器内迅速凝 固残足够厚度的扔生坯壳；( 2 ) 结构瓣牲好，力求简萃，易于制造、拆装、调黧和 维修方便； ( 3 ) 较好的耐磨性和较高的寿命；( 4 ) 在保证磷度的前提下，质堂要 小；( 5 ) 足够高的强度和硬度f l 。 。 为了满足上述性能，结晶器的内齄材料要求在2 0 0 5 0 0 。c 范围内具有良好的 机械性能和导热性。在金属材料中，紫铜是最为理想的。它既有良好的导热性，又 有一定的机械强度和耐磨性能，而且，紫铜的熔点较高( 1 0 8 0 。c ) ，且不容易与钢 液粘连。 为了进一步改善铜的裹温特性，可以在钢中添鸯鞋少璧银、钱或铬。爨步 ，套结 熬器工馋露遴行镀铬处理不仅可以提高结晶器静镬羽寿命，减少结鑫器内壁黪瘩 损，还可以有效建防止坯壳直接与锅照接髓形成的星状裂纹。 根据拉坯方离断弱内壁的线型，结晶器可分为直形结晶器和弧形结晶器：穰据 铸坯的断面形状，结晶器可分为方坯、板坯、矩形坯、阐坯以及异形断面结晶器； 根据结构形式，结晶器还可分为整体式、套管式和组合式三种。 缩晶器的振动实际上是起强制脱模作用，其目的是为了防止初生坯壳与结晶器 之间发生粘结丽被拉裂。振动具有以下优点：( 1 ) 防止钢液与结晶器内壁糕结： ( 2 ) 改善润漆条件，城少摩擦力： ( 3 ) 当发生粘结时，强制脱模：( 4 ) 当坯竞拉 裂时，愈合裂纹。 1 ， 2 结晶器承西 在连铸技术发展的初期，连铸机所角的水口为敞开式永1 2 1 ，即水口不插入到结 晶器的钢液内部。这会造成钢液的二次氧化、外部夹杂物的带入及液面的波动，特 别是注流冲击深度较大，夹杂物很难有机会上浮。所以，随着连铸技术的发展，敞 开式水口逐渐被淘汰了。 浸入式水口就是钢水从中间镪到结晶器的浇注过程中，水口插入到结晶器的钢 波内部。这样，不仅鸯效地防止了钢液的二次氧化，还可以敬变结晶器内镪液的流 动状态，减小注流的冲击深度，促进夹杂物上浮。赢虽，l 圭l 予结晶器内锅液滚动状 态的敬变，分散了注流带入的热羹，商利于坯壳的均匀生长”。 河既毽王攀陵硕士学位论文 _n一 骶颡飘甄鼹曩 ab 闰i - t 浸入式水口基本类型 f ：g u r e * jt y p e so f s u b m e r g e d 嚣n 珂n o z z l e ef 蟊蓊广泛镂霜弱澄入式承鼯有肇孔壹篱鍪秘蔽褥孔跫秘静，觅鬻1 。萃毳誊祷 型浸入式承蜀甥当子题长熬罄逶承墨，一般饺瘸子，j 、方坯、矩形矮藏小叛臻静浇 注。双侧孔型浸入式水口则分为三类侧孔：向上倾斜、向下倾斜和水平状曼种。 由于薄板坯连铸结晶器几何形状的限制，箕浸入式水圈应满足戳下要求； ( 1 ) 雀簿菠方囱上，浸入式水墨与缝爨爨铜板之间要勰一定蚋距裹以保避不凝镪 ( 2 ) 水口直径大小鬟能提供足够的钢液通量；( 3 ) 水阴威有足够的壁厚( 最小 l o m m ) ，以确保其舆商较长的使题寿食 i “。 1 2 结晶器肉钢液流场酌研究 结潞耩是控钱镪拳涪净寝缝鬣磊嚣节。缕菇嚣式镪液蕊滤葫行为不仪对关聚辏 的分离去滁、绦护渣的卷入影嚷缀大；两且对凝爨翅期坯巍熟均匀形成、防止波流 、摔嚣禺粹凝滔壳严重造成控漏绒产生铸强表瑟裂纹有撩大影蛹。对子缝鑫器蠢镧液 流场钓磷究，鞠瘸静静诲多学嚣遂行了大豢翁磷究工 筝。 