（冶金物理化学专业论文）ftsc薄板坯连铸结晶器流场和温度场数值模拟.pdf

摘 要 摘要 现代连铸生产中普遍采用结晶器浸入式水口浇注技术。水口的参数直接影响着 结晶器内钢液的流场和温度场，也就影响着连铸的效率和连铸坯的质量。因此，对 浸入式水口有关工艺参数进行研究意义重大。 本文以唐山钢铁集团有限公司第一炼钢厂f 1 1 s c 薄板坯连铸机为背景，利用商 业模拟软件f l u e n t ，采用r s 湍流模型建立数学模型，模拟了f r s c 薄板坯连铸 结晶器内钢液流场和温度场，其重要目的是掌握n s c 薄板坯连铸结晶器内钢液流 动的特点和温度分布情况，为水口优化提供可靠的理论依据。 根据热轧薄板厂现在所采用的一些参数，利用建立的三维数学模型，以自由液 面行为为评定指标，系统地研究了浸入式水口的浸入深度、出口倾角、拉坯速度对 结晶器内钢液流场和温度场的影响，研究表明：当浸入深度为0 2 8 4 m ，出口角度选 择2 0 。时的流场和温度分布比较合理，此时既有利于自由液面的平稳，又有利于保 护渣的熔化。 由于f r s c 薄板坯连铸机所用四侧孔水口结构尺寸比较复杂，本研究的目的是 用侧翼水口代替扁平式四侧孔水口，为此，设计了下侧孔水口。通过建立三维数学 模型，讨论下侧孔浸入式水口的浸入深度、出口倾角、拉坯速度对结晶器内钢液流 场、温度场、自由液面行为和保护渣的影响，确定了最合理的浸入式水口结构尺 寸。并且为了评定下侧孔水口是否适合f t s c 薄板坯连铸结晶器，对最佳结构水口 进行了数值模拟，讨论了其流场和温度场是否合理，并且和四侧孔水口作了个对 比。 图【4 8 】表【5 】参【5 7 】 关键词：薄板坯连铸；结晶器；流场；温度场；浸入式水口；数值模拟 分类号： t 玎7 7 7 河j b 理工大学硕士学位论文 a b s t l a c t l nm o d e mc o n t i n u o u sc 船t i gp r o s s ，s u b m e r g e de n t r yn o z z l e ( s e n ) h a sb e e nw i d e l yu 驼d ， w h o s ep a r a i 鹏t c r sa f 工e c tp r o d u c n v i t y 蛐dt h eq u a l i t yo fp m d u c t sb yi i i f l u e n c i n gt h ev e l o c i t ya d t e m p e r a t u i ed i s t r i b u t i o no fm o l i e ns i e e li nm o l d s oi “so fg r e a ti 唧o n 触tt os t u d ys e n 1 1 l i sp a p e r h a ss t u d i 酣t l l en o wf i e l da n dt e m p e r a t u r e 矗e l do fn s ct h i ns l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g m 0 1 d ，a c c o f d i n gt ot h ef r s ct h i ns l a b 咖旺n u o u sc 髂t e 】? o ft l l en o 1s t e e l m a k i n gf a c i o r yo ft 柚gs b 蛆 i 姗a n ds t e e lc o m p 粕y ，u s i n g 拉c o n l 地r c mc o d ef l u e n ta n dr st u r b u l e n tm o d e le s 协b l i s h e d m a t l i e m a i i c a lm o d e l i n g ，t l l ea i mi sk n o wt h cd i s 打i b u t ei n 山en o wf i e l d 柚dt e m p 盯a t u i ef k l d ，t h e o r y a b o u to 埘i n i z a t i 咖o fs e ni ss u p p l i e d 1 啷p 0 s et os o m ep a r a n l e t ma p p l i e db yh o t - r o l n g 皿i s h e e tp l a n t ，u s e di h r e e - d i m e s i 0 m a t h e m i i c a lm o d e l i l l g ，s y s c e m a “cs t u d yt h ee 丘e c ti m i m r s i 咖d e p t l l ，o u u c tr a l 【ea n g i e 柚dc a s t i n g s p e e do n 丑a w 蛆dt e m p e 珀t 哪f i d di ni n o l l i d t b cf e s i i l t sa r ef e v e a l e d 舾f 0 o w s ，w h e ni n l m e f s i o n d e p t hi s0 2 8 4 m 孤do u e tf a k ea n g l ei s2 0 。