（钢铁冶金专业论文）板坯结晶器内偏流及夹杂物去除的数值模拟.pdf

上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：塑竺鲨茎导师签名： n 上海大学工学硕士学位论文 板坯结晶器内偏流及 夹杂物去除的数值模拟 姓名：刘太楷 导师：邓康教授 学科专业：钢铁冶金 上海大学材料科学与工程学院 2 0 10 年5 月 上海大学硕士学位论文 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t yf o r t h ed e g r e e o fm a s t e ri ne n g i n e e r i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o no n u n - - s y m m e t r i c f l o wa n di n c l u s i o n r e m o v a li nc o n t i n u o u s c a s t i n g m o u l do fs l a b m d c a n d i d a t e ：l i ut a i k a i s u p e r v i s o r ：p r o f d e n gk a n g m a j o r ：f e r r o u sm e t a l l u r g y s c h o o lo fm a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s h a n g h a iu n i v e r s i t y s h a n g h a i ，p r c h i n a m a y , 2 0 1 0 位论文 摘要 随着高效连铸技术发展，板坯连铸结晶器内钢液流动行为变得更加复杂。拉 速增大时，由于注入结晶器内的钢液流量增加，浸入式水口钢液的出流流速显著 提高，导致其冲击深度增加，夹杂物颗粒很难上浮至钢渣界面，若控制不当会造 成卷渣，其中被钢液卷到结晶器深处的小粒径夹杂物易被初始凝固坯壳所捕获， 形成皮下夹杂等铸造缺陷。如何优化和控制结晶器内钢水的流动，保证连铸坯质 量，成为实现高速连铸的核心问题。本文从控制连铸坯质量出发，对“水口滑板 对板坯连铸结晶器内流场及夹杂物去除行为的影响”、“板坯连铸结晶器偏流下磁 场对流场影响的模拟分析”两个相互关联的工程问题进行数值仿真，以期为优化 结晶器内流场和连铸工艺，以及提高铸坯质量提供参考。 板坯连铸中，在水口滑板控流条件下，结晶器内夹杂物去除及钢液流动是非 常复杂的问题，目前关于滑板控流试验研究较少，电磁制动下滑板控流的研究更 是少之又少。本文通过数值仿真模拟研究在一定拉速下，板坯连铸结晶器内滑板 控流，以及与之相耦合的电磁制动作用下的钢液流动及夹杂物去除行为。文中采 用g a m b i t 进行前处理，用f l u e n t 进行数值模拟，然后采用f l u e n t 及 t e c p l o t 进行后处理。通过u d f 加入磁场，用随机游走模型跟踪夹杂物粒子 的运动轨迹，并最后统计夹杂物的去向( 被捕捉或逃逸、去除) 。计算结果表明， 在一定拉速条件下，未施加磁场且滑板不全开启时，水口内钢液呈明显偏流，在 滑板下方区域中有回流区，水口的出流呈旋转状流态。随钢液进入结晶器的夹杂 物颗粒的去除率( 上浮率) 随其粒径增大而升高。本文模拟显示，在滑板开启率 8 0 时，非金属夹杂物颗粒的去除率最高。同时，施加电磁制动静磁场( o 3 t ) 后，结晶器内钢液流态发生明显改变，液流的流态改善，对结晶器窄面的冲击强 度降低，浸入上升回流的流量增加。 关键词：连铸，结晶器，偏流，数值模拟，电磁制动。 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g he f f e c t i v ec o n t i n u o u sc a s t i n ga n da p p l i c a t i o no f s l i d eg a t ec o n t r o l l i n g ，t h el i q u i ds t e e l ，i nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gm o l d ，f l o w e dm o r e c o m p l i c a t e d l y w i t hah i g hc a s t i n gv e l o c i t y , i nt h em o l d ，t h ef l o wm a g n i t u d ep e ru n i t t i m ei n c r e a s e d a n df o rt h i sr e a s o n ，t