（材料加工工程专业论文）薄板坯结晶器内钢液流场和温度场的数值模拟.pdf

河北科技大学学位论文原创性声明 4 3 9 1 1 2 眦y 171 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：方f 报够 蝣岁月巧日 一么乃 加d 年j 月哆日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 目坏保密。 ( 请在以上方框内打“”) 一繇钙一岛易 乃咖年岁月刁日锄o 年 s a 叼日 l 摘要 摘要 结晶器是连铸机的心脏，是连铸机最关键部分之一，是控制钢液洁净度的最后 环节，在控制铸坯质量方面起着极其重要的作用。结晶器内钢液的流动特性直接关 系着结晶器内的钢液传热、保护渣熔化和夹杂物上浮等，与铸坯裂纹、皱皮、偏析 等表面或内部缺陷的形成有着密切的关系。因此，对结晶器内钢液流场和温度场进 行研究十分必要。 本文以邯钢c s p 薄板坯连铸机结晶器内钢液为研究对象，在参考了大量相关文献 资料的基础上，利用工厂实际生产工艺参数，建立薄板坯连铸结晶器流场和温度场 的三维模型，给出了结晶器内钢液流场和温度场数值模拟的控制方程、初始条件、 边界条件及所需的热物性参数。利用p r o c a s t 软件对采用两种典型浸入式水口对应 的漏斗型结晶器内钢液的流动与传热状况进行了数值模拟。数值模拟结果和邯钢的 水模实验数据相吻合，验证了所建立模型的正确性。 根据已经验证的模型，模拟计算了两种典型水口( 牛鼻子型水1 ：3 、双侧孔型水1 2 1 ) 在不同的生产工艺参数( 拉坯速度、水1 ：3 的导流槽角度及插入深度) 条件下，结晶器内 钢液流场和温度场的分布情况。分析模拟结果，得到了各生产工艺参数对结晶器流 场和温度场的影响规律。 研究表明：1 ) 双侧孔型水口效果优于牛鼻子型水口；2 ) 在较小范围内，拉坯速 度对结晶器内流场状态影响不明显；3 ) 牛鼻子型水i s 导流槽角度在1 0 0 。和1 1 0 。之间 较为合理，双侧孔型水口导流槽角度1 1 0 。时较为合理，但是推荐用双侧孔型水口； 4 、随着插入深度的增加，钢液流股冲击深度增加，拉坯速度为4 m m i n 时，水口插 入深度1 5 0 m m 较为适宜。 研究结果对指导实际生产提供了参考依据，对浸入式水口结构的设计和优化也 具有重要的指导意义。 关键词漏斗型结晶器；浸入式水口；流场；温度场；数值模拟 河北科技大学硕十学位论文 a b s t r a c t m o l di sn o to n l yt h eh e a r to fc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n eb u ta l s ot h el a s tl i n ko f c o n t r o l l i n gt h ec l e a n l i n e s so fs t e e ll i q u i d i tp l a y sa l li n d i s p e n s a b l er o l ei ni m p r o v i n gs l a b q u a l i t y t h ef l u i df l o wi nt h em o l dh a sag r e a ti n f l u e n c eo nh e a tt r a n s f e ra n di n c l u s i o n s f l o a t a t i o n ，i ta l s oh a ss o m e t h i n gw i t hm a n ys u r f a c ea n di n t e r n a lq u a l i t yp r o b l e m ss u c ha s c r a c k ，c o c k l ea n ds e g r e g a t i o n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ef l u i df l o wa n dh e a t t r a n s f e ro fl i q u i ds t e e li nt h em o l d a c c o r d i n gt o a c t u a lc i r c u m s t a n c eo fc s pi nh a n d a ni r o na n ds t e e lc o m p a n y ， m a k i n gu s eo fs o m es c e n et e c h n o l o g yp a r a m e t e ra n dr e f e r r i n gal o to fd o c u m e