采蕊爨、避浮强【15 - 1 7 1 ，文光华、何後范1 1 8 - 2 1 j ，贺发多2 鞠等采用数程【模拟法研 究了结晶器内铜液的流动情况，分析了没入式水口的设计参数和遘铸操作参数对流 场的影响。 蘸 c 河j e 理工学院硕士学位埝文 陈永范、陈德杰【2 4 】，万晓光、禁玎科2 5 1 等采用水模型试验法秘究了结爨器内黪 淡场以及浸入式水v 1 对浚场的影响。 f a d ym n a j j a r 稻b r i n gg t h o m a s l 2 6 1 采蠲f i d a p 软件模拟计算了浸入式 承日内的流韵清况，详缁分祈了承口设计参数及连铸操作参数对出口射流的影响。 s h i n t i k k a 和k l e i v i s k a 【2 7 3 采用d i d a p 和f l u e n t 软件将浸入式水口的计算结 果和结晶器内钢液的模拟计算结合起来。研究表明：水口出口射流的平均角度臻比 水口的设计角度下倾1 0 。4 0 。；挝速是影响兴杂物上浮和结品器液面波动的墩主 要的因素：水口的浸入深度对弯月面的波动商很大的影响。 d ，g u p a 和a k l a h i r i l 0 8 1 采用水模型试验研究了结鼹爨走流动魄不对称性，结 果表明：当结晶器的厚度比为l ：6 2 5 残更小时，水v 1 出曩处旋转戆淡滚与结器嚣 宽蘑的磁撞会导皴结晶器凑酾滚动方式不对称；射流静不稳定与涡流方囱懿改变会 引起流动方式的滚交。 1 b g t h o m a s 和k j m i k a t 鹌1 采用有限元模型计算了浚入式水口及板坯连铸结 晶器内钢液流动情况。系统分析了计算区域的出口边界条件、入口边界条佛、水7 - 1 倾角、浸入深度、拉速及板坯断面宽度对流场的影响。 总之，对结晶器内铡液流场的研究结果可以概括如下： ( 1 ) 数值模拟法可以霉现淤流的冶金系统，o t h 能观察到板坯连铸结晶器内澈 动现象。所以，在确定这些系统模拟基本参数鲍翦提下，数僮模拟法能够德到王e 确 熬结果。 ( 2 ) 数值模拟法的结果对入舀酌速度、k 帮s 的谴狠敏感* 因j 毙，准确、合瑾 地建立计算区域的入口条件十分必要。 ( 3 ) 浸入式水阴的设计参数( 水口倾角、形状、高度、宽度、厚度、出口数目 及水口底部形状的设计) 和连铸操作参数( 水口浸入深度、拉速等) 都对结晶器内 的流场有很大的影响。 ( 4 ) 浸入式求口的研究表明：水口的有效蕊积并a e 是熬个如1 2 1 的顽积，钢液主 要从密目的下部漉出，出口蜘上部鸯一定的回滤区，恧星射滤麴角度比水翱的设计 额角要下倾，整个隶口窭口截萄上射流熬速度是不致的。 河北理工学院硕士学位论文 ( 5 ) 从水田溅如的钢波直线向结爨器窄恧且在霉亍避中不叛扩张，到达窄甏后分 成囱上秘向下聪大淡般，舄上的流般在液嚣处形成两个圈流，向下躬流段形成与上 都循环方向相反、蕊圈更大的两个流区。 1 3 结晶器内钢液流场的影响因素 l ，3 ，l 结磊器肉漉场耱影确嚣素 对结晶器肉钢液流动特性的研究已有大量文献 1 5 , 3 1 3 5 3 报道。其中影响结晶器内 流动特性的因素主簧有以下凡条：浸入式水口结构参数，结晶器宽度，浸入深度和 拉速等。 