，f l o wf i e l da n dd i 蚰曲u t i o o ft c m p e 翔t u r ei sp m p e r ，w h i c h i sb e n e f i l e d f o rs t a b i l i t y o f 缸es u 由a n dm e l 血g o f n u xs l a g 1 1 1 es t n i c t u f eo ff o u 卜o u e t 啪t c rg a pi nf t s ct h i n s l a bc 0 n 肌。啊c a s t i n gi sq u i t ec o m p l 坯皿e p u r p o 辩o fm er e s e a f c hi s 恤a tn a tf o l l r _ 0 u t l e tw a t e fg a pi sr e p l a c c df o rn a n ks e n f 0 r t h i s ，u n d e 硌i d e f l 卸ks e ni sd e s 远鹏d 皿o u g ht h r c ed i m e n s i o n a lm a t h e m a t j cm o d e l t h ei 衄u e c e so fi m m e r s f o nd e p t h ， o u n e tr a k e 锄g l ea n d c a s “n gs p c e d0 nn o w a n dt e m p e m l u r c 丘e l d ，t l l eb c h a v i o r0 f 缸es 州a c e 柚d 丑 s l a ga r e 咖d i e d ，也ep m p o s es t n l 咖r eo fs e ni sd e i c r m i n e d m a t h e m t i c a lm o d e i i n gw a se s 扭b l i s h e d f o rj u d g i n c n tont h ea d a p n o no fn l e1 i n d e r s i d en 姐ks e nt of t s ct h i n s l a bc o n t 舢o u sc a s c e r t l i e r a t i o n a l i t yo fn 口wa n dt e m p e r a i u r ef i e l d 、a sd i s c u s s e d ，a n di sc o m p a i e dw i t hf o u r _ o u e tw a t e rg a p f i g u r c 【4 8 】；t a b l e 【5 】；r e f e r e n c ef 5 7 】 k e y w o r d s ：n i ns l a bc o n 血u o u sc a s t i g ；m o d e l ；n o w 丘e l d ；i e m p e r a t u r ef i e l d ；s u b m e r g e de n t r y n o z z l e ；m a l h 锄a t i c a lm o d e l i n g c h i n e s eb o o 】( sc a t a l o g ：f 7 7 7 7 i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 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或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：猩熏日期：2 璺绛直月j r 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；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。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：啦 导师签名：辨 吼 址年丘月拥 引言 引言 随着中国加入w 1 1 0 ，我国钢铁行业面临着更加严峻的挑战。进一步降低成 本、提高钢铁产品的质量以及调整钢铁产品结构是我国钢铁行业面临的刻不容缓的 任务。连铸结晶器是连铸机最重要的设备之一，也是连铸坯各种缺陷和质量问题的 起源地，因此，它的运行状况直接影响着连铸机的生产率和铸坯质量。现场的经验 和众多的研究表明，结晶器内的流动状况和铸坯的质量密切相关。不合理的流场将 引起表面流速过大，弯月面湍动加剧，造成卷渣，或者对凝固壳的冲击过大，使夹 杂物及气泡易被凝固壳捕捉等一系列影响连铸顺行和铸坯质量的事故，而结晶器内 的流动状况与结晶器的尺寸、浸入式水口参数、拉速等直接有关。因此，研究不同 工艺条件下结晶器内流场状态对提高连铸生产率和钢产品质量至关重要。 随着计算机的模拟与仿真技术的出现，目前在国际通常称之为c f d ( 计算机流体 力学) 方法在冶金材料工业中正发展成为改进生产工艺和提高产品质量的有力工具。 