n td a t a ，a t h r e e - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo ff l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e rh a sb e e nd e v e l o p e d g o v e r n i n ge q u a t i o n ，i n i t i a lc o n d i t i o n ，b o u n d a r yc o n d i t i o na n dt h eb a s i cm e c h a n i c s p a r a m e t e r sw e r ea s c e r t a i n e d t h e ns i m u l a t et h ep r o c e s so ff l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e r w i t ht w ok i n d so fs e n s e p a r a t e l yi nu s i n go fp r o c a s ts o f t w a r e t h er e s u l t so ff l o wf i e l d a n d t e m p e r a t u r e f i e l d i m a g e s w e r eo b t a i n e d w es u m m a r i z e dt h e i rd i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sw e l lf i tt ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n l i t e r a t u r e sa n dt h es i t e ，w h i c hp r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h ef l u i df l o wa n dh e a t t r a n s f e ri nt h em o l di ss i m u l a t e di nt h ec i r c u m s t a n c eo f d i f f e r e n ti nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，c a s t i n gs p e e d ，f l o w g u i d i n gs l o t a n g l ea n ds u b m e r g e d e p t h ，w i t hu s i n gt w ok i n d so fs e ns e p a r a t e l y t h i sr e s e a r c hs h o w s1 ) t h eb i l a t e r a lo u t l e ti sb e t t e rt h a nt h eo x - n o i s eo u t l e ti n a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s 2 ) i nas m a l ls c o p e ，f i e l dc o n s t i t u t i o ni sn o ta f f e c tb ys p e e d o b v i o u s l y 3 、i ti sr e a s o n a b l ew h e nt h ef l o w - g u i d i n gs l o ta n g l eb e t w e e n1 0 0 。a n d11 0 。t o o x - n o s eo u t l e ta n da b o u t11 0 。t ot h eb i l a t e r a lo u t l e t 4 ) d e p t ho fm o l t e ns t e e lf l o ws h o c ki s m o r ed e e p e rw i t ht h es u b m e r g ed e p t ha d d e d ，t h er e a s o n a b l ed e p t hi s1 5 0 m mw h e nt h e s p e e di s4 m m i n a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，i tp r o v i d e sn o to n l yt h er e