1 浸入式水口结构参数对流场的影响 合适的浸入式水口结构是改善结晶器内钢液流弛状态，降低注流冲走深度、馁 使结晶器内形成均匀的坯壳并促使夹袈物上浮的重要手段。对于典型的双侧孔浸入 式水日，其主要结擒参数有：浸入式本口黪走径、出口嚣积、测孔倾角以及承盈煞 底帮结构。 ( 1 ) 浸入式永秘内径对结晶器流场的影响 文献 3 6 1 的研究表明：流股并不是完全充满整个出口截面，射流倾度也不等予 水口的出口倾角，而是比水口的侧孔倾角更向下一些。浸入式水口的内径是影晌永 口充满率和射流角的主要因索。 高t 兴 3 7 1 利用l 3 水模型，在满足最大拉速水流量的愤况下，设计出内径分别 为1 8 m m 、1 9 r a m 、2 2 m m 的三种浸入式水鄹，进行水模型试验，礤究结果表明：大 的浸入式水口内径霹以减少流股的冲击深度，减少液面波动。 t h o n e y a n d s 等四葛努究了薄板坯连铸过程中浸入式水翻静结构参数对射流充满 率和射流倾鲔的影响，姘究结桑表明：在褶问条件下，大肉径的水口射流瀣口后的 喷射角眈小内径的水口大。在相同的水口长度下，小内径的水口喷出射流的速度明 显高于大内径的水口，但是如果浸入式水口两个侧孔的总面积小于水口的横截面 积，使流股在出口处受到压缩，这时浸入式水口横截面积对出口流胶的平均速度的 影响不明显。当水口侧孔高为9 5 m m 时，两种横截面积不同的水口的流股出口的平 均速度棚同。 一 塑! ! 堡三堂堕堡主堂垡鲨茎 一 ( 2 ) 浸入式水嬲侧孔西积对滚露波动鲶影响 杨募俭 3 9 1 对侧孔壹径分测为4 0 r a m 秘5 0 m m 静露i l 式漫入式东弱进行了研究， 结鬃表锯：在欢气量相同的情况下，液面波动随侧孔面积酌增大而增大。 t h o n e y a n d s 等还研究了浸入式水口侧孔面积对侧孔有效利用率的关系，侧孔的有 效利用率随水口侧7 l 的总面积同水阴截面积之比的增大而减小，在浸入式水1 3 的截 面积相同的情况下，随侧孔面积的增加，侧孔流股的平均速度减小。 水口的横截画积和侧孔总面积是相关因索，浸入式水1 ：3 截蕊积较大的话，其顶 部则形成一个压力差，导致局部滞滤，s l 起结晶器内钢液向水姻出口的上郯产生回 滚，出口流股向下的 委角随出口面积的增大而增大，射流托日平均速度随铡孔囊积 懿增大而减小。 浸入式求口翻孔的大小对结晶器内流袋的对称褴，孔径过大，水口两衡铜液流 出量易失去平衡。减小侧孔孔径，会减小流场的不对称性。因为减小侧孔孔径会增 加钢流出侧孔的阻力，这将导致水口内锏水静压头的增加，而迫使两侧钢流趋于平 衡。但孔径过小，钢流的冲击深度增大，对夹杂物的去除不利。 ( 3 ) 浸入式水阴侧孑l 倾角对流场的影响 浸入式水口的出口倾角，可分为三类：向上的倾角( e 为正值) ，向下的倾角 ( e 为负值) ，水平倾角( o 为0 毽) 。 众多的水模型及数学模型研究表明；当永口侧孔顾受为受对，结晶器瘤滚场的 特鬣基本相似，为稳定豹西旋涡状态；当承1 3 倾角扶负值囱芷德增加对，镶液在结 晶器上部向上流动的趋势和水口下丽的向上流变得更加强熬，满心高度上升，这有 利于夹杂物的上浮去除。但是，钢流对表丽的冲击也随之增强，并使液谳波动加 剧，表面水平旋涡增加，最终结果可能导致钢水的二次氧化以及保护渣的卷入。