人们可以对钢铁工业中从冶炼到加工的各个工艺过程进行计算机过程模拟、系统优 化、自动控制和监测。生产前用计算机对生产过程、工艺参数及生产结果进行模拟 和对整个系统进行优化，可以实现生产的超前规划和设计，这样也就为钢铁工业的 技术进步提供了新的可能。对于炼钢后期的连铸连轧来说，流场和温度场模型是大 家普遍关心的两大问题，用数值计算方法来模拟结晶器内钢液行为就成为本领域研 究的重心了。 本研究旨在利用n u e n t 商业软件对f t s c 薄板坯连铸过程中结晶器内流体流动 和热量传输进行数值模拟，结合浸入式水口水口结构、出口倾角、浸入深度、拉速 等工艺参数对温度场及流场的影响，为f t s c 水口结构优化提供指导。 河北理下大学硕十学位论文 1 文献综述 1 1 连铸技术概述 连铸是指使钢水连续不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连 续拉出，经过水冷却全部凝固后切成坯料的铸造工艺。连铸是现代冶金三大突破性 技术之一【”，和通常的钢锭浇铸相比，它具有增加金属收得率，节约能源，提高铸 坯质量，便于实现机械化，自动化等优点。连续铸坯产量与整个钢产量的百分比反 映了一个国家炼钢工艺的先进水平。连铸比的提高已受到国内外的广泛重视。并且 连铸工艺得到迅速发展和普及。连铸连轧因其热装热送，节能、提高成才率、简化 工艺流程、节约基建投资、缩短生产周期等优点，一直都是连铸技术的发展方向。 实现上述工艺的提前条件是连铸车间提供高温无缺陷铸坯。 在钢铁生产历史上，采用连铸技术之前，一般都是采用模铸浇铸成钢锭，在这 个工艺过程中，钢坯还要经过加热、加工，而且每次都要损失一定量的金属。连铸 技术的开发和应用是钢铁产业继氧气转炉之后又一次重大的技术革命。连铸技术与 传统的钢锭模铸相比，具有以下优越性：第一，简化了生产钢坯的工艺流程，节省 了投资。第二，提高了金属收得率和成才率，连铸从根本上消除了模铸中的残余钢 损失，提高了钢水收得率。第三，极大地改善了劳动条件，机械自动化程度高。第 四，大大节约了能量消耗。采用连铸，省去了钢锭加热炉地燃料消耗，可使能量消 耗减少。连铸技术从十九世纪中期构思开始到第一台弧形连铸机诞生，经过了漫长 的将近百年的时间，到了8 0 年代连铸技术日趋成熟，进入9 0 年代连铸技术迅速发 展。目前全世界钢产量的平均连铸比由1 9 8 1 年的3 3 8 增到1 9 9 7 年的8 0 5 印j 。目 前，钢铁工业面临一系列激烈的挑战，作为冶炼和轧制中间环节的连铸，在新的要 求和挑战下，势必要向更高技术水平领域冲击，迎接新的革命。 近年来我国经济的快速增长，特别是工业和基本建设的加速，促进了钢铁工业的 发展。我国已成为世界上钢铁消费和钢铁生产大国，粗钢产量和消费量占世界总量的 比例分别由1 9 9 2 年的1 1 2 和1 1 9 跃升到2 0 0 2 年的2 0 1 和2 5 8 ，2 0 0 2 年 钢产量达到1 1 2 亿吨。由于连铸技术具有显著的高生产效率、高成材率、高质量 和低成本的优点，近二三十年已得到了迅速发展，目前世界上大多数产钢国家的连铸比 超过9 0 。连铸技术对钢铁工业生产流程的变革、产品质量的提高和结构优化等方 1 文献综述 面起了革命性的作用。我国自1 9 9 6 年成为世界第一产钢大国以来，连铸比逐年增 加，2 0 0 3 年上半年连铸比已经达到了9 4 6 5 i “。 高效连铸技术是本世纪八十年代中后期为适应节能要求、提高生产效率、匹配 连铸坯热送热装而发展起来的一项新的连铸技术。高效连铸的技术特征包括：高的 铸机作业率、高的单机生产能力、高的拉坯速度和高的连浇炉数【”。目前，高效连 铸在国外已有很大的发展，闩本、美国、德国、意大利、韩国及英国等国家钢铁工 业发达国家中的一些现代化工厂已经得到广泛的应用。 近终型连铸是近代钢铁工业发展中一项重大的高新技术，分为薄板坯连铸、薄 带坯连铸、喷雾成型三类。近终型连铸是力求浇铸尽可能接近最终产品尺寸的铸 坯，以便进一步减少中间加工工序，节省能源、减少贮存和缩短生产时间。这些技 术与传统工艺相比：流程短、设备简单、建设投资省、能耗低、成才率高、生产成 本低。 薄板坯连铸连轧技术是国际上8 0 年代末，9 0 年代初开发成功的生产热轧薄板 的一项新技术。薄板坯连铸连轧作为钢板、带材生产的新工艺流程，它与传统的生 产方法相比，可以把钢水浇铸成5 0 7 0 m m 的薄板坯，经过均匀加热后直接进入精 轧机轧制出版卷，并且在投资规模、生产节奏、生产成本、节能降耗等方面，具有 由于其显著的经济效益，备受人们的关注，并得到迅速的发展。代表着当今世界板 带技术的发展方向l “。自1 9 8 9 年第一条薄板坯连铸连轧生产线投产以来，目前世界 上已有3 8 条薄板坯连铸连轧生产线( 包括正在兴建和即将投产的在内) 。这种发展 势头在今后一个相当长的时期内会有增无减i ”。但是在薄板坯连铸中，从浸入式水 口喷出的钢液流速很大，这样就使得结晶器内的钢液产生剧烈的湍流，液面波动相 当的剧烈，很容易产生卷渣等现象，而且使得射流流股对结晶器器壁冲击剧烈，有 使窄面凝固坯壳重熔的危险。