f e r e n c et ot h ea c t u a lp r o d u c t i o n ， b u ta l s ot h e o r ya n dd a t at oo p t i m i z es e n d e s i g n k e yw o r d sf u n n e ls h a p em o l d ；s e n ；f l u i df i e l d ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i l 1 3 薄板坯结晶器内温度场和流场研究现状6 1 4 本文研究的主要内容及意义”8 第2 章结晶器内钢液流动凝固过程分析9 2 1 钢液凝固传热分析“9 2 1 1 热量基本理论9 2 1 2 钢液凝固传热1 0 2 2 钢液流动分析1 4 2 3 冶金过程传输现象的数学描述1 6 2 3 1 湍流流动的数学描述1 6 2 3 2 湍流模型1 7 2 3 3冶金传输过程的基本方程1 9 2 4 本章小结2 0 第3 章薄板坯温度场和流场模型的建立2 1 3 1模型简化假设条件及模型坐标系2 1 3 1 1 模型简化假设条件”2 1 3 1 2 模型坐标系2 1 3 2 薄板坯凝固传热及流动方程2 2 3 2 1 凝固传热方程- 2 2 3 2 2 钢液流动方程2 2 3 3 模拟的初始条件和边界条件2 3 3 3 1 初始条件2 3 3 3 2 边界条件2 3 1 1 1 河北科技大学硕士学位论文 3 4 邯钢c s p 薄板坯连铸连轧工艺及相关参数2 5 3 4 1 邯钢c s p 生产线工艺流程2 5 3 4 2 邯钢c s p 生产工艺参数2 5 3 5模型计算中热物性参数的确定2 8 3 5 1 液相线温度和固相线温度2 8 3 5 2 导热系数”2 8 3 5 3 比热”2 8 3 5 4 过热度2 9 3 5 5密度：3 0 3 5 6 粘度3 0 3 5 7固相率3 0 3 6 数值模拟计算3 0 3 6 1 传热分析模块3 1 3 6 2 流体分析模块3 1 3 6 3 模拟计算3 1 3 7 本章小结3 1 第4 章模拟计算结果及分析”3 3 4 1 模型验证3 3 4 2 水口结构形状对流场和温度场的影响3 4 4 3 拉坯速度对流场和温度场的影响3 6 4 3 1 拉坯速度对流场的影响3 6 4 3 2 拉坯速度对温度场的影响3 9 4 4 导流槽角度对流场和温度场的影响4 0 4 4 1 导流槽角度对流场的影响”4 0 4 4 2 导流槽角度对温度场的影响4 3 4 5 插入深度对流场和温度场的影响4 4 4 6 本章小结4 7 结论4 8 参考文献4 9 致谢5 3 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1薄板坯连铸连轧技术发展 1 1 1国外薄板坯连铸连轧技术的发展 2 0 世纪8 0 年代末，薄板坯连铸连轧这种全新的短流程工艺开发成功，这是继转 炉炼钢技术、连续铸钢技术之后钢铁工业取得的重大的进步，在世界范围内引起了 冶金界的注意。 作为近终型生产工艺，薄板坯连铸生产工艺与普通板坯连铸工艺相比，具有以 下特点【1 卅： 1 ) 生产线缩短，工艺简化。薄板坯连铸连轧工艺省去了粗轧和部分精轧流程， 一般生产线长度仅2 0 0 余米。这样就使投资成本降低，施工周期缩短，可以较快的产 生效益。 2 、生产周期缩短。从冶炼钢液至热轧板卷输出，仅需1 5 h ，生产周期大大缩短。 3 1 降低能耗，节省资源。薄板坯连铸连轧生产工艺的板坯是在高温状态 ( 9 0 0 1 0 0 0 。c 左右) 直接入炉，升温范围小，因此燃料消耗比常规热连轧约降低5 0 。 1 9 8 5 年，德国西马克公司开始开发紧凑式热带生产技术( c o m p a c ts t r i p p r o d u c t i o n ，简称c s p ) ，并于1 9 8 9 年在美国克劳福兹维尔钢厂建设了世界第一条c s p 薄板连铸连轧生产线，后又相续在黑克曼、希尔沙、韩宝以及中国的珠钢、邯钢、 包钢、马钢等建成了多条生产线。 与传统板坯相比，薄板连铸连轧生产工艺具有明显的技术优势，这使得其在世 界范围内迅速推广。目前薄板坯连铸连轧技术，除西马克开发的c s p p 、，还有德国德 马克( 后并入西马克) 的i s p ( i n l i n es t r i pp r o d u c t i o n ) 技术、日本住友的q s p ( q u a l i t ys t r i p p r o d u c t i o n ) 、意大利达涅利的f t s r ( f l e x i b l et h i ns l a br o l l i n gq u a l i t y ) 矛d 奥地利奥钢联 的c o n r o l l 技术等1 5 8 1 。 