h ev e l o c i t yo fl i q u i ds t e e li n c r e a s e dm a r k e d l ya t t h eo u t l e to fs e n ，a n dt h ei m p a c td e p t hi n c r e a s e dt o o t h ei n c l u s i o np a r t i c l ec o u l db e r e m o v e dh a r d l yb ys t e e l d r e gi n t e r f a c ew h e ni tw a si n j e c t e di nt h em o l d i tw o u l d m a k eas l a ge n t r a p m e n tw i t hu n f i tc o n t r o l l i n g t ob es t r u c kd e e p l yi nt h em o l d ，t h e f i n ep a r t i c l e sw o u l df l o a tu p w a r dd i f f i c u l t l ya n dt h e ya r et r a p p e de a s i l yb yt h e s o l i d i f y i n gs h e l l t h i sc a nb ec a u s e dt of o r mt h ed e f e c t si nt h es l a b h o wt oc o n t r o l a n do p t i m i z et h ef l o wo fl i q u i ds t e e li nt h em o l df o rk e e p i n gag o o dq u a l i t yo fc a s t ，i t w a so n eo ft h em a i np r o b l e m sf o ri m p l e m e n t i n gh i g hs p e e dc o n t i n u o u sc a s t i n g a tt h e p o i n to fc o n t r o l l i n gt h eq u a l i t yo fc a s t ，t h i sp a p e rc a r r i e do u ts i m u l a t i o no nt h et w o b a s i cp r o b l e m s ：i n f l u e n c eo fs l i d eg a t eo nm e t a lf l o wa n di n c l u s i o nr e m o v a li n c o n t i n u o u sc a s t i n go fs l a b & s i m u l a t i o na n da n a l y s i sa b o u tl i q u i ds t e e lf l o ww i t h e m b ra n di n c l i n e df l o wi ns c c ，i no r d e rt oh e l po p t i m i z et h ep r o c e s s e so ff l o wi n m o l da n dc a s tq u a l i t y , a n dt h e ng i v er e f e r e n c e i nt h es c cp r o c e s s e s ，w i t hs l i dc o n t r o l l i n g ，t h el i q u i ds t e e lf l o wa n di n c l u s i o n r e m o v a li nm o l dw e r ev e r yc o m p l i c a t e dp r o b l e m s a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h es t u d ya b o u t s l i dc o n t r o l l i n gi sf e w , a n di ti sf e w e rw i t he m b r i nt h i sw o r k , w i t had e f i n i t ev e l o c i t y , t h ep a r a m e t e r so fl i q u i ds t e e lw a su s e dt oc a r r yo u tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u t i n f l u e n c e so fs l i dc