另外，流股的穿透深度也很大，使一些夹杂物来不及 上浮就被卷进正在凝固的坯壳中，这些对板坯的表面质量以及内部的质量均有很大 的影响。 1 2 结晶器在连铸生产过程中的地位和作用 结晶器使连铸机中的重要组成部分。是连铸机的心脏，结晶器这一重要的冶金 反应器将完成钢水由钢液向固相转变的第一步。在连铸生产过程中的功能就是： 1 高效率的传热器，把钢水热量很迅速的传递给冷却水； 2 钢水凝固成型器，把钢水凝固成所规定的形状； - 3 河北理一r 大学硕+ 学位论文 3 钢水净化器，结晶器内液体钢水中的非金属夹杂物充分上浮被保护渣吸收， 进一步净化钢水： 4 铸坯表面质量控制器，结晶器内钢水、渣相、铜板、凝固坯壳之间的相互作 用是一个复杂的动态过程，相互之间合理参数的配合，对铸坯质量有决定性的影 响。 过热的钢水由中间包进入结晶器，在结晶器内通过结晶器壁的冷却，使得钢水 温度下降，并且部分达到凝固温度，在结晶器壁处形成坯壳。而在整个结晶器内 部，钢水又进行着强烈的流动，其流动方式又影响着其内部的传热过程。并且影响 凝固坯壳的生长，从水日出来的高温钢水和窄面凝固坯壳发生碰撞，将热量传给坯 壳，使坯壳产生局部温度高，甚至发生重熔，拉速越快局部温度越高，并且到达窄 面分开的上下流股冲刷坯壳使其生长不均匀，薄弱之处是出现裂纹甚至拉漏。 结晶器是控制钢水洁净度的最后环节。结晶器内钢液的流动行为不仅对夹杂物 的分离去除、保护渣的卷入影响很大；而且对凝固初期坯壳的均匀形成、防止注流 冲刷局部凝固壳造成拉漏或产生铸坯表面裂纹有很大影响【5 m 。因此，对结晶器内钢 水流动和传热行为进行研究尤为重要，国内外的许多学者也进行了大量的研究工 作。 1 2 1 结晶器内钢液流动行为及其影响因素的研究 对结晶器内钢液流动特性的研究己有大量文献报道，影响结晶器钢液流场的主 要因素有：浸入式水口结构参数，浸入深度及拉速等，对于典型的双侧孔水口，其结 构参数包括水口内径、出口倾角、出口面积、出口形状及底部形状。保证合适的浸 入式水口结构和浸入深度是改善结晶器内钢液流动状态，降低注流冲击深度，分散 注流带入热量，促使结晶器内形成均匀坯壳，并促使夹杂物上浮的重要手段。 w d m “等首先企图模拟氩气喷吹钢包内钢液流动行为，使用时均n a v i e r s t o k e s 方程和k 一方程湍流模型计算流场，并假定气泡是包含在给定直径的柱形筒 内，边界条件是通过测定气液界面上的速度来确定。实际是将问题简化为单相来处 理，尽管后来发现该模型存在很大的缺点，但毕竟是首次将流体力学的研究方法引 入钢的精炼过程研究中1 8 j 。 1 9 7 3 年，s z e k c j y 和舡a j 将单方程湍流和s p a l d j n g 的离散化方法第一次应用到 结晶器内钢液流动数值模拟，编制程序模拟了方坯连铸结晶器中二维情况下的流动 现象【9 】。n o m a sbg 等人采用高r e 数的k e 双方程模型研究了板坯中二维湍流流 4 1 文献综述 动i l o j ，他们使用商业软件n d a p 求解了二维流场并使用水模型进行了结果验证。 n o m a s 还专门建立了水口出口模型来研究出口角度与出口湍动能、湍动能耗散率的 关系，证实了出口的湍动能和湍动能耗散率主要与出口速度有关，与出口角度关系 不大。他们的流场计算结果反映了特定的水模拟结晶器情况，但是没有通过实际验 证。玎i n t 使用商业软件p h o n e n l c s 模拟了三维湍流流动和传热，f 1 i n t 取了宽面沿 着水口对称的1 2 结晶器为计算域并且在水口出口处，宽面和窄面靠近壁面的地 方网格划分比较细，从而可以详细分析流场在这些关键部位的情况。p h o n e n i c s 并不能很好的处理有相变过程的流动和传热的耦合计算，结果既不能上没有经过定 量验证。 1 9 8 8 年，y a n gh o n 蚤i a g 等人求解了在三维情况下的流场耦合模型。m 等人 求解了在电磁制动( e m b r ) 下的三维流场耦合模型【l l l 。其他学者也进行了大量的数 值模拟流场的研究。黄维通等人模拟了三维情况下k 一双方程的板坯结晶器流场， 并做了初步工业实验；朱苗勇等人也做了板坯结晶器内k e 双方程的三维流场模拟 仿真：杨秉俭等建立了有限元结晶器限定空问内三维湍流的时均场模型，在处理出 口边界时让出口流量满足质量守恒条件，得到了比较好的结果；包燕平等人利用商 业软件c f x 4 2 ，采用均相流模型模拟了结晶器内湍流流动。 朱苗勇、肖泽强【1 2 _ 14 1 ，文光华、何俊范【1 5 - 1 引，贺友多f 1 9 l 等采用数值模拟法研究 了结晶器内钢液的流动情况，并且分析了浸入式水口的设计参数和连铸操作参数对 流场的影响。 陈永范、陈德杰，万晓光、蔡开科等采用水模型试验的方法研究了结晶器内的 流场以及浸入式水口各个参数对流场的影响i 加以】。 f a d ym n a j j a r 和b 血gg t h o m a s 【2 3 】采用f i d a p 软件模拟计算了浸入式水口内钢 液的流动情况，详细分析了水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 k i v i s k a l 2 4 】采用d i m ”和f u j 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要比 水口的设计角度下倾l o 。