第一代薄板坯连铸连轧技术以电炉流程为基础，主要用来生产普通钢牌号热轧 板，多采用单流配置，板坯厚度一般在4 0 5 0 m m ，年产量为8 0 1 0 0 万吨，- 代表工厂 有克劳福兹维尔厂、黑克曼厂、阿维迪厂和中国的珠江钢厂。 2 0 世纪9 0 年代末，第二代薄板坯连铸连轧技术在多条生产线上应用，与上一代 技术工艺相比，第二代连铸连轧生产工艺开始注重连铸机与热连轧机产能的匹配， 注重高附加值产品的开发，具有以下突出特点： 1 ) 铸坯厚度增厚到7 0 9 0 m m ，连铸机冶金长度增加； 2 1 拉速提高，连铸机通钢量一般达到3 3 3 7 t m i r a 河北科技大学硕士学位论文 3 ) 普遍采用了液芯压下、电磁制动、漏钢预报等连铸新技术； 4 ) 隧道炉长度延长到2 5 0 m 左右； 5 ) 连轧机多采用f 6 7 或r 1 2 + f 5 6 ，采用半无头轧制、超薄规格轧制新技术， 厚度s 2 o m m 的产品比例扩大，部分实现了以热代冷；采用大功率电机，进行了铁素 体轧制。 6 ) 年产量扩大：单流年生产能力1 2 0 1 5 0 万吨，双流达至u 2 0 0 2 5 0 万吨。 目前，全世界己建成和在建的薄板坯连铸连轧生产线达5 0 多套，全部投产后年生产 能力超9 0 0 0 多万吨。预计2 0 1 0 年，世界薄板坯连铸连轧生产线的热轧钢板产量将占 全部热轧钢板产量的5 0 。表1 1 为国外薄板连铸连轧技术近期发展；图1 - 1 为不同薄 板坯连铸连轧工艺生产线产能比重。 表1 1国外薄板坯连铸连轧技术的近期发展 t a b 1 - 1r e c e n td e v e l o p m e n to ft h i ns l a bc o n t i n u o u sc a s t i n ga n dr o l li no t h e rc o u n t r i e s 序流带钢轧机产量投产 国家 工厂 机型板坯厚度x 宽度 号 数厚度架数 ( 万“a ) 时间 1美国s e v e r c o r rc s p 7 0 5 0 x 9 0 0 1 8 8 0 l1 4 1 2 771 3 62 0 0 7 1 1 0 9 0 和 2俄罗斯o m kf r s r11 2 一1 2 7 2 + 5 ( 6 ) 1 2 02 0 0 7 9 0 7 0 x 8 0 0 1 8 0 0 9 0 7 0 和 3土耳其m m k a t ka sf i s r21 0 _ 2 02 + 42 3 02 0 0 8 7 0 5 0 8 0 0 1 5 7 0 1 0 5 8 5 和 4韩国 东部f t s r 2 2 5 02 0 0 9 9 0 7 0 x 9 0 0 - 16 5 0 5印度b h u s h a nc s p 6 0 5 0 ( 4 8 ) x 8 0 0 1 3 0 0 21 52 0 0 9 6印度e s s a rc s p2 0 0 9 7印度搿】并c s p 2 0 1 0 8印度b o k a r o未定9 0 7 0 和7 0 5 0 x 1 6 8 02 9 t r i n i d a e s c l c s p2 0 1 0 近几年，西马克德马克的c s p 工艺和达涅利的f t s r 工艺发展迅速，而其他工 艺则发展缓慢。 1 1 2国内薄板坯连铸连轧技术的发展 2 0 世纪8 0 年代中后期，国内开始对薄板坯连铸连轧技术进行研究开发。1 9 9 8 年， 随着广州珠江钢铁集团第一条c s p 生产线建成投产，我国的薄板坯连铸连轧技术进入 飞速发展时期，目前我国是世界上采用薄板坯连铸连轧工艺生产热轧钢板最多的国 2 通钢、济钢、酒钢、唐山国丰和武钢1 3 家钢铁企业1 4 条薄板坯连铸连轧线投产，年一 生产能力约为3 5 0 0 万吨。今后的5 年内，我国的薄板坯连铸连轧生产线可能达到1 5 条， 生产能力将突破4 0 0 0 万吨，占世界的近3 0 ，为世界第一位。 经过十几年生产实践经验积累与技术攻关，我国钢铁企业已经全面掌握了薄板 一 坯连铸连轧工艺技术，成为薄板坯连铸连轧工艺生产水平最高的国家之一。表1 - 2 为 我国1 4 条薄板坯连铸连轧生产线的主要工艺参数和产能。 1 2薄板坯连铸结晶器和浸入式水口 1 2 1 薄板坯连铸结晶器 结晶器按铸坯断面形状可分为方坯、板坯、矩形坯、圆坯和异型坯结晶器，按 线形可分为直形结晶器和弧形结晶器。结晶器的主要作用是： 1 、在尽可能高的拉坯速度下，保证结晶器出口铸坯能形成足够厚度的坯壳，以 抵抗钢液静压力而不至于拉漏； 2 1 能保证结晶器内的坯壳厚度均匀稳定地生长； 3 1 结晶器内钢液渣相铜板之间的相互作用，对铸坯的表面质量有决定 性的影响。