（钢铁冶金专业论文）宽板坯连铸结晶器三维流场与温度场的数值模拟.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 目前，板坯连铸机有向宽面更宽，窄边更窄的发展趋势，在连铸生产过程中经常发 生结晶器液面结冷钢现象，影响了连铸坯质量和连铸生产的顺行，严重制约了板坯连铸 机高效化发展。同时，在宽板坯连铸过程中，结晶器内钢液的流动特性不仅关系到结晶 器的传热和夹杂物的上浮，而且还与铸坯裂纹、偏析等表面及内部质量有着密切的关系。 因此，开展宽板坯结晶器内钢液流场和温度场的研究就显得非常重要。 本文以国内某钢铁公司宽板坯连铸结晶器( 断面为2 3 0 m m 2 0 0 0 m m ) 为原型，运 用物理模型和数学模型研究的方法，对使用原水口时结晶器内流体的流动行为进行了研 究，特别是针对该铸机生产中存在的液面结冷钢问题设计开发了一种新型的浸入式水口， 并对该水口的结构参数和工艺参数进行了优化研究。本文在商用软件p h o e n i c s 3 5 操 作平台上，采用缸端流模型建立数学模型，用三维模拟研究了结晶器内钢水的流场和温 度场。研究结果表明： 使用原浸水口进行数值模拟计算时，水口出口流股冲击范围较小，液面区域流动不 活跃、不理想，距离水口较远的窄边液面处钢液流动速度很小，容易造成窄边钢液面温 度过低不利于保护渣的熔化，使窄边附近的保护渣结壳。 采用新水口浇铸时，结晶器内钢液流动稳定，温度分布均匀，对改善宽规格板坯质 量具有积极的作用，合理的出口倾角应为l o 。水口插入深度1 3 0 l s 0 m m 比较适宜。 数值模拟结果与水模实验及现场数据吻合较好，可以为宽板坯结晶器浸入式水口结 构及确定合理的工艺参数提供科学依据。 关键词：宽板坯；结晶器；流场；温度场；浸入式水口；数值模拟 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h em o m e n t , s l a bc a b ；t e wt r e n dt oc h a n g e 州d es i d et ow i d e ra n dc h a n g en a i t o ws i d et o m o r en a l t o w n ep h e n o m e n ao fs h e l lf o r m a t i o na tb a t hl e v e li nm o u l do f t e na p p e a ra tt h e p r o c e s so fc o n t i n u o u sc a s t i ta f f e c t ss l a bq u a l i t ya n dp r o c e s ss m o o t ho p e r a t i o n a n dc o n 翻重她 t h ed e v e l o p m e n to fs l a bc a s t e rh i g he f f i c i e n c yh e a v i l y a tt h es a m et i m e ，b yt h ep r o c e s so f 、j l r i d es l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g t h ef l o wf l u i di nt h em o l dh a ssg r e a ti n f l u e n c eu p o nn o to n l y h e a tt r a n s f e ra n di n c l u s i o n sf i o a t a t i o n , b u ta l s ow i t hm a n ys u r f a c ea n di n t e m a lq u a l i t y p r o b l e m ss u c ha sc r a c k ，s e g r e g a t i o ne t c t h e r e f o r e ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef l o wf l u i d a n dt e m p e r a t u r ef i e l di so fu t m o s ti m p o r t a n c ef o ri m p r o v i n gt h ew i d es l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g p r o d u c t i o n n l ea r c h e t y p eo f t h em o u l di st h ew i d es l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l df c r o s ss 0 2 t i o ns i z e i s2 3 0 m m x 2 0 0 0 m m ) i nai r o na n ds t e e lc o m p a n yi i lt h i sp a p e r ap h y s i c a lm o d e la n d m a t h e m a t i c a lr e s e a r c hm e t h o di sp e r f o r m e dt os t u d yf l u i df l o wa c t i o ni nm o u l dw h e no r i g i l l a l s e ni sa p p l i e d t h er e s e a r c hd e s i g n e dan e ws t y l es e nf o rt h ep h e n o m e n ao fs h e l lf o r m a t i o n a tb a t hl e v e li nm o u l da tt h ep r o c e s so fc o n t i n u o u sc a s te s p e c i a l l ya n do p t i m i z e dt h es e n s t r a c m r a la