4 0 。，拉速是影响夹杂物上浮和结晶器液面波动的最主 要的因素：水口的浸入深度对弯月面的波动有很大的影响。 d g l l p a 和a k 1 a h i r i l 2 5j 采用水模型试验研究了结晶器内流动的不对称性，结果表 明：当结晶器的厚度比为1 ：6 2 5 或更小时，水口出口处旋转的涡流与结晶器宽面 的碰撞会导致结晶器内的流动方式不对称；射流的不稳定与涡流方向的改变会引起 流动方式的改变。 5 河北理工大学硕 ：学位论文 b g t i l m o 鹤和k j m 像a 1 2 6 】采用有限元模型计算了浸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、入口边界条件、水口倾 角、浸入深度、拉速及板坯断面宽度对流场的影响。 用数值模拟的方法对连铸结晶器内钢液的流动过程进行研究是近年来该学科发 展的前沿领域，其重要目的是掌握结晶器内钢液流动的特点和凝固壳分布情况，为 工业生产控制、结晶器设计提供可靠的理论依据。 总之，对结晶器内钢液流场的研究结果可以概括如下： 1 数值模拟法可以再现湍流的冶金系统。 2 数值模拟法的结果对入口的速度、r 和的值很敏感。因此，准确、合理地 建立计算区域的入口条件十分必要。 3 浸入式水口的设计参数( 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 水口流出的钢液直线向结晶器窄面且在行进中不断扩张，到达窄面后分成向 上和向下两大流股，向上的流股在液面处形成两个回流，向下的流股形成与上部循 环方向相反、范围更大的两个流区。 1 2 2 结晶器内钢液传热行为及其影响因素的研究 结晶器内铸坯的凝固状况直接影响着连铸机的产量和铸坯的质量，而坯壳的凝 固状况与结晶器内的温度场密切相关。连铸结晶器内钢水传热是一个在高温下极其 复杂的物理过程，直接测量结晶器内钢水温度分布非常困难，因而利用数值模拟对 结晶器的温度场进行研究，定量地了解结晶器内流动传热特征是一种行之有效地研 究方法，在三维流场数值模拟走向成熟的同时，对传热过程的数值计算成为该领域 的重点和难斛1 5 】。因此，结晶器内的温度场引起了许多学者的关注。并且关于结晶 器内连铸坯凝固传热的数值模拟已有许多报道。 1 9 6 7 年，m i z i k a r 首次建立了沿窄面方向的一维热传导方程，模拟中对流传热 用增大导热系数的方法来记入，忽略了流场的作用，这种有效导热系数的方法由于 控制方程中忽略了对流项，液相区和液固两相区存在的对流传热用人为的增大导热 系数进行计算，并将各处的导热系数取为同一常数或者分段常数，精度比较差1 5 ”。 6 l 文献综述 文光华、李刚等1 1 7 】采用数值模拟法分别对板坯、薄板坯连铸结晶器内的钢液流 动和热量传输过程进行了研究，分析了拉速、水口出口角度、水口出口面积比、插 入深度等参数对结晶器内温度场的影响。 s 删i bc h a k f a b o r t y 掣2 7 】采用商业软件p h o e n i c s 对浸入式水口偏离中心时结晶 器内的流动和热传递情况进行了研究。结果表明：离水口较近的结晶器窄面比另一 面要承受更高的速度和温度。h u a i i gx 和n o m 猫b 利用商业软件f i d a p 研究了板 坯中三维湍流流动和热量传输问题。得到了比较符合实验数据的结果并把结果应用 在温度场的非耦合求解。 总之，有关板坯连铸结晶器内温度场的研究结果总结如下： l 水口出来的射流温度最高，射流方向的温度梯度最大； 2 在射流与结晶器窄面的撞击点处热流密度达到最大； 总之，钢水流动速度和过热度的增大或是减小，都会导致坯壳生长的不均匀 性，为了保证坯壳的均匀生长，要保证流股合理的冲击压力和冲击深度，它取决于 水口结构和使用参数。 1 3 流场和温度场的模拟研究方法 结晶器内基本的物理现象是钢液的流动和凝固坯壳的生成，各种冶金过程都是 在流动的钢液中进行的。有统计表明将近8 0 的铸坯表面缺陷都起源于结晶器。因 此，要充分发挥结晶器的冶金功能，提高铸坯的质量，研究结晶器内的钢液流动现 象是获得高质量铸坯的基础。在高温下，直接测量和观察结晶器内钢液的流动状 态，不仅在测量技术方面有难度，而且研究费用也是非常高的，直接获得实际结晶 器内钢液流场和温度场的信息是相当困难的。 研究流场常用的方法有三种i 冽：示踪法、模拟法( 也称仿真) 。 示踪法是在浇注过程中把放射性同位素加入钢液并浸入结晶器，由于强制对流 作用，同位素带入液相穴内，铸坯凝固后取下试片，做自射线照相，可区分液相穴 内的强制对流区、自然对流区和停滞区。 所谓模拟是指利用与研究对象或是过程相似的模型来进行研究的方法。人们通 常采用模拟的方法对结晶器内钢液的流动和热量传递进行研究。模拟手段可分为数 学模拟和物理模拟。数学模拟是指运用数学方法正确描述流体的流动与传质等现 象，建立数学模型，通过模拟来使现象或是过程再现，计算机技术的广泛应用使之 得到迅速的发展。 7 河北理工大学硕十学位论文 1 物理模型方法 物理模拟遵循的就是相似原理、以模型与原型之间的物理相似或是几何相似为 基础、用模型来模拟原型物理现象的一种模拟方法。