o n t r o la n dc o u p l i n gt h ee m b ro nl i q u i ds t e e lf l o wa n di n c l u s i o n r e m o v a li nt h em o l do fs c c d i dp r e t r e a t m e n tw i t hg a m b i t , c a r r i e do u ts i m u l a t i o n b yf l u e n t , a n dc o m p l e t e dt h ep o s tt r e a t m e n tt h r o u g hf l u e n t & t e c p l o t a d d e dm a g n e t i cf i e l dt ob o u n d a r yc o n d i t i o n si nt h ef o r mo fu d f , a n dd e t e c t e d i n c l u s i o nt r a c ew i t hr a n d o mw a l km o d e l ( r w m ) ，a n df i n a l l y , g a t h e r e dt h e i n f o r m a t i o no fi n c l u s i o n ( t r a p e s c a p e ) t h er e s u l t ss h o w ：u n d e rad e f i n i t es p e e d ， w i t h o u tm a g n e t i cf i e l d ，w h e nt h es l i d eg a t eo p e n e dp a r t i a l l y , t h em o l t e ns t e e lf l o wi n 上海大学硕士学位论文 t h en o z z l ep r e s e n t e dah i g he x c u r s i o n ，ac i r c u m f l u e n c ew a sf o r m e du n d e rt h es l i d e g a t e ，a n dt h em o l t e ns t e e lf l o ww a sr o t a r ya tt h eo u t p o r to f t h en o z z l e t h ei n c l u s i o n r e m o v a l ( f l o a tu p w a r d ) i n c r e a s e dw i t ht h ea u g m e n t a t i o no fp a r t i c l ed i a m e t e r t h e s e s i m u l a t i o nd i s p l a y e d ，t h er e m o v a lo fn o n m e t a li n c l u s i o nw a sb e s tw h e nt h eo p e nr a t e o fs l i d eg a t ew a s8 0 w i t hm a g n e t i cf i e l d ( 0 3 t ) ，f l o wp a a e mi nt h em o l dc o u l db e c h a n g e dm a r k e d l y a n dt h el i q u i df l o wp a a e mw a si m p r o v e d f o rt h i sr e a s o n ，t h el i q u i df l o w a t t a c k e dn a r r o ww a l lm o r el i g h t l y , a n dm o r el i q u i df l o wi n t ou p w a r dc i r c u l a t i o n k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ，m o u l d ，u n - s y m m e t r i cf l o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， e l e c t r o m a g n e t i cb r a k i n g 卜海大学硕十学位论文 摘要 目录 a b s t r a c t 目录 第一章绪论。 i 。 1 1 连铸技术发展概况。