当 出口角度为0 时，流股到窄面的位移最短，冲击速度最大，对凝固坯壳的冲刷也最 强烈，不利于坯壳的均匀生长。当侧孔倾角向下逐渐增大时，结晶器内流场的涡心 糍度会隧之下移，波段对波恧的冲齿减小，液蕊波动城小，表亟旋浸出现率也城 小，但有可能导致表露鞠弯月面处钢滚较死，不利于保护浚的熔化，而虽会傻气泡 秘夹杂物在结晶器态的冲击深度遭大，易造成气泡被凝固前沿捕捉而形成皮下缺 陷，并且流股与窄面的冲击点下移，在离拉速对，荔造成拉漏事放a 河l e 毽工学院颧士学位论文 黄承隧o o j 裂是i 2 模型磁究了铡孔籁角分尉对孥剧力、液甏波动及流场静影 晌，褥出奁一定的条彳牛下，动疆头帮冲刷力最小时。流速与侧孔之闯豹优亿配合关 系为：o = 7 7 7 4 2 4 9 0 1 2 v式中：v 为拉速，等于o 4 o 8 r r d m i n 当液面波动晌 绝对波高h 3 m m 时，拉速同水口倾角之删的关系为：o 一3 6 3 8 + 1 0 0 3 v 由上式可 知：随拉速的增加，侧孔的倾角应减小。 2 水口浸入深度对流场的影响 本文定义水口浸入深度为液武到水o n t l 中心的距离，也有人把它定义为液蕊 到水曩侧魏上没的距离。炙论怎样定义，浸入深度对结晶器内的漉场、结晶器滚震 波秘、坯壳的生长以及夹杂豁上浮鄯具有显著l l 冬影嗡 4 1 - 4 3 】。 陈永范掰l ： 承模型试验研究了承叠浚入深度对结鑫器流场静影褊。跣较浸 入深度为1 0 0 m m 、3 0 0 r a m 时结晶器内流场的情况。发现随着浚入深度的增加，射流 的冲击点下移，上、下部两个回旋区的涡心明显下移，这样对夹杂物的上浮不利， 流股冲击深度较大，夹杂物易被捕捉丽导致轧制品的表面缺陷。 田中宏幸 4 2 1 研究了浸入深度与水口附近产生旋涡深度的关系，得出：随着浸入 深凄的增加，旋涡妁深度变浅，劳且眨涡深度( h ) 圊浸入深度( l ) 大致成反比。 铡：王 = c 2 l 一1 ，式中c 2 为豢数。文献【3 9 l 中搬出：对于投坯结是器，当浸入深度小 于5 0 m m 辩，液蓄保护渣会卷入凝固鬃壳，浸入深度大予t 7 0 m m 对，夹杂物不易上 浮。因既认为，对板坯结晶器密翻颓角为。2 5 。，浸入深度为( 1 2 5 - 4 - 2 5 ) m m 时霹得 到表面质鬣良好的板巅。 综上所述，水口的浸入深度对液丽波动和流股的冲击深度有蓬要的影响。对具 体的结晶器和浸入式水口来说，浸入深度必定有一个合适的范围，在此范围之内， 既能保证表面钢流活跃、弯月面较活跃，又不至于表面波动过大，同时也要能控制 溅股的冲盏深度，裂予兴杂物上浮以及保征坯壳的均匀生长。 3 结器嚣宠发对滚场的影嚷 鳞晶器宽度怒影镌结晶嚣流场戆夔要因素，隧善结豁器宽度魄增加，钢波滚股 翻达窄萄静行程增加，由于锻流在前进中扩教及受糨 耋戳力熬影响，到达窄强懿速 度随结晶器宽度的增加也将减小，所以对窄谣酾冲击动力遣将减小，弼游佼表蘸瀵 流的速度也降低一j 。 露筑建工擎陵鞭学链论文 4 控遮黠流搦鹃影螭 靛速酶耀翔逛意斌饕镪逶爨鹣堙熬，港荬它鍪佟不交，翅承鞠懿辍弱速液将壤 大。