把模拟系统转换成实际系统， 就必须保持两个系统能够满足一定相似性，这些相似是： 几何相似：几何相似考虑的是模型和原型的主要尺寸的相似，模型和原型中各 对应长度之比为一定常数，该常数称为比例因子。 运动相似：模型和原型中运动状况相似。 动力相似：动力学相似也就是系统内力的相似，模型和原型中各对应力相似。 热相似：模型和原型中各对应处由各种传热方式引起的传热速率成一定比例， 如果再加上几何相似和运动相似，则模型和原型中的温度场就相似。 其实物理模型也就是通过物理模型，借助于必要的测试手段对所研究体系的过 程进行观察和显示，分析其现象对物理特性、线性尺度的影响。这种研究方法可以 对许多过程进行直接模拟，并能得到过程中各种变量的连续分布信息，对现有过程 进行诊断、优化装置设计、改善操作等。该方法具有迅速、廉价、灵活、直观并易 于理解的优点，这些都是物理实验所不能比及的。在研究冶金容器内流体的流动现 象时，普遍采用水模型来模拟钢液的流动，对结晶器内流体流动现象进行研究，具 有直观、可动态实时地进行控制测量等优点，水模型试验是进行浸入式水口结构研 究的有效手段，国外薄板坯连铸技术较发达国家均采用此方法进行研究【5 3 。5 6 l 但是还 存在一些不足i 期，如：受模型及水的物性限制，水模拟不能准确模拟高温下流体的 运动特征；钢水在结晶器内的流动过程中，同时受到冷却作用，温度是不均匀分布 的，而水模型很难模拟出温度差对流动的作用；水模拟也不能定量分析问题。因此 全面地考察结晶器内钢液的流动有必要建立数学模型，对结晶器内流场特征进行模 拟研究。 2 数学模型方法 近年来，随着计算机技术和数值计算技术的不断发展，数学模拟在结晶器流场 方面的应用日益广泛。对于结晶器内的流场，大多数研究者都采用k - e 双方程来描 述结晶器和浸入式水口内的流动状态，且随着数模理论和计算机技术的发展，数学 模拟的计算精度逐步提高，其研究在冶金容器中的流动过程方面将越来越发挥重要 的作用。 8 l 文献综述 计算机模拟仿真作为一种参数优化的有效工具，在冶金中的应用已越来越广 泛，并得到了广大科技工作者的认同。许多人采用各种数值模拟方法对高炉炉体结 构设计、冷却设备改进、连铸工艺等方面进行了研究。 目前应用最多的计算机软件有：s i m p l e ( s e m ii i i l p l i c i t m e t h o df o rp f e s s u r e 1 i n k e de q u a t i o n s ) 程序、商业化软件p h o e n i c s3 3 ，3 4 、商业化软件c f x 。商业 化软件f l u e n t 等。大量的工作人员应用不同的软件进行了计算机模拟研究。如： 北京科技大学的包燕平，张涛等人利用流场计算软件c f x 4 3 ，建立了一个三维有限 差分模型，模拟了结晶器内钢液的流场和流动分布。研究了浸入式水口、拉速等工 艺参数对结晶器流场的影响。重庆大学的马范军等人利用p h o e n i c s 建立一个三维 有限差分模型，对板坯连铸结晶器内钢液流动进行了数值模拟等，并取得了较显著 的成果。 由于数学模拟不直接使用物理实体，只需考虑输入、输出变量，通过数学模型 与计算机便可方便地进行，因而，数学模拟已被人们广泛采用。 数学模拟具有一系列优点： 可以大幅度地改变各种参数地取值范围，对新工艺与新设备地设计是非常理想 的。可以使新设计的效果与优缺点在实施之前充分预演，从而可扬长避短，获得最 理想的方案。 给定一批原始数据后，数学模拟所进行的一次计算就相当于物理模拟中的一次 试验。因丽，数学模拟可使试验时间大为缩短，人力、物力大为节省。 工程问题的数学模拟必须具有能够正确描述其物理本质的数学模型。因此，建 立与选取能真实反映连续铸钢过程且具有足够计算精度的数学模型，是连续铸钢过 程数学模型的关键。 1 4 数值模拟在连铸中的应用 1 4 1 计算流体力学综述 流动现象广泛地存在于冶金过程中，流动常常耦合传热、传质、化学反应、相 变、电磁力、气泡流动等诸多过程形成更复杂的自然现象。金属的流动状态直接决 定产品的质量和产量。冶会工业的许多技术革新都是围绕改善装置内的流动状况而 展开的。例如，转炉顶、底吹及复合吹炼，钢包喷气搅拌及r h 真空循环脱气等。掌 握流体流动规律是改善产品质量、提高冶炼效率的重要环节。 河北理工丈学硕士学位论文 计算流体力学数值研究大体上沿两个方向发展：一个是简单得几何外形下，通 过数值方法来发现一些基本得物理规律和现象，或者发展更好的计算方法；另一个 则为解决工程实际需要，直接通过数值模拟进行预测，为工程设计提供依据。作为 数值方法，计算流体力学不可避免的要采用一些近似处理方法。计算流体力学中有 两类近似：一是基于流动的物理现象对n s 方程地简化；另一类是对方程的离散及 采用的解法技巧。相应地，其误差来源也就这三个方面，即：物理近似；数值离散 近似；代数方程迭代求解近似。从目前情况看，己采用的物理近似有： 1 无粘流； 2 边界层近似； 3 抛物化的n s 方程( 尽管抛物化后的方程，可象初值问题那样，沿主流方向 推进，但流向的压力梯度仍使问题为椭圆形) ； 4 薄粘性层近似： 5 完整n s 方程： 6 多重域处理( 即根据流动区域中不同子区域流动物理规律特点的不同，分别 采用前述的物理近似，各域的界面则同过迭代收敛确定) 【2 9 】。 