1 1 1 1 连铸技术简史及发展趋势1 1 1 2 连铸结晶器冶金技术2 1 2 板坯连铸结晶器数值模拟进展4 1 2 1 数值模拟基本概念4 1 2 2 板坯连铸结晶器数值模拟研究进展5 1 2 2 1 拉速对结晶器流场的影响5 1 2 2 2 水口对板坯连铸结晶器流场的影响7 1 2 2 3 电磁制动在对板坯连铸结晶中的应用1 0 1 3 板坯连铸结晶器内夹杂物运动的数值模拟1 2 1 3 1 央杂物种类及来源1 2 1 3 2 夹杂物的运动行为1 3 1 3 3 央杂物去除的数值模拟研究状况1 4 1 4 课题意义及研究内容1 5 1 4 1 课题意义1 5 1 4 2 研究内容1 6 1 4 3 研究方案1 6 第二章流场数值模拟的基本方法和软件1 7 2 1 流场计算的基本控制方程1 7 2 1 1 连续性方程1 7 2 1 2 动量方程1 8 2 2 标准 0 吧湍流模型2 2 2 3 离散相模型( d p m ) 2 4 2 4 数值计算方法2 6 2 4 1 有限体积法。2 6 2 4 2 二阶迎风差分格式( q u l c k 格式) 2 6 2 4 3 压力耦合方程的半隐计算格式( s i m p l e 算法) 2 8 2 5 基本假设2 9 2 6 边界条件2 9 上海大学硕士学位论文 2 6 边界条件2 9 2 7 计算参数3 0 2 8f l u e n t 软件的结构及解算过程3 0 第三章模拟结果与分析。3 2 3 1 拉速对板坯连铸结晶器内流态的影响3 2 3 1 1 计算条件3 2 3 1 2 拉速对近液面处流速分布的影响3 3 3 1 3 拉速对水口出流分布的影响3 4 3 1 4 拉速对结晶器内流态的影响3 7 3 1 5 拉速对热流冲击范围的影响。3 8 3 1 6 小结3 9 3 2 滑板控流对结晶器内流场及夹杂物去除的影响4 0 3 2 1 计算条件4 0 3 2 2 滑板开启率对水口出流的影响4 0 3 2 3 滑板开启率对结晶器内液流的影响4 2 3 2 4 滑板开启率对夹杂物去除的影响4 4 3 2 5 小结4 6 3 3 电磁制动对结晶器偏流的影响4 6 3 3 1 计算条件4 6 3 3 2 静磁场对结晶器内流场的影响4 7 3 3 3 小结4 9 第四章结论与展望5 0 j 1 5 【谢5 6 v 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 连铸技术发展概况 1 1 1 连铸技术简史及发展趋势 高温钢水连续不断地浇注到强冷铜模里，待钢水凝固成具有一定厚度的坯壳 后，从铜模的另一端拉出，这样铸坯就会连续不断地从铜模内拉出，这种高温钢 水直接浇注成钢坯的工艺叫“连续铸钢”i lj 。它是连接炼钢和轧钢的中间环节，是炼 钢厂( 或车间) 的重要组成部分。连铸生产的基本流程为钢包精炼_ 中间包冶金 ( 控流、除渣) _ 结晶器初始凝固一二次冷却_ 拉坯矫直一铸坯切割一辊道输送 - 推钢机_ 成品铸坯。连铸技术为车间生产的连续化、自动化和信息技术的应用， 以及为大幅度改善环境和提高产品质量提供了条件【2 】。 连续铸钢技术的发展大致可以分为四个阶段【3 】： 第一阶段：1 8 4 0 _ 1 9 3 0 年为连续铸钢技术的启蒙阶段，表现为美国人s e l l e r s 取得了第一个连续铸铅的专利( 1 8 4 0 年) 。 第二阶段：1 9 4 0 1 9 4 9 年为连续铸造特征技术的开发阶段，表现为j u n g h a n s 在德国建立了第一台浇注钢液的试验连铸机( 1 9 4 3 年) ，并提出了振动水冷结晶 器、侵入式水口和结晶器保护剂等技术，为大规模钢铁生产奠定了基础。 第三阶段：1 9 5 0 - - 1 9 7 6 年为传统连铸技术发展的成熟阶段，表现为技术及 应用飞速发展，先后出现5 0 0 0 多个相关专利，包括钢包转台、中间包塞棒控流、 电磁搅拌等重大技术发明。 第四阶段：1 9 8 0 年至今为连铸技术优化发展阶段，表现为钢铁生产中连铸 比持续上升，浇注品种增多，拉坯速度增大，生产成本降低，产品质量提高。 今天，连铸技术已成为现代冶金工业的重要环节，先进产钢国家的连铸比已 经达到9 5 以上。我国在8 0 年代后进入连铸技术发展的新时期，先后从国外引 进并资助开发了批先进的连铸设备，其工艺水平已经达到世界中上水平1 4 j 。 现代连铸技术以其高生产速率、高能量利用率、高产品质量和高材料收得率 上海大学硕士学位论文 而被冶金工业所关注。多年来，与连铸技术和产品相关的基础、应用研究和开发 工作一直受到国内外研究和工程专家的重视，各国都在此方面投以巨资来开展工 作。这些研究和开发工作不断推动连铸技术和产品质量的发展。另一方面，现代 工业的发展和市场需求的变化，对连铸技术和铸坯质量均提出更高的要求，如更 高的生产效率、能量利用率、多钢种小批量生产，以及更高的表面质量、凝固组 织、成分均匀性和物理力学性能等；同时，低碳经济的世界潮流也对连铸工艺提 出低能耗、高效率和高质量的紧迫要求，连铸技术必须通过提高连铸钢种的数量 和质量 6 】、提高自动化控制水平【7 】等来与之对应。 