n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s c o m m e r c i a lp r o g r a mp h o e n i c s 3 5w a sa p p l i e dt ot h e c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s sa 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 df o rf l o wf i e l da n d t e m p e r a t u r ef i e l d t h i sm o u l dp a p e ri n v e s t i g a t e dt h eb yt h r e ed i m e n s i o n sv e l o c i t ya n dk - 占 m o d e lt h ec o n c l u s i o n ss h o wt h a t ： b yu s i n gt h eo r i g i n a li n u n d a t en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n s ，t h en o z z l eo u t l e ts t r e a m s c o p eo f t h ei m p a c to f s m a l l e r , r e g i o n a lm o b i l es u r f a c ei n a c t i v e n o ti d e a l ，f a rf r o mt h en o z z l e s n r f a c ed e p a r t m e n tn a r r o wm o l t e i as t e e lf l o wv e l o c i t yi sv e r ys m a l l ，n a r r o we a s i l yl e a dt o l o wt e m p e r a t u r es t e e ls u r f a c ei sn o tc o n d u c i v et ot h ep r o t e c t i o no fm o l t e ns l a g ，n a r r o wn e a r t h es l a gc r u s t s w h e ni tw a sc a s t i n gf o ru s i n gt h en e wn o z z l e ，s t e e lf l o ws t a b i l i t yi nt h em o l d ， t e m p e r a t u r eu n i f o r m d i s t r i b u t i o n t o i m p r o v ew i d e s l a b q u a l i t yp l a y sap o s i t i v e r o l e r e a s o n a b l ee x p o r td i pf o r1 0 。n o z z l ei n s e r t i o nd e p t hi sm o r ea p p r o p r i a t ef r o m l 3 0 m mt o 1 8 0 m m 。 1 1 地n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf i t sw e l lt ot h ew a t e re x p e r i m e n ti 1 1l i t e m t u r e sa n dt h es i t ed a t a , a n dt h er e s u l t s p u ta ni m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o rf u r t h e ro p t i m i z a t i o no fs e na n dp r o p e r o p e r a t i n gp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：w i d es l a b ；m o u l d ；f l o wf i e l d ；t e m p e r a t u r ef i e l d ：s e n ；w a t e r - m o d e lt e s t 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章文献综述 1 1 结晶器内钢液流动研究 结晶器作为连铸机的“心脏”，是连铸坯大多数表面缺陷和内部质量问题的发源地。 有统计表明j ，铸坯近8 0 的表面缺陷起源于结晶器，同时它也是连铸诸多工艺环节中控 制钢水质量的最后一环，决定连铸坯的表面质量以及非金属夹杂物含量和分布的关键，在 很大程度上取决于钢液在结晶器内的凝固行为，而影响钢液凝固行为的因素除了结晶器的 振动、冷却、润滑以外，更主要的因素则是结晶器内钢液的流场。 1 1 1 结晶器的功能 结晶器( 如图1 1 所示) 是连铸机的核心，结晶器内钢液流动状态对钢液表面卷渣、夹 杂物捕捉、裂纹缺陷的形成均有重要影响。高温钢水从浸入式水口喷出，当到达窄面后和 初生坯壳碰撞，流股分为两部分，一部分沿结晶器窄面向上流动形成结晶器上部的湍流回 旋区，并为上部的钢液和保护渣熔化提供热量，同时这部分流股也是造成钢液液面波动及 形成卷渣的原因；另一部分沿窄面向下流动，而且由于对流作用，在下部形成大的回旋区。 此流股的冲击深度和涡心高度直接影响钢种夹杂物和气泡的上浮以及内部热点的分布，从 而决定了拉坯过程的顺行和坯壳的均匀生长。结晶器在连铸过程中作用主要体现在以下几 方面： 图1 - 1 结晶器示意图 ( 1 ) 凝固坯壳生长均匀性：坯壳薄弱之处常常是出现纵裂的根源，使用浸入式水口 改善了流股对宽面冲刷和热对流作用，使坯壳均匀生长，但对窄面凝固坯壳又有冲刷和再 熔化作用。 ( 2 ) 结晶器内微合金化：结晶器喂包芯线或稀土丝，可避免水口结瘤；合金元素在 铸坯中分布均匀；等轴晶比提高，改善了铸坯凝固组织，改善了硫化物夹杂形态和分布， 使钢材性能得到明显提高。