计算方法根据不同的标准有不同的划分，如根据离散方程的体系可分为差分 法、有限元法、边界元法、涡方法等。数值方法中应用最广泛的是差分法。计算技 术主要由两部分组成：方程的离散及离散方程的求解【3 0 1 。解的精度取决于前者，而 求解的效率则取决于两者。将计算流体力学的方法应用到计算科学的其他领域中， 有助于实现与其他学科的交叉与融合，为科学的发展提供新的思路【3 2 1 。计算流体力 学仍处在不断的发展之中，新的方法和技术不断涌现。 1 4 2 计算流体力学在连铸中的应用 流动现象广泛地存在于钢的冶炼过程中，流动常常耦合传热、传质、化学反 应、相变、电磁力、气泡流动等诸多过程，形成更复杂的自然现象。由于种种的原 因，传统的模型试验和现场实测都不能保证数据的准确性。然而，由于计算机和数 值计算技术的不断发展，利用计算机对实际过程进行数值模拟，即“数值实验”的 计算流体力学方法迅速发展起来。通过数值解析可以把握设备内过程机理，对现有 过程进行珍断，优化装置设计及改善操作【l 。数学模型得开发和应用源于6 0 年代 末，但只是在近些年，随着计算机硬件能力和软件技术地飞速发展，模型方程得解 】0 l 文献综述 算问题才得到了更好地解决【5 3 1 ，其在冶金过程研究中地重要性不断增加，应用范围 不断扩大。 随着对连铸坯质量要求的日益提高，严格控制钢液的洁净度已经成为连铸生产 中最重要的问题之一。结晶器是连铸机的主要构件，结晶器冶金是去除夹杂物、提 高钢液洁净度、改善钢材质量的最后机会。结晶器内的钢液流动方式、流场分靠对 夹杂物的运动和去除有很大的影响，而夹杂物的去除效果将直接影响到钢的洁净度 和质量。此外，结晶器内流场特征一方面对防止结晶器保护渣卷入钢液有很大影 响，另一方面对初期凝固坯壳的均匀形成、防止射流冲刷局部的凝固坯壳，造成拉 漏或产生铸坯表面裂纹有较大影响。因此深入了解、控制结晶器内钢液的流动，研 究不同操作条件下结晶器内流场的特征对指导连铸生产是十分必要的。 在连铸生产过程中，结晶器的功能是： 1 高效率的传热器，把钢水热量迅速传给冷却水； 2 钢水凝固成型器，把钢水凝固成所规定的形状； 3 钢水净化器，结晶器内液体钢水中的非金属夹杂物充分上浮被保护渣吸收， 进一步净化钢液； 4 铸坯表面质量控制器，结晶器内钢水一渣相一铜板一凝固坯壳之间的相互作 用是一个复杂的动态过程，相互之间合理参数的配合，对铸坯表面质量有决定性的 影响。上述四个作用控制的好，基本能保证连铸机的高效率和良好的铸坯表面质 量。 随着计算机的发展和数值计算技术的不断成熟，利用计算机对实际过程进行数 学模拟的计算流体力学方法迅速发展起来。这种研究方法可以对许多过程进行直接 模拟，并能得到过程中各种变量的连续分布信息，对现有过程进行诊断、优化装置 设计、改善操作等。该方法具有迅速、廉价、灵活、直观并易于理解的优点，这些 都是物理实验所不能比及的。为此有必要建立数学模型，对结晶器内流场特征进行 模拟研究。 随着电子技术的发展，计算机的广泛应用，到近几十年来，人们已经不再满足 单一的物理模拟，用计算机对物理过程进行数值模拟是近年来发展起来的新兴研究 手段，在连铸过程模拟中也得到了广泛的应用。 数值模拟是根据计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简写为 c f d ) ，利用连续方程和动量方程等微分方程，进行一定的假设，给出足够的初始 河北理_ 大学硕士学位论文 条件和边界条件，应用计算机和特定的软件，对微分方程进行时间和空间离散，并 通过一定数量的迭代计算来逼近一个精确的近似解。 冶金中的计算流体力学的应用开始于7 0 年代中期，广泛应用开始于8 0 年代中 期，随着计算机软件的开发和硬件的不断发展、计算理论的不断完善及相关的基本 现象的不断深入研究，现在已经能对各种冶金反应器内的传输现象进行描述。正是 因为它的发展，数学模型的研究彳- 得已不断深入。日前冶金生产以求低成本、系统 优化、新产品、高质量、高效率为目标，计算流体力学的应用起着重要的作用。 近年来，国际冶金界对冶金过程的c f d 应用研究很重视，研究者们通过商业软 件包对炼铁、炼钢、精炼、连铸等各过程开展了大量的研究【5 4 l ，并应用数值模拟仿 真的基本原理、区域离散化方法、求解技术等，根据结合冶金过程的一些特点来模 拟冶金过程中的一些现象【5 5 】。为了改善钢液在结晶器内的流动，形成具有良好表面 和内部质量的铸坯、促进钢中非金属夹杂物的上浮、均匀钢液温度和化学成分，确 定合理流场所对应的水口结构，和插入的深度等参数，为实际生产中能获得有高质 量的铸坯提供依据1 5 “。 1 4 - 3 数值模拟在板坯连铸中的应用 随着数值模拟技术的不断发展，人们可以对钢铁工业中从冶炼到加工的各个工 艺过程进行计算机过程模拟、系统优化、自动控制和监测。生产前用计算机对生产 过程、工艺参数及生产结果进行模拟和对整个系统进行优化，可以实现生产的超前 规划和设计。这样也就伟钢铁工业的技术进步提供了新的可能。 高新技术对钢铁工业的促进，使钢铁工业从最初的技艺进一步走向科学化。