1 1 2 连铸结晶器冶金技术 结晶器是连铸机的心脏。在连铸中，结晶器是钢水成为产品的最后一道工序 ( 图1 1 【8 】) ，其功能包括：( 1 ) 冷却，把钢水热量迅速地传给冷却水；( 2 ) 凝固， 把钢水表层凝固成特定的形状；( 3 ) 净化，使结晶器内钢水中的非金属夹杂物充 分上浮并被保护渣吸收；( 4 ) 铸坯表层质量控制，降低卷渣、气孔、裂纹等的出 现几率【9 】。为此，结晶器内钢水流动的理想状态为：不使结晶器液面的保护渣被 卷入钢液内部；注流穿透深度应有利于夹杂物上浮；钢流不对凝同壳产生强烈冲 刷作用1 9 】。由此，结晶器内金属流场的研究一直受到冶金界的高度重视。 图1 1 结晶器流场示意图 2 卜海大学硕士学位论文 钢液在结晶器内流动是一个复杂的湍流过程，其主要特点是不规则性、有旋 性、三维性、扩散性和耗散性【协1 1 】。这使结晶器内流态具有不稳定性。目前，国 内外有学者已经认识到结晶器内钢液非稳定流动的重要性，许多研究工作者已经 开始了相关方面的研究，如r a m o s b a n d e r a s 1 2 】等用数学模型和水模型观察 和分析了结晶器内流动的非稳态过程( 图1 - 2 ) ：t a k a t a n i 【13 j 用非稳态数学模型分 析了稳定操作情况下金属液面的波动行为及其特征；h o n e y a n d s t i a l 用水模型试验 观察了薄板坯在结晶器内的流动现象，其发现薄板坯结晶器内液面波动相当强 烈；g u p t a t b 】用水模型实验证实了结晶器水口两侧的流动，包括液面波动，即使 在稳定的工况下往往也是不对称的，在大部分时间内一侧比另一侧强烈。这些研 究结果表明，连铸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 等，其直接影响铸坯质量。连铸中，结晶器内不合理的流态将导致自由液面流速 过大、弯月而波动加剧、卷渣、鼓肚等缺陷，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、产生拉漏等事故，而结晶器内流态由结晶器的形状尺 寸、浇注系统参数、拉速、过热度等所决定【l6 1 。由此可见，合理的浇注系统和工 艺是改善结晶器内钢液流动状态、降低产品缺陷、减少夹杂、提高产品质量的重 要手段。因此，结晶器内流态特征和水口结构对流场影响的研究受到广泛重视。 瑚4 6 0 0 禽0 0q 0 0o2 4 6 0 0冀0 l i9 0 0 ( a )( b ) 图l - 2 拉速为0 0 1 3 m s 时，( a ) 浇注后第2 4 s 时的示踪粒子质量 分数数值模拟结果；( b ) 相同时间的实测结果( 单位r a m ) 3 o 獬 m 啪 啪 渤 枷 啪 啪 i 1 i 上海大学硕士学位论文 1 2 板坯连铸结晶器数值模拟进展 1 2 1 数值模拟基本概念 数值模拟作为一项方便快捷低成本的研究手段，能大量地节省实验能耗、成 本、时间，对由数学模型表达的过程和现象，可明显改善研究工作环境，降低安 全事故发生率。 冶金过程数值模拟是基于流体力学、传热学、冶金反应工程学和磁流体力学 原理，用数值方法求解质量、动量、能量及组分守恒的偏微分方程组，通过分析 预报流动和传热的细节，给出整个过程和现象中物理量的时空分布，从而对冶金 过程进行分析和评估【l7 1 。近年来，随着算法和计算机的飞速发展，各种各样的商 业软件不断涌现( 如f l u e n t 、p h o e n i c s 、c f x 、f o l t r o n 、s t a r t c d 、c a l c o s o f t 、 f i d a p 、p r o c a s t 、c o m s o l 等) ，在工程领域形成了许多计算机辅助技术( 如c a d 、 c a e 、c a t 和c a m 等) ，这使研究者能方便快捷地进行对数值模拟条件和结果 的调整和分析，为冶金过程模拟和优化提供了强有力的支持。 冶金中的计算流体力学应用始于7 0 年代。1 9 7 3 年s z e k e l y 和a s a i 1 8 】率先将 单方程紊流模型和s p l a d i n g 的离散化方法应用于结晶器内钢液的流动，编制程序 模拟了方坯结晶器中二维情况下的流动现象。1 9 7 4 年k u b oi 和g o u l d i nfc t l 9 】 使用k - - e 双方程模型较合理地解决了轴对称不可压缩湍流流场的数值计算问 题。此后，结晶器流场的数值模拟方法逐渐增多，但主要可以分两个方向，一是 针对所要研究的问题特点自编程序求解，如h o 等【2 0 】通过自编软件研究了板坯连 铸结晶器s e n 旋转出口的钢液流动；另一个是利用商业软件对问题进行求解， 如y o k o y a 等1 2 l j 研究了连铸中浸入式水口旋转出流特征。