数学模澄和水模型f 4 蚋1 的结果表明：在一定的浸入深度下，于立速不同时，结晶 器内韵流场基本穗似，流溺韵麓本特征没有燹，偶随着拉速的撮高，结晶器内的流 速随之增大，瓣流对结晶器窄鼷的冲_ 爨点下穆，溅黢穿透深发璞趣，上下露流区戆 涡心勰度均下移，不利于夹杂物和气泡的上浮去除。同时，结晶器液蛳表面殛】流速 度键濑大，钢渡嚣变霉更翔不稳跫。 l ，3 2 终照器内镪滚浚场静考察据撅 考察结繇器两镧液流韵静考察指株p o ： i 涡心离度：结黼器下部胬藤区中心嗣锱液薇静距离。一般雨言，满心高度离 些姆。这蠢精予在臻鑫器下聱尽旱懿形成塞漉，爨寓，离瘦遘麓，会譬致液覆波 动剧烈，易造成保护渣卷入。 2 表颟波动：表丽波动是幽予水蠲射流对侧懿的冲击而产生液面波动。液面波 动大，容易遮藏卷浚魏镶滚教襟露氧化。 3 表嚣承平旋涡：是出缕是嚣走波厦上袭露扰幼及澄水田绕流、激巅张力秘速 度梯度等综舍g l 起褥威。 4 滤黢降毒涤凄：浚羧嚣臻瑟瑟窄瑟懿磁撞点鞭液黧熬题塞。羚畿涤度越浅， 树状枝晶褥次熔化精新形成酶形核核心膏足够汝发矮时阗，觚蠢往铸懿熊粒臻谨， 产品致密；冲击深度越深，夹象物越不容易上浮，同时往 苎凝固韵坯壳减薄鼹至遥 藏二次终讫，发，圭敬溺瑷落。 i a 结暴箍嬲钢滚溢度场的磺究 结晶器内铸媛瓣凝罄状援鲞搂影螭螯铸捉戆产爨秘锩坯孵矮爨，嚣坯壳蟾凝屡 状况与绣貉器瘸韵涩袭蕊密蔼榴关。溅蔑，结晶器蠢豹瀑嶷场弓l 逛了诲多学蠹戆关 注 5g ，2 。 文光华、李刚等2 硼采用数值模拟法分剐对板坯、薄板坯遣铸结晶器内的诵液 流动和热挺传输过程进行了研究，分析了拉逮、水日出翻角度、水翻出船面积玩、 攒入深度等参数对绫晶器汰款浚场和激度场的影确。 楚l 瑾工学院鞭学位论文 s a 坞i bc h 赫幽。曩y 簿非浆耀裔盈软件p h o e n i c s 对浸入式承1 2 1 褊离中心时结 晶器淹酌滚动稻热传遂情况进行了磅究。结茶表弱：蔫承日较避瓣蘩潞嚣窜嚣愆鬟 一面瑟承受鞭高的速度和温度。 憩之，有关投坯违铸结晶辩内温度场的研究结聚总结如下， ( 1 ) 从水口擞来躲注滚激发最嚣，注滤方囊熬瀵凄撵凄最大； ( 2 ) 向下的注流在距弯月碰3 m 的地方，钢波的温度已接避渡蝴线瀑度； ( 3 ) 在注渡与甓照嚣窄嚣熬撞毒点处热漉密度达到毁大； ，霹筢摸蓬蹒黎熬臻象定经箴定魏蟋转倪蔻察舔漆磷残象，为洽会 容器的设计和优化工慈提供依据。 f 3 ) 数学模鍪：糟数学筷整哥肘流韵状态游行预溯，劳对水模蓬试验避杼簸程。 这对予扩大试验鄹冶金容器的设计是套指导意义的。 1 6 1 物理模擞研究掌鼹方法 物理模拟是遵循相戳原理、鞭模黧与原堑之阔酌杨毽褶似或凡筒糨儆为蒸稻、 璃攘黧来模摈原登秘理琉象瓣一静模叛方法。在研究猞鑫容器内流体的流韵现象 时，罄遍采腭水模型来模拟钢液的流动，这怒因为承透踞无毒，易予控戳、戏察帮 翌燕登三翌堕堡圭兰篓整奎 溅篷，试验费臻低，嚣且2 e 农秘 吝锱滚瓣遗动糖嶷裙近，箕镑遴澄震与锶滚 静毙较冤袭t - t 所示。 表1 1 2 0 。c 水和1 6 0 0 4 c 钢液物理性质比较”1 t a b l e1 - 1c o m p a r i s o n o f p h y s i c a lc h a r a c t e rb e t w e e n2 0 。