钢 铁工业是一种多工序流程工业，它包括从原料准备到冶炼直至最后轧制成材的数十 道工序。由于冶炼、轧制等工序对最终产品的质量起着决定性的作用，因此越来越 多的人采用数值模拟方法对冶金、轧钢等工艺过程进行研究数值模拟技术在我国钢 铁工业中的应用现状与展望【3 6 l 。 连铸过程使包含流动、传质、传热等复杂现象的液态金属凝固成形的过程，流 动、传质、传热过程交互作用，相互影响，采用实物研究非常困难，几乎是不可行 的。因此，广大科技工作者进行了大量的模拟研究。连铸结晶器内钢液流动符合湍 流的主要特征，即随机性、有旋性、扩散性、三维性和耗散性，因而属于湍流流 动。因此结晶器内钢液流动行为数值模拟也就是模拟和求解湍流模型。 目前采用的主要方法包括： 1 2 1 文献综述 1 水力学模型试验法，如结晶器流场、中间包流场、大包流场的水力学模拟； 2 低熔点合金模拟法，如电磁制动，电磁软接触等； 3 计算机仿真试验法，如凝固过程传热及应力仿真，液芯压下过程的仿真等。 由于数学模拟不直接使用物理实体，只需考虑输入、输出变量，通过数学模型 与计算机便可方便地进行，因而，数学模拟已被人们广泛采用。 数学模拟具有一系列优点： 可以大幅度地改变各种参数地取值范围，对新工艺与新设备地设计是非常理想 的。可以使新设计的效果与优缺点在实施之前充分预演，从而可扬长避短，获得最 理想的方案。 给定一批原始数据后，数学模拟所进行的一次计算就相当于物理模拟中的一次 试验。因而，数学模拟可使试验时间大为缩短，人力、物力大为节省。 工程问题的数学模拟必须具有能够正确描述其物理本质的数学模型。因此，建 立与选取能真实反映连续铸钢过程且具有足够计算精度的数学模型，是连续铸钢过 程数学模型的关键【3 ”。 数学模拟应用于流场和温度场，由于结晶器内紊流流动模型比较成熟。自己编 制程序或者使用商业化计算软件都可以比较好地帮助我们解决研究或工艺实际中的 具体问题。凝固壳分布是研究温度场的主要目的。三维的流场和温度场耦合模型能 够真实地反映物理现象，但是计算成本很高，程序编制复杂度高，工业实际中难以应 用。半耦合法解流场合温度场可以得到比较满意的结果，在发展结晶器在线专家系统 等方面有比较实际的应用前景，是有效快速地解决手段。 在连铸过程中，钢液在结晶器内的行为对铸坯品质有决定性的影响。通常情况 下，钢液从中间包经过浸入式水口进入结晶器，在结晶器内完成初始凝固过程，形 成具有一定厚度的凝固壳。由于进入结晶器的高温钢液具有较大的能动，所以对卷 渣、凝固传热、结晶器内的温度场分布、凝固壳厚度分布都有重要影响，从而最终 影响到连铸坯的品质。 连铸过程中，当拉坯速度稳定后，在欧拉坐标系中，结晶器内流场可近似认为 是稳态流动；所以通常认为流动为限定空间内高r e 数稳念湍流流动，并且在流动域 有明显的回流现象。在流体力学上可将钢液当作不可压缩的牛顿流体的流动。 用数值模拟的方法对连铸结晶器内钢液的流动和传热过程进行研究是近年来该 学科发展的前沿领域，其重要目的是掌握结晶器内钢液流动的特点和凝固壳分布情 1 3 河北理工大学硕士学位论文 况，为工业生产控制、结晶器设计提供可靠的理论依据；在三维流场数值模拟走向 成熟的同时，对传热过程的数值计算仍然是该领域的重点和难点。 异形坯连铸结晶器流场的研究，异型坯结晶器不同于其他方、圆、矩形结晶 器，它的形状特异，该结晶器的流场较其他规则结晶器流场复杂f 3 8 】。针对异形坯结 晶器内流体的流动特征，根据湍流理论建立了描述异形坯结晶器内三维流动的数学 模型并进行了相应的软件开发，考察了水口结构及工艺参数对结晶器内流动的影 响。除垂直于对称面的速度分量设为零外，所有物理量沿结晶器出口和对称面的法 线方向的梯度为零。 在连铸生产中，板坯连铸因具有产量高、操作成本低等特点，已成为一种成熟 的工艺应用于许多炼钢车间。但随着连铸机生产率的提高，铸坯品种的扩大，对铸 坯的质量要求也就更加严格。如何提高钢水的洁净度，严格控制成份已成为连铸生 产中最关心的问题之一，而结晶器是控制钢水洁净度的最后环节，因此研究结晶器 内钢液的流动特征已引起了人们的高度重视刚。 其计算步骤主要分为3 部分，即前处理( p r e 巾m c e s s i n g ) 、求解( s o i v e r ) 和后 处理( p o s t - p r o c e s s i n g ) 。其基本运算流程如图l 所示。 i 堡皇! ! 堡竖堂i 口由 匝匹西至口e 叠蓝盈 盔生卜 n _ 后处理 图1 计算步骤流程图 f 蟾1 f l a wp m s sc h a no fc a l c u l a t i 伽p 砌) e d 哦 结晶器是连铸机的核心部件，也是钢水凝固全过程的第一个区域，钢水的小部 分热量从钢水弯月面垂直向上辐射及垂直传导到铸坯的下部，而绝大部分的热量是 从铸坯表面通过结晶器壁水平的传导给结晶器的冷却水l 帅。 为了模拟钢水在结晶器中的行为，曾经建立了板坯的凝固传热数学模型，定量 分析了工艺参数对结晶器内钢水凝固的影响。其建立数学模型的流程是：对研究对 象的假设、建立凝固传热微分方程、定解条件( 初始条件和边界条件) 、数学模型 的数值求解、计算结果与分析。 1 4 1 文献综述 关于结晶器内连铸坯凝固传热和凝固坯壳应力的