连铸坯大多数表面缺陷都是在结晶器里形成，并在二冷区扩张，进而影 响钢板质量。 薄板坯连铸结晶器空间狭小，为了确保结晶器内能够容下浸入式水口，且不产 生搭桥现象，不同薄板连铸坯生产工艺采用了不同的变截面结晶器，主要有以下几 种： 1 河北科技大学硕士学位论文 表1 2 我国薄板连铸连轧生产线工艺参数和产能 t a b 1 2t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ra n dc a p a c i t yo ft h i ns l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gl i n ei no u rc o u n t r y 序流带钢最小产量投产 工厂 机型板坯厚度宽度轧机 号数厚度( 万t a )时间 1珠钢c s p6 0 4 5 1 0 0 0 1 3 8 021 251 8 01 9 9 8 8 2邯钢c s p 9 0 6 0 x 9 0 0 1 6 8 0 2 1 2 7 2 4 71 9 9 9 9 3包钢c s p9 0 5 0 x 9 8 0 1 5 6 021 262 0 02 0 0 1 8 4唐钢雕r 9 0 7 0 x 1 2 3 5 1 6 0 0 2 0 8 7 2 5 02 0 0 2 1 2 5马钢c s p9 0 5 0 x 9 0 0 1 6 0 021 072 0 02 0 0 3 9 6 涟钢c s p1 ) o 巧5 x 9 0 0 - 1 6 0 021 072 2 02 0 0 4 1 ，3 7鞍钢a s p 1 3 5 1 0 0 9 0 0 1 5 5 0 2 1 572 5 0 2 0 0 0 7 8鞍钢a s p1 7 0 1 3 5 x 9 0 0 1 5 5 0 4 1 575 0 02 0 0 5 9本钢f t s r 8 5 7 0 x 8 5 0 1 6 0 520 8 7 2 8 02 0 0 4 1 l 1 0通钢邢r9 0 7 0 x 9 0 0 - 1 5 6 021 o7 2 5 02 0 0 5 1 2 1 1 酒钢c s p7 0 5 0 x 8 5 0 - 1 6 8 021 562 0 02 0 0 5 5 1 2济钢 a s p1 5 0 1 3 5 9 0 0 一1 5 5 0 21 27 2 5 02 0 0 6 1 1 1 3唐山国丰z s p1 7 0 1 3 0 x 8 0 0 1 3 0 021 272 0 02 0 0 6 1 1 4武铡c s p9 0 5 0 9 0 0 16 0 02o 872 5 32 0 0 8 1 2 1 1 漏斗型结晶器 漏斗型结晶器是西马克公司开发的一种变截面结晶器1 9 j ，应用在c s p 连铸机上， 如图1 2 所示。该种结晶器两侧上口宽边有一平行段，中间由圆弧连接，入口最大宽 度为2 1 0 m m ，漏斗形状在结晶器内保持到8 5 0 m m ，结晶器出口处铸坯宽度9 0 0 - - 1 6 0 0 m m ，厚度5 0 - - 一9 0 m m 。这种设计增大入口处容积，两宽面板间形成了一个垂直 方向带锥度的空间，满足了浸入式水口的伸入、保护渣溶化和薄板坯厚度的要求， 经在多条生产线上使用，均收到较好的效果。 1 2 1 2 凸透镜型结晶器 凸透镜型结晶器是达涅利公司开发的f t s r 工艺用结晶器，如图1 3 所示。该结 晶器长1 2 0 0 m m ，宽度为1 2 2 0 - 一1 6 2 0 m m ，厚度为5 5 m m 、6 0 m m 、6 5 m m 、7 0 m m 。 主要特点是其鼓肚形状贯穿整个铜板，并一直延续到扇形i 段中部。为将铸坯鼓肚 形状辗平，在结晶器出口处，特别设计了一组带孔型的辊子，这样对铸坯鼓肚进行 矫平的设备长度比仅用连铸机结晶器时长了两倍，也就使坯壳上所受的应力大大降 低了。这种形状的结晶器另外一个好处是内部容积更大，结晶器内钢液容量在相同 铸坯厚度时，比其它类型多6 0 ，因此在通过钢液流量相同条件下钢液流速会明显 4 第1 章绪论 减少，或者说钢液有自然减速效应。此外，结晶器上部尺寸加大，给水口的设计留 下更大的空间，保证了结晶器液面稳定，改善保护渣的工作条件。 图1 2c s p 漏斗型结晶器 f i g 1 2 c s pc u n n e lt y p em o l d 1 2 1 3 平行板型结晶器 图i - 3 凸透镜型结晶器 f i g 1 3 c o n v e xt y p em o l d 平行板型结晶器是德马克公司开发i s p 工艺结晶器。该种结晶器为立弯式，上 部是垂直段，下部是弧形段，侧板可调，断面矩形尺寸为( 6 0 8 0 ) m m x ( 6 5 0 1 3 3 0 ) m m 。