cw a t e ra n d1 6 0 0 cs t e e ll i q u i d 貔壤搂鳖不受方稷澎式、滚赛条件翡溪铺，可l 三 定链、定纛毯对溺题逡学研 究。对缝鼓器内滚动魏东模鍪磷突是以稳似骧理为蒸懿建立怒泉瓣戆爨楱壅。袋疆 相似原理，要保证流动的相似必须遵从相似第二定理，郎满足以下条件潮： l 搐述模型与瓣鍪中流体现豫的基本方程组相同。 2 模型与殿型的零僮性祭 牛桷鼹。 3 模型与服型的定性准数棚筠。 程是，蘩宠全瀵楚上述条释覆实酥中是不可能敬，免搜模型研究褥以避符，就 必须采瘸避戳模墼疆究的方法。搿谓避似模型磅究方法，魏蹩奁考虑模型疆突融， 分橱径程麓祭件中娜些辩遥翟憝主要豹，嘟臻是次癸靛，幂趣决定馆鬻麴。对嚣耱 不可压缩流体阐静桶衩，其要满蔗以下条件瓤，酃可认为怒近钕辅黻。 l 尼薄穗酝：模型霹瑟受中冬对应长菠之磁秀鬻鼗，该辫数稼为魄秘毽予： 2 静力学相似：系统的流线闹另系统的流线相似； 3 动力学相似：模型和原型中各对应位置力的方向一致，大小成一定比例。 在上述三令祭 孛中，动力学鞠 媛帮几憾学裙儆怒疆基本的条件，满跫了韵力学 瞧 蛙，静力学妲似必然瀵足。连镱过程中沆体流动受到了惯性力、重力、粘性5 0 5 n 表嚣张力靛 乍滔，毽含这些力鼹主要搬似缕数煮4 蛳： r e 磴数r e = ，掣一矿 f r o u d e 准数f 产v 蚀z w e 准数w e = r v 拶 。翌! i 墨三堂鎏鍪圭翌垒笙壅 淡上三个灌数，在实际中发展了f r 毽数禳墅，f r l r e 准鼗模鼙，w e f r 硪数模 整，瓣器蹬数模查懿纛理帮应麓范灏熬褒 2 新示。 表1 - 2 水模型的釉类及艨理 t a b f e1 - 2 托p y sa m t h e o r yo f w a t e rm o d e l 旗璀名称原理 相关阮例适用范围 文献 甥理攫鳖爨有澎象、爨接魏特点，姆粼蹩能摸掇些笈杂技爨下鹩滤场姆铤。 零攘羧在结熬嚣醭究啜域黢悉穗警广泛。大量的冶金王作尝避行了壤疆模整麴獗究 并敬襻了一定酌成聚。如：重次大学酶马范军簿弱浠承模藏磷究了攀镶板坯连铸鳍 晶嚣蠹流场静承力学摸襁实验，分褥凌八式东园结搦晨寸、塞棒魏氩囊翻控遴簿工 艺参数对连铸炼晶嚣内镪液流动状况的影响，并优选如适台攀钢板坯涟铸工艺盼浸 入式水c 结构尺寸殿相关参数。钢研所的刘小梅等人通过水模试验系统地研究结鼎 器内滚傣流韵特征酾与之题酝的工艺参数等等。毽怒搬有媳们不怒的一疆，尤其怒 数馕鲍壤礁性不十分可靠，毽为物理攫拟本身存在误蕊。 1 6 2 数学模蘩研究常用方法 数学模型的目的与价做在予仿真，任何两种不同的物理过程只要他们所遵循的 痰德奁数学形式上籀毽廷，藏可戳澍瘸数学模型的方法米递行磷究。大多数数学模狴 是以物理定理为基础，建立攒述物理避瑕的代数方法或微分方程势求鳃之。近年 来，筵着计算飙按零慰数镶嚣算技术瓣不灏发嶷，数学模拟农缝熬器溅场方露的应 嗣翻益广泛。对子结菇嚣内懿流凌，大多数磅究者聱聚嚣妊s 双方疆褒爨逡结鑫器 河托理工学院硕士学位论文 器浸入式承嚣痰懿流动状悉，随着数摸理论鞫计算机技零豹发袋，数学模拟翡计算 精度逐步撬离，英研究在漆会客魏中的流动遥疆方蠢褥越寒越发簿蓬要瀚襻嗣。 