目前所实验的计算软件 尽管侧重点各异，但工作思路基本一致( 如图1 3 ) ，均为：( 1 ) 明确研究目标， 简化次要因素；( 2 ) 建立数学模型，划分网格；( 3 ) 确定求解方法和条件( 边界 条件的设置和计算条件的设置) ；( 4 ) 求解；( 5 ) 计算收敛后，输出结果，进行 后处理( 即处理和分析输出的结果) ；( 6 ) 得出结论。 4 上海大学硕士学位论文 图1 3 数值模拟工作流程 1 2 2 板坯连铸结晶器数值模拟研究进展 对于结晶器内流场行为的研究，目前主要有物理模拟和数值模拟等方法。 物理模拟是通过物理模型并实施必要的测试手段，对所研究体系进行实时观 察和测量。物理模型是建立在相似原理基础之上，利用物理模型与原型之间几何、 运动、动力等方面的相似性，研究流场的实际特征。研究人员不仅可以克服流场 实时测量的困难，还可以了解结晶器内流场的特征，为数学模型的验证及边界条 件的简化提供必要的支持例。 数值模拟可以快速、准确地对连铸结晶器内钢液流动和传热进行解析，从而 成为优化结晶器内流场的主要手段。数值仿真计算时，通常假定结晶器的钢液流 动为稳态流动，结晶器内钢液流动具有对称性，且考虑计算成本问题，一般只计 算结晶器的1 4 或者1 2 。 根据引起结晶器流场改变的因素，将板坯连铸结晶器流场数值模拟的工作分 为三类：拉速对结晶器流场的影响、控流滑板部分开启对结晶器流场的影响以及 电磁制动对结晶器流场的影响。 1 2 2 1 拉速对结晶器流场的影响 拉速的改变，必然导致结晶器流场的变化。孙于萍等【2 4 1 通过数值模拟研究了 不同拉速下，板坯连铸结晶器流场的变化，流场的特征表现为：拉速增大时，出 1 2 1 附近的水平流股更加集中，速度更大，因而对夹杂物的行为和凝固传热产生一 定的影响。随着拉坯速度的增大，结晶器内钢液的流速也随之增大，使夹杂物的 5 上海大学硕士学位论文 上浮更加困难；同时射流对窄面的冲击增强，从而减缓了凝固坯壳的生长速度； 另外拉坯速度增加时，浸入式水口钢液出口速度增加，流量增加，对上部钢液抽 引力较大，因而向上回流的速度增大( 图1 - 4 ) 。这样对液面的冲击增强，从而导 致液面的波动，易于造成保护渣的卷入和钢液面的裸露 苣 鼍 馘 期 镒 霹 图l - 4 拉速对向上流股速度影响 贾凌峰等 2 5 , 2 6 】研究表明，钢液面的湍动能随着拉速的增大而明显增大，湍动 能最大值均出现在靠近结晶器窄边区域。因为当拉速增大时，水口的出口钢流量 增大，动能增大，从而增大向上流股对液面的扰动。因此在高拉速条件下，结晶 器液而会变得不稳定，更容易产生过大的液面速度而导致液面保护渣的覆盖不 均匀。 包燕平等2 7 1 通过水模型和数值模拟研究得出：( 1 ) 在拉速较低时，上回流涡 心位置靠近水口，冲击流股在到达结晶器窄边之前分散。而当拉速增大时，上回 流涡心位置逐渐向窄边移动，且流股不易分散，导致冲击力明显增大，流股在冲 击到窄边后，一部分上升成回流，一部分下旋成下回流：( 2 ) 随着拉速的增大， 下回流漩涡区增大，速度增加；( 3 ) 拉速增大时，靠近窄边处，上升流股和下降 流股速度均增大。不利于出生坯壳的凝固和生长，结晶器上部液位差增大，易发 生卷渣。 曹娜等【2 8 】用v o f 法研究了高拉速下板坯连铸结晶器内钢渣界面行为，结果 认为：提高拉速能明显加剧钢渣界面的波动幅度；增大结晶器宽度对降低弯月面 处液面的最大波高作用不明显：增加水口浸入深度和向下的张角能有效抑制钢渣 界面波动，降低卷渣几率。 6 上海大学硕士学位论文 1 2 2 2 水i s l 对板坯连铸结晶器流场的影响 水口是连接中间包和结晶器的通道，水口形状和尺寸的变化会引起钢液出流 速度和角度的变化，从而导致结晶器流场发生改变。合理的水口形状和尺寸应能 有效减小射流对结晶器窄面的冲击、改善结晶器流场。水口形状的变化主要有水 口底端开口方式的变化、水口出口形状的变化、出口尺寸的变化以、水口出口角 度的变化，以及加入控流滑板等。 朱苗勇等口9 1 通过水模型试验和数值模拟研究了不同水口底部形状( 图1 5 ) 对结晶器流场温度场的影响，研究结果表明，不同水口形状下，结晶器流场和温 度场明显不同；水口底部形状能明显影响凝壳的厚度，当采用叉型水口时，凝壳 厚度非常不均匀。 n nc b f n 凸凸凸 口口口 图1 - 5 水口截面图：( a ) 平叉形；( b ) 喇叭形；( c ) 鼻形：( d ) 又形； c h a u d h a r y 等【3 0 】通过水模拟和数值模拟研究了板坯连铸结晶器中不同底端的 水口( 图1 6 ) 条件下的瞬态流，结果表明：凹型水口出流股较粗，向下偏转较 陡，耗散更快，和凸型相比，其湍动能好湍动能耗散率均较大；凸型水口出流股 较细，流速较大，在近窄面处流股较平缓，对窄边冲击较大，波动较小，在较短 的时间内其不对称性更明显。 ( a ) ( b ) 图1 - 6 不同底端水口：( a ) l 堕l 型；( b ) 凸型 马范军等t 3 1 1 研究了出1 ：3 倾角为向下1 3 0 、1 5 0 1 8 。和2 1 。时，结晶器液面紊 7 n 归 眦 一 恻厶 n m 仝肖 上海大学硕士学位论文 动能的变化，结果表明：向下倾斜角度越大，结晶器液而紊动能越小，且最大值 在液面靠近窄边区域。因为当下倾角度增大时，流股从水口冲出后向下偏移，对 窄边的冲击点下移，在碰到窄边后反弹向上部分的流股动能减弱，对液面的冲击 减弱，使得液面紊动能减少，液面波动减小；同时下倾角度越大，流股碰到窄边 前经历的距离越长，水口出口冲击压力衰减越多，冲击深度越深。 水口出1 3 角度的变化，会明显改变结晶器流场和温度场，包燕平等【3 2 】采用数 值模拟研究了浸入式水1 3 的三个出口倾角( 分别向下倾斜1 0o 、2 0o 、3 0o ) 、插入 深度等工艺参数对板坯连铸结晶器流场的影响。结果表明，倾角的变化直接影响 到水口出口流股对结晶器窄边的冲击点的位置的变化。向下倾角越大，冲击点的 位置越靠下，冲击深度越大，涡心位置也随之下移，且偏向结晶器窄边，这对初 生坯壳的生长不利。但随着向下倾角的增大，对液面的平稳是有利的。 水口出口面积的改变会对水口出流股形状和速度产生明显影响。h o n e y a n d s 等【3 3 】研究了浸入式水口侧孔面积与侧孔有效利用率的关系。在浸入式水1 3 截面积 相同的情况下，随侧孔面积的增加，侧孑l 流股的平均速度减少。这表明水口截面 积和侧孔总面积是相关因素。如浸入式水口的侧孔截面积大，则易引起结晶器内 钢液在水口出口的上部产生回流；射流出口平均速度随侧孔面积的增大而减少； 左右侧孔射流对称性不佳，可导致浸入式水口侧孔大小对液面产生影响：孔径过 大，水口两侧钢液流量易失去平衡；减少孔径，会使流场的不均匀得以改善，此 时会增加钢流侧出口阻力，导致水口内钢水静压头增加，迫使两侧孔钢流更趋于 平衡。但孔径过小，钢流的冲击深度增大，对夹杂颗粒去除不利。 此外水口出口形状的不同，所产生的出流股也会有不同。浸入式水口的侧孔 形状一般有长方形、正方形、圆形和椭圆形等四种，其对结晶器流场影响不大， 但对流股的速度和散射度有一定的影响。1 9 8 5 年m a c p h e r s o n 等【3 4 j 用1 ：l 水模型 试验研究了浸入式水口的最优化结构，并得出结论：出口面积相同时，方形侧孑l 的流股喷出速度比圆形侧孔大，流股冲击深度也大，氢气气泡的冲击深度较大， 但散射程度小，流股对结晶器窄边的冲刷小，利于坯壳均匀生长；椭圆形侧孔与 圆形侧孑l 相比，椭圆形侧孔出口的顶部存在倒吸，水流不稳定。 近年来，连铸工艺在浸入式水口的基础上，引入控流滑板以实现精确控流， 减少安全事故。控流滑板使钢液在水口内的流动发生偏转回旋，经水口出口流出 8 上海大学硕士学位论文 后仍保留了部分旋转特性。t h o m a s 的水模型试验和数值模拟试验均表明，滑动 控流板( 图1 7 ) 的引入，会使钢液出流具有明显的旋转特性【8 1 ( 图1 8 ) 。 图卜7 引入滑动控流板的s e n ( i ， 彻 图1 - 8s e n 出口的旋转特性：( a ) p i v 试验结果：( b ) 数值模拟结果 另外，t h o m a s 等【3 5 1 用数值模拟研究了滑板控流+ 吹气工艺，并根据不同角 度安排滑板位置，使钢液流经滑板后，在水口内形成完全不同的旋转特性流动。 实验结果显示，滑板在0 0 度位置时( 图1 9 ) ，水口左右出口不对称性最大，左 右两边质流相差最大( 一边小于4 0 ，一边大于6 0 ) ；当滑板在9 0 0 位置( 图 l - 9 ) 的时候，水口出流钢液具有最大的旋转特性，沿滑板开启方向的对称性很 差，且钢液对结晶器宽面冲刷较大，由于流股的旋转分散，流股对窄面的冲击有 所减小。 9 上海大学硕士学位论文 藿 重 l 厂锄n = 碚世厂) ， p 、 k j ( 三) ，j r 一并z 彩卜 制 l 殄爿氟7 嵫、 ? 网7 0 0 4 5 。 9 0 * 图1 - 9 水口控流滑板( 顶视图) l 。2 2 3 电磁制动在对板坯连铸结晶中的应用 藿 善 冶金中的电磁技术涉及到磁流体力学等多门学科。磁流体力学( m h d ) 研 究导电流体( 熔融金属、半凝固金属) 在电磁场作用下的运动规律，其借助电磁 感应将能量无接触地转换成导电流体的动能和热能【36 。电磁技术在连铸中的主要 应用有电磁搅拌( e m s ) ，软接触凝固，电磁制动( e m b r ) ，以及日本钢管公司开 发的e m l a ( 对低拉速时的电磁液面加速) 和e m l s ( 对高拉速时的电磁液面稳 定) 等技术【37 1 。这里，结晶器电磁制动是基于外加恒定磁场形成阻滞导电流体流 动和抑制其湍流的反向电磁力，以平稳和均衡钢液运动的控流技术1 3 列( 图1 1 0 ) 。 