采用薄片形浸入式水口，其壁厚仅有1 0 m m ，最大通钢量是2 t m i n ，受到了 限制，并且水口寿命低。1 9 9 3 年，阿维迪( a r v e d i ) 厂改进该结晶器，重新设计入口断 面形状，将平行板型扩展为入口宽边最大厚度为6 0 + ( 1 0 x 2 ) m m 的小鼓肚，并逐渐扩 大为6 0 + ( 2 5 x 2 ) m m ，这种形状一直延伸到结晶器出口仍有( 1 5 x 2 ) m m 的小鼓肚。并 且薄片型水口壁增至2 0 m m ，提高了使用寿命。水口壁两侧的间隙大大增加，改善了 保护层的状况，薄板坯表面质量也有了很大改进。 1 2 2 浸入式水口 浸入式水口简称为s e n ，浇注时，将水口浸入到结晶器内的钢液面下，可以防 止钢液的二次氧化。 s e n 主要要求： 1 1 保护钢流、防止钢液二次氧化的功能； 2 ) 改变注流在结晶器内的流动状态，分散注流带入的热量，以利于坯壳均匀生 长【1 0 , 1 1 】： 3 ) 减小注流冲击深度，促进夹杂物在结晶器内上浮，净化钢液； 4 ) 防止冲刷凝固壳造成漏钢和拉裂。 因此，优化设计s e n t l 2 】，改善结晶器内的流场和温度场，已成为当前冶金领域 的研究热点之一。 气 河北科技大学硕士学位论文 钢， 浸入式水口和结晶器是一个整体，不同类型薄板连铸坯工艺所采用的结晶器不 浸入式水口s e n 也不相同。 c s p 漏斗型结晶器的上口开口度保证了长水口有足够的伸入空间，为使用厚壁长 提供了有利条件。长水口外部形状决定了钢液在结晶器内上部流动通道：而内 状，特别是出口形状则决定了钢液流态和注入时的动能分布。图1 4 、图1 5 为c s p 两种浸入式水口。 平行板型结晶器采用薄片型浸入式水口，薄片型浸入式水口外形宽度2 5 0 m m ， c o n r o l l 型薄片型浸入式水口和i s p 型薄片型浸入式水口。c o n r o l l 工艺 的浸入式长水口从薄片的两侧壁开孔出钢。i s p 工艺的薄片型长水口则从下口出 下口总厚度仅3 0 - - 3 5 m m ，其中水口通道厚度是1 0 , - 一1 5 m m 、水口壁厚1 0 m m 。 早期薄片形水口使用寿命较低，随着i s p 工艺对其平行板型结晶器改进，现在使 用的薄片形浸入式水口壁厚已增至2 0 m m ，出钢孔从侧壁出钢改为底部出钢。 e t s r 薄板坯连铸工艺采用凸透镜型结晶器，使用的是四孔型浸入式水口【1 3 舶】。 图1 4 牛鼻子型浸入式水口图1 5 双侧孔型水口 f i g 1 4 s e ni nt h es h a p eo fo xn o s e f i g 1 - 5 s e ni nt h es h a p eo fb i l a t e r a l 1 3 薄板坯结晶器内温度场和流场研究现状 目前研究薄板坯流场的方法主要有实验法和模拟法。实验法主要采用水力学模 型实验，该种方法虽然能在一定程度上反映结晶器内钢液的流动情况，但是无法预 测温度分布状况和对钢液流动情况的影响，具有一定的局限性。 近年来，随着数值模拟技术的发展，关于薄板坯结晶器内传热与钢液流动的模 拟日益引起关注，国内外许多学者都做了大量研究工作。 1 9 9 7 年，东北大学李宝宽【r 7 】等人采用模型实验与数值模拟结合的方法，采用低 6 blkrp?”k?npu、r n兰薹洲雌雕晰l黝；-卜1 第1 章绪论 r e y n o l d s 数湍流模型，分析了薄板坯结晶器中电磁制动过程。研究表明，随着电磁感 应强度的增强，水口射流逐渐减弱；采用带形磁场制动时，液态金属的呈现为大范 围涡流分布。 同年，重庆大学文光华【1 8 , 1 9 】等针对i s p 连铸工艺，利用s i m p l e r 算法，开发了 c d m o u l d 模拟软件，分析比较了水口结构形状、插入深度及拉速等对结晶器内流 场和温度场的影响。 2 0 0 0 年，杨秉俭等人 2 0 , 2 1 1 运用高r e 数的紊流七两方程模型，近壁区采用壁面函 数法对薄板坯结晶器内钢液的紊流流动进行了数值模拟。模拟中，充分考虑了凝固 壳厚度分布对流场的影响。得到了结晶器内紊流粘性系数分布规律后，从空间上对 流动域进行了分区，选定有效粘性系数，对分区内当量层流模型进行模拟，得到了 三维流场，为结晶器中的三维流动和考虑流动影响的凝固分析提供了实用方法，计 算结果加深了人们对流动特征和有关的板坯质量问题的理解。 包燕平等川2 2 , 2 3 禾1 j 用商业软件c f x 4 2 ，结合薄板坯结晶器内钢液的紊流流动特 征，建立了三维有限差分模型，计算了结晶器内空间射流的紊流时均场，并结合均 相流模型，得出了结晶器内钢液面形状及速度场分布。