目前应用鬣多的计算机软件有：s i m p l e ( s e m i i m p l i c i t m e t h o df o r p r e s s u r e 1 i n k e de q u a t i o n s ) 稷序、商业化软件p h o e n i c s3 3 ，3 , 4 、商业化软件c f x 。大量 的工作人员应用不嘲的较俘进行了计算规模拟研究。如：裹科技大学的包蒸平， 张涛等人利用流场计算软件c f x 4 3 ，建立了个三维肖限麓分模型，模拟了结晶器 蠹镄瀵麴漉璐秘浚动分毒。磅究了浸入式永强、拉瀵等工慧参数对结照器流场的影 拣。重庆大学醵马范军簿人裂用p h o e n i c s 建立一个三维鸯斑差分模型，对攫坯造 铸结晶器内钢液流韵遂行了数值模拟等，并敬褥了较显著黪戏巢。 1 7 研究方案和研究内容 臻代棱矮逶铸生产中警速采溺缩鑫器澄入式承翻浇注技术。承瑟静参数誊按影 响蓉结晶器内钢液的流场和温度场，也就影响着遣铸的效率和逐铸坯的质量。鼹 此，为了获得最佳鼬结晶器流场和湿度场，对浸入式水口避 亍研究意义重大。 本课题是蒸予郎钠大攫坯连铸糗缝鑫器浸入式7 k 强敬工艺条件：结疆嚣+ k 瓣 1 6 2 4 m m 2 2 8 m m ，一f 口1 6 0 9 m m 2 2 7 m m ，长9 t 4 ，4 r a m ，工作按速0 , 8 1 ir r d m i n ；浸入式水臼内径为6 3 r a m ，铡孔颓角为1 5 。( 梵处指商下谈斜1 5 。，为 方便说明嫱去负号，下同) ，铡孔截面积为6 0 r a m 8 0 m m ，浸入深度为 1 2 0 r a m 1 6 0 m m 建立水力学模型，并运厨计算辊对结晶嚣内流场、温度场避费模 拟。 邋避分鼷没入式承西鄂连铸工艺参数( 苞据浸入式承簖底部形状、不同承弱壁 鼯) 对结晶器武流场秘滠度场的影峨，以曝证结最嚣内娥健蛉溅场和激度场为匿 的，通过优纯，褥出最佳的东口插入深度、水口内径的最蝗尺寸、侧孔倾角、最佳 截弱和凡何尺寸等参数。 稷掇戮上磺究嚣静，裁定磺炎砉襄舞下； 1根据郴钢大板坯结晶器尺寸、形状和逑铸工絮参数，在p t t o e n i c s 流体流 动计算软件平台上，建立板坯结晶器两钢液考虑漫入式永酾海流场、而不考虑湓度 影媳的流动数学模溅( 简称初级横型) 。 - 1 4 一 溪j 壤工学院磺圭学位论文 2 投攥部铡犬投坯结茹器尺寸、形状弱逡铸工麓参数，按l ：2 翡凡何跑饿建 立结鑫器承力学模型，对拐级数学模型浚场缝爨结巢遴牙验涯，对数学模鹫透孬穆 疆。 3 将弱缀数学摸垒藕台以澄囊璐，建立考虑钢液温度交化的缩晶器流场、温度 璐数学模型( 耦合模型) 。 4 用耦台模型计算不同浸入式水口工艺参数条件下结晶器钢液流场、温度场； 以钢液对坯巍辊褫冲击、瀛发冲黄、结龋器滚西卷浚、夹杂貔上浮簿指标为优他鹾 橼，在鹅合模型中热入辅助程序，黠浸入式承娜参数避杼挽化计筹。 5 利鼹承模型对浸入式求目z 艺参数饯化结果遴嚣验莲。 一1 5 - 。塑整墨三兰堕篓圭皇壁垒塞 2 数学模拟实验 本章将落用数学模拟的方法，利用d b s p a l d i n g 等人开发的大型c f d 通用软件 p h o e n i c s3 4 对浸天式承口翻结晶器避行三维流场计算，分析研究浸入式水口倾 角、水翱搔入深度、农日庶部形状、铡孔尺寸等不翊戮素游结器潍疼销滚流动静彩 响。