图1 - 1 0e m b r 结果不慈图 这里，在结晶器的水口出口区域施加恒定磁场，使钢液流经该区产生感应电 流和大小与流速有关的反向电磁力，导致钢液减速与降低对结晶器的冲击，同时 促进钢液中夹杂物的上浮，降低钢液液面的流速和波动。 ( 1 ) 电磁制动的工作原理 电磁制动过程中，流动的钢液在外加静磁场的作用下产生感应电流，电流与 磁场相互作用而产生电磁力【3 9 1 ： f = j x b o( 1 1 ) 根据磁流体力学，感应电流计算方程为： j 2 6 ( e + u x b o ) 庐一v 咖 1 0 ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 上海大学硕士学位论文 v j = 0( 1 4 ) 将( 1 2 ) 式和( 1 3 ) 式代入( 1 4 ) 可得到关于电位的泊松方程： v 2 咖= x 7 ( u x b o ) ( 1 5 ) 其中，为钢液收到的电磁力，n ；- ，为感应电流密度，a m 2 ；b 口为磁感应强度， t ；为钢液流动速度，m s ；t y 为钢液电导率，s m ；西为感应电位，v ；e 为电 场强度，v m 。 在数值模拟中，式( 1 5 ) 中既包含了未知的流体速度u ，又包含了未知的电 位西，也就是说流体流速将影响感应电位分布，而电位分布又对感应电流密度 有影响，感应电流密度则通过电磁力反过来对流场发生作用，所以在数值模拟迭 代求解的时候，需要将电位方程( 式( 1 - 5 ) ) 与流场方程耦合求解。具体的解法为： ( a ) 求解流场计算方程组得到初始的速度场u 的分布；( b ) 将u 代入方程式 l - 5 ，求得电位西；( c ) 由式( 1 2 ) 、( 1 3 ) 得到钢液中的感应电流密度j ；( d ) 将，代入式( 1 1 ) ，得到电磁力f ；( e ) 将电磁力作为源项加入到动量方程中， 返回步骤a ，得到修正的速度场u 分布；( f ) 反复迭代运算，直到最后收敛为止， 最后得到电磁力的分布【4 0 1 。 ( 2 ) 电磁制动在板坯连铸结晶器流场数值模拟中的应用状况 随着连铸拉速的提高，结晶器内浸入式水口钢液出流的动能也在不断增大。 对于板坯连铸，伴随而来的问题是：熔钢对结晶器窄面铸坯凝壳的冲击加剧，使 原本就很薄弱的坯壳更易因重熔而发生断裂，增大了拉漏的危险。钢液中夹带的 气泡和非金属夹杂物也因浸入深度的增加深入到铸坯的液相穴深处，不易上浮和 去除。同时，钢液流股冲击窄面后形成的上返流对液面区域的冲击也更强烈，引 起结晶器内钢液弯月面的波动加剧，卷渣造成的铸坯表面缺陷大大增加【4 1 1 。因此， 作为稳定结晶器内钢液流动的有效手段，电磁制动已越来越受到薄板坯连铸等生 产企业的重视。日本川崎钢铁公司已经将流动控制结晶器( f c m o l d ) 弓l 入千叶钢 厂3 号连铸机和水岛钢厂4 号连铸机上进行了工业生产，改善了最终产品的表面 和内部质量，提高了产品的产量和质且【4 2 1 。 徐愧儒，刘光穆等f 4 3 1 通过数值模拟研究了电磁制动对c s p 结晶器内坯壳冲 击和弯月面温度的影响，结果指出：电磁制动使钢水注流对结晶器窄边( 最大) 冲 击位置上升，上升流冲刷强度下降，下降流冲刷强度下降，有利于避免铸坯初凝 上海大学硕士学位论文 壳被钢水热流重熔，减少铸坯横裂等缺陷。电磁制动使弯月面钢液温度上升，这 有利于结晶器内钢水表面的化渣。电磁制动使结晶器内钢液热流密度标准偏差明 显减少，即其离散度明显减少。 陈芝会，雷洪等【删通过数值模拟研究了电磁制动下结晶器内流体流动行为， 结果表明：应用电磁制动使结晶器内的流场有很大的改变。随着磁感应强度的增 加，水口出流对窄面的冲击逐渐减弱，且冲击窄面的角度逐渐向上倾斜，流股向 下冲击深度也逐渐被减小，有利于夹杂物的上浮分离，并且减小了下降流股的流 动速度，下部回流涡心逐渐向上、且向水口中心方向移动，使下循环流区域减小。 当磁感应强度为0 5t 时，结晶器内的整个流场被很强地抑制，且下回流区消失。 l i 和t s u k i h a s h i 4 5 j 通过数值模拟研究了电磁制动对薄板坯连铸结晶器内 涡流的影响，结果表明：磁场的加入能大大的削弱涡流，但不能完全消除；随着 磁场强度的增加，表面流速度明显下降，液面波高明显减小；涡流引起近水口处 的异常流明显减小；垂直速度明显减小，并形成活塞流。 k i m 等【4 6 】数值模拟研究了电磁制动对板坯连铸结晶器内流场和温度场的影 响，结论表明：电磁制动使用，使得窄面上过热的传递减少、自由液面和大部分 结晶器内壁温度上升、凝壳附近温度梯度增加。 c u k i e r s k i 和t h o m a s 3 9 】通过数值模拟研究了圆形磁场对板坯连铸结晶 器流场的影响，结论提出：磁场强度的增加，会使射流冲击更深，射流角度更陡， 同时也使射流更容易耗散；会使上循环流扩大