研究了浸入式水口形状、拉 坯速度和出口处速度等工艺参数对结晶器内流场的影响。 2 0 0 2 年，于会香【2 4 】等人采用c f x 软件，模拟计算了浸入式水口及结晶器内钢液 流动情况。结果表明：水口出口处钢液速度方向和大小均不一致，随着水口倾角向 下变化时，射流对结晶器窄面的冲击点下移，剪切力减小。 2 0 0 3 年，王蕾等人1 2 5 】采用自行编制的有限差分程序对具有复杂结构的结晶器和 扩张性水口中的流场进行了模拟。研究表明，模拟结果能够比较准确的反映结晶器 中的流场特征。 2 0 0 5 年，张桂芳等人【2 6 】采用有限差分方法根据薄板坯结晶器内结构，建立了结 晶器内三维流动数学模型，模拟了复杂水口结构对钢液流动的影响。 2 0 0 6 年王晓红【2 7 】等针对c s p 生产工艺，采用p h o e n i c s 软件，模拟研究了牛鼻子 型水口、双侧型水口和牛鼻子水口下，结晶器内流场和温度场的情况及拉速对流场 和温度场的影响。研究表明，牛鼻子水口结构优于其他两种水口结构。 2 0 0 9 年，针对马钢c s p 薄板坯结晶器情况，杨泉山【2 8 】着重以水1 2 1 插入深度和拉 坯速度方面对结晶器内钢液流场与温度场进行研究，得出马钢c s p 工艺合理的插入深 度及拉坯速度。 国外也有不少学者对薄板坯温度场和流场展开了研究，如：h o s e o kh a m 等韩 国学者【2 9 】，利用贴体坐标系建立了薄板坯漏斗型结晶器模型，采用有限元方法分析 了结晶器内钢液流动、传热及凝固过程；h w a s o op a p k 等学者研究了平板型结晶器 内钢液的流动、传热及凝固过程等【3 0 3 6 】。 7 河北科技大学硕士学位论文 1 4 本文研究的主要内容及意义 随着薄板坯生产工艺的不断改进，现场实际操作水平的提高，连铸生产已经实 现了高产高效，各生产厂商所关心的重心转向提高产品质量。高质量的产品一方面 指产品缺陷，另一方面更是指提高产品的洁净度。控制钢液的洁净度除了大力提高 电炉、转炉炼钢技术和炉外精炼技术外，结晶器技术也是非常重要的一个环节。结 晶器是控制钢液洁净度的最后环节，也是最关键关节之一。在薄板坯连铸过程中， 结晶器内钢液的流动状态直接关系到结晶器的传热和夹杂物的上浮，这些都与铸坯 裂纹、皱皮、偏析等表面及内部缺陷的形成有关，进而影响铸坯的质量。 薄板坯连铸工艺铸坯厚度小，拉坯速度远远大于一般的板坯连铸机。然而薄板 坯结晶器开口度小，浸入式水口插入后严重影响了结晶器内钢液流动，这一方面恶 化传热和化渣条件，另一方面增大紊流强度，增加保护渣进入钢中的可能性，因而 限制了拉坯速度的提高。为了达到合理的生产拉坯速度，必须分析影响结晶器内流 场的因素，找出规律。由此看来对薄板坯结晶器内流场和温度场的研究尤为重要。 最近十几年对结晶器流场和温度场的研究大多数集中在常规板坯或者方坯结晶 器内的流动和传热，针对薄板坯的研究尤其是c s p 的研究报道却不多见。本课题针对 邯郸钢铁公司薄板坯连铸生产现状，应用p r o c a s t 数值模拟软件，对c s p 薄板坯连铸 结晶器内的流场和温度场进行模拟，并对模拟结果进行了分析。本文的主要研究内 容如下： 1 ) 根据邯钢的牛鼻子型和双n - t l 型浸入式水口，建立c s p 薄板坯连铸结晶器流 场和温度场的三维数学模型，利用p r o c a s t 软件进行模拟； 2 ) 将模拟结果与水模拟实验和现场数据进行比较，验证所建模型的正确性； 3 ) 针对两种水口类型，分别分析不同工艺参数( 插入深度、导流槽角度及拉坯速 度) 对结晶器内流场和温度场的影响，从而对浸入式水口结构的改进及生产现场工艺 参数的优化提供合理的依据。 8 第2 章结晶器内钢液流动凝固过程分析 第2 章结晶器内钢液流动凝固过程分析 2 1 钢液凝固传热分析 2 1 1热量基本理论 2 1 1 1 传热基本形式 热量传递有三种形式：热传导、对流和热辐射。但是实际传热过程中，往往是 这三种基本传热形式的不同组合。 1 1 热传导是指在不涉及物质转移的情况下，两个相互接触的物体或同一物体的 各个不同部分由于温度不同而引起的热传递现象，简称导热。从微观角度来看，热 传导是依靠物体中的分子、原子或自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传输的 过程。基本定律是傅里叶定律，即单位时间内通过单位截面积的导热量与温度梯度 成正比。 q = - 3 g r a d t ( 2 1 ) 式中q 热流密度，w m 2 a 导热系数，w ( m k 1 g r a n d t 温度梯度，k m ， 。 “一”号表征热流方向沿着温度降低方向，与温度梯度方向相反。 傅里叶定律作为导热的本构方程，描述了热流量和温度分布之间的关系。 