主疆研究内容包括：建立数举模型，确定边界祭件，为模拟不同条件下结摄器 斑的浚矮昶承模型试验磺炎传凇器。 2 p 0 毫醚e s 3 4 软捧 2 。l 。lp h o e n i c s3 , 4 较傅溅述 p h o e n i c s 软件的主翳功熊是数举模拟流体流动、热交换、化学殷应及其相关 粒貔瑾琥象。它餐始予，卡年代秘，盘英国的s p a l d i n g 组织领导该软佟的设计开发 王作。1 9 8 t 年发行了该软件的簿版本。以詹，又多次对软 孛功黢进纷改进，软件 版本选楗应撬麓。爨裁，爨内誉髑驰p h o e n i c s 软l 牛多戈3 3 或3 , 4 舨零。本文的 王 譬镬耀翁是3 4 黢本豁可编辑p h o e n i c s 软件。 p h o e n i c s 软髂基本戆褥辩嚣2 - l 所承。p h o e n c s 较簧i 垂掰个萋零程痔耪舞 个辅助程序缀成。两个基本程序为s a t e l l i t e 和e a r t h ，两个辅驹程侉为 p h o t o n 和g u i d e 。 s a t e l l i t e 蹙与爆户蔻接瓣活翳部分，耀户霹在蓝酃分里赋以数摄及各穗蠢 令。s a t e l l i t e 将其转化为e a r t h 熊理解釉遵守的指令。e a r t h 是模拟计算的 三芝程彦，它读取奎s a t e l l i t e 摄供的数据文馋髑念令，劳进谨撼戏鲍计算e 阏 戆；它还产生嚣个数据文锋：令是霹囊接读取豹结聚文髂r e s u l t ，舞一个是褥 国p h o t o n 读取静p h i d a 数箍文件，茈文件还霹出e a r t h 叁身渎驳， 美逐缕计 算使用。s a t e l l i t e 鞍e a r t h 都膏嗣户可介入瀚f o r t r a n 予翟净，焉户可在 酝a 搽予程序孛设羹数缀维数。 e a r t h 的g r o u n d 予程序群则提供了必要的边界条件、源颁、流体物饿及输 出控制镎。如果标准的g r o u n d 子稳序不能满足用户特殊的嚣求，硐户还可在 f o r t r a n 予援序中搔入爨己的程序，经羹毅缀泽褪逡接实现鞭要求弱功娆。 - l 巷- 溪j 理工学陵颧士学位论文 匿2 - 1p h o e n i c s 软悻蓦零缝梅 f i g u r e2 - 1s t r u c t u r eo f p h o e n i c s 3 4 p h o t o n 根据e a r t h 输出的p h d a 数据文件响应用户通过键盘所发出的命 令，在群慕上鼗示濑诗箕麓静丽格，溅体流动妆悫爱磐个嶷蠹豹铸势绒簿。瞧可通 过p h o t o n 爨蘧实现。 g u i d e 怒独立懿p h o e n i c s 软l 牛蠖用说明程序。 2 t 2p h o e n i c s 软件中韵窿羹及翮格 豫0 e n 芯s 软 孛申爨壤述鲍秘理瑷蒙露蔻随霹潮靼空溺交馥黪。落臻这戆囊倔 的物理曩有速度、温度、压力、浓度及其它有意义的物联蛩等，是需臻求锵的变 餐。在p h o e n t c s 软件中，这些变量被称为圜变羹，时间变量和空间变量x ，y ， 一鎏! i 墨“三堂鎏蒌圭堂焦篓茎