2 ) 对流是指指流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺杂所引起的热量 传递方式。工程上广泛遇到的对流换热，是指流体与其接触的固体壁面之间的换 热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果。决定换热强度的主要因素是对 流的运动情况。 对流换热的基本定律是牛顿冷却公式为： q = j f l ( l r s ) ( 2 2 ) 式中l 固体表面温度， l 流体温度， h 对流换热系数，w ( m2 k ) 3 1 热辐射是指物体因自身温度以电磁波的方式发出辐射能的现象，成为热辐射。 它是波长在o 1 1 0 0 u m 之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以 在真空中直接传递。 单位表面积辐射的热流量与表面温度的关系遵循斯蒂芬。波尔兹曼定律： q = e a t 4 ( 2 - 3 ) 式中口单位表面积辐射的热流量，w m 2 q 河北科技大学硕士学位论文 物体黑度 d 斯蒂芬波尔兹曼常数，其值为5 6 7 x 1 0 。8 w ( m 2 k 4 ) 丁物体表面温度，k 实际中的传热过程一般都不是单一的传热方式，如火焰对炉壁的传热，就 是辐射、对流和传导的综合，不同的传热方式应遵循不同的传热规律。为了分 析方便，人们在传热研究中把三种传热方式分解开来，然后再加以综合。 2 1 1 2 温度场 温度场就是在一定空间和时间域上的温度分布，它是一个标量场。在直角坐标 系中，温度场可以表示为 ts f ( x ，y ，z ，r )( 2 4 ) 式中r 温度 x 、y 、z 三个空间坐标 r 时间 通常根据温度场是否随时间变化分为两类：随时间变化的温度场( 旦o ) 称为非 a f 稳态温度场。不随时间变化的温度场( 兰。o ) 称为稳态温度场。稳态温度场在直角坐 d r 标系中可表示为 f ；f ( x ，y ，z )( 2 - 5 ) 连续温度场内的每一个点都对应一个温度梯度。它是一个向量，指向温度升高 的方向。在直角坐标系中，温度梯度可以表示为 伊a d t ；兰f + 娑，+ a 罢七( 2 - 6 ) a x o y a z 式中o t o x 、a t a ”o t o z 温度梯度在x 、”z 三个坐标轴上的投影 f 、_ 、足x 、y 、z 三个坐标轴上的单位向量 2 1 2 钢液凝固传热 连铸过程是一个复杂的传热与传质过程。在这个过程中，液态钢液转变为固体 钢，钢液转变过程的热量包括：过热、潜热、显热。 在结晶器内，具有一定过热度的钢液与水冷结晶器接触，冷却水将钢液热量带 走，紧挨着结晶器的钢液迅速凝固，形成一定厚度的坯壳，结晶器振动，使坯壳与 结晶器壁分离，并向下运动，直到拉出结晶器，进入二冷区。 结晶器内传热过程包括：中心钢液向边部钢液的热传导，边部钢液向凝固坯壳 的传热，凝固坯壳与结晶器内壁的传热，结晶器铜壁自身的传热，铜壁与冷却水之 间的传热。其中当坯壳与结晶器壁之间形成气隙后，坯壳和气隙之间通过辐射换热， 并通过结晶器铜板把热量传递出去。如图2 1 所示。 1 0 第2 章结晶器内钢液流动凝固过程分析 髻 甏 气隙z 蕤 水 1 j、 晚瓦多 型 幺， 廷 疋 乃 距结晶器壁距离 ：j 图2 - 1 结晶器横断面传热及温度分布 f i g 2 1f i g u r ea tc r o s ss e c t i o no fm o l da n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 由图2 - 1 ，根据傅立叶导热定律，可得结晶器内钢液与冷却水之间热量传输过程 的总热阻，如下： ，。寺一+ + 等+ ( 2 ， hh 式中h 总的传热系数，w ( m 2 、 h ，钢液与坯壳之间的传热系数，w ( m 2 ) e。，ec分别为凝固壳和结晶器铜壁的厚度，u m k 。，k c u 分别为钢和铜的导热系数，w ( m ) j z 。坯壳与结晶器间传热系数，w ( m 2 ) h 。，铜壁与冷却水之间的传热系数，w ( m 2 ) 2 1 2 1 钢液与凝固坯壳之间的传热 钢液与凝固坯壳为对流传热，热流密度可表示为： 办= h ，( 砭一乃) 式中 咖钢液与凝固坯壳之间的热流密度，w m ： t 钢液的浇注温度， 正钢液的液相线温度， h t 钢液与凝固壳之间的对流换热系数，w ( m 2 ) ( 2 8 ) 河北科技大学硕士学位论文 h ，一般采用垂直平板对流传热公式计算，其表达式为： hi = 了2 峨v 【等】音【等】专 ( 2 - 9 ) 式中p 钢液密度，k g c m 3 c 。液态钢的比热，j ( k g