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 液相穴夹杂物的上浮与排除：结晶器内液相穴中的夹杂物，一部分随环流向上 流动带到渣钢界面，一部分随冲击流股带入液相穴深处。前者有利于保护渣吸收去除，而 后者夹杂物能否顺利上浮主要取决于流股冲击深度。设计合理的浸入式水口，减小向下流 股的冲击深度，改善夹杂物上浮条件，可使铸坯平均污染程度减少。 ( 4 ) 凝固组织的控制：在结晶器内加微型冷却剂，以吸收钢水过热度，使结晶器钢 水在液相线温度以下凝固，增加铸坯等轴晶区改善铸态组织，减少中心偏析。 总之，结晶器在连铸生产过程中是高效率的传热器、凝固成型器、钢水净化器、铸坯 表面质量控制器。结晶器的这四个作用控制得好，基本上就能保证连铸机的高效率和良好 的铸坯表面质量。 1 1 2 结晶器内钢液流动的基本特征 合理的结晶器内流场是获得高质量连铸坯的保证，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。 一般来说，板坯结晶器内钢液流动的基本特征1 2 1 ( 如图1 - 2 所示) 是：来自水口的钢液从 水口侧孔以射流角度射出，形成一个很强的射流，射流流出一段距离以后，趋向水平流动， 然后在撞击结晶器的窄面后，由于射流的卷入和剪切作用，形成上下两个回流区。向上的 流股回流到达表面，向下的流股到达最大穿透深度后向上回流。这两种回流区的结果最终 是把流体带回到水口附近。 上升流对夹杂物的上浮和弯月面的波动产生直接影响，决定钢渣卷混状况，同时也为 保护渣的熔化提供热量，决定了熔融保护渣层的厚度，其强弱取决于水口张角、浸入深度 和拉坯速度；下降流则沿窄面继续下行，达到一定穿透深度后，流向中心，形成两个与上部 循环方向相反、范围更大的回流区，此流股对结晶器下端及二冷段的结晶组织产生直接影 响，非金属夹杂的运行行为主要受此两大流股的影响。结晶器中钢水向上和向下的两个流 股对夹杂物的上浮和液面的波动有着重要的影响，但对二者的相对强度具有相互矛盾的约 束作用。充足的向上流动能防止弯月面凝固和利于夹杂物的上浮，但过强会导致液面不 图l _ 2 板坯结晶器内流场基本特征 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 稳定而易卷渣。相反，过强的向下流动不利于夹杂物和气泡的上浮。 1 1 3 结晶器内钢液流动对铸坯质量的影响 结晶器内钢液流动的源动力主要来自浸入式水口钢液的惯性流。流动对凝固过程的影 响主要体现在以下几个方面： 结晶器内钢液的流动对钢液中夹杂物的上浮和钢液面保护渣的卷入存在着较大的 影响。合理的流场分布将有助于钢中夹杂物的上浮，防止卷渣现象的发生 结晶器内钢液的流动对初生坯壳的形成及坯壳内钢液的温度分布存在较大的影 响。合理的流场分布将促进初生坯壳的生长，减少钢液对坯壳的冲刷。避免凝固坯壳内钢 液高温区温度过高现象的发生。 两相区内钢液的流动对凝固过程的溶质再分配存在较大的影响。两相区是一个固 液共存区，溶质浓度在随着固相分率的变化而变化的同时，也随着流动速度的变化而变化。 1 2 浸入式水口简介 浸入式水口( s u 慨e d e n y n o z z l e ，简称s e n ) 是钢液从中间包流入结晶器的通道。 所谓浸入式水口，就是将水口浸入到结晶器内的钢液面下，进行浇注的管道，以防止钢液 的二次氧化。s e n 除了具有保护钢流、防止钢液二次氧化的功能外，还可以改变注流在结 晶器内的流动状态，防止注流冲刷凝固壳造成漏钢和拉裂，减小注流的冲击深度，促进夹 杂物在结晶器内上浮，并分散注流带入的热量，有利于坯壳的均匀生长叩j 。因此，优化设 计s e n ，改善结晶器内的流场和温度场，己成为当前冶金领域的研究热点之一。 1 3 影响结晶器钢液流场的主要因素 随着连铸技术的广泛应用和发展，近年来国内外冶金界高度重视结晶器内流场的研 究，对结晶器内钢液流动特性的研究己有大量文献报道h 川”，影响结晶器钢液流场的主要 因素1 9 】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 数包括出孔面积比、出口倾角、出口面积、出口形状及底部形状。保证合适的浸入水口结 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。 1 3 1 结构参数的影响 浸入式水口的出口倾角可分为三类：向上的倾角、向下的倾角和水平角。 马范军等【6 】研究了出口倾角为向下1 3 。、1 5 。、1 8 。和2 1 。时，结晶器液面紊动能的 变化，如图1 3 所示。由图可知，下倾出口角度越大，结晶器液面紊动能越小，且最大值在 液面靠近窄边区域。这是因为当下倾角度增大时，流股从水口冲出后角度下降，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。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 t h e 鼬n 翩疆w 帅“由妇啊 图1 - 3 出口倾角对结晶器液面紊动能的影响 文光华等p 。q 对攀钢大方坯连铸结晶器s e n 的结构进行了研究，通过水模实验和数学 模拟计算比较了不同的出孔倾角对结晶器内流场的影响。结果表明，在铸坯断面为2 8 0 r a m 3 2 5 m m 、拉速0 8 m r a i n 的工况条件下，随侧孔倾角由向下1 2 。逐步向上增大到向上1 2 。， 结晶器液面区域流体运动死区逐渐减少，当达到向上1 2 。时，液面死区消失，结晶器内高 温区上移，有利于保护渣功能的发挥。向上角度若选取过大，容易出现液面裸露和发生卷 渣现象。 包燕平等2 1 采用数值模拟研究了浸入式水口的三个出口倾角( 1 0 。、2 0 。、- 3 0 。) 、 浸入深度、拉速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，上涡心位置也随之下移，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。 王建军等m l 采用数模研究了浸入式水口不同结构条件下，结晶器内钢水的流动状态。 浸入式水口的侧孔倾角分别为向上1 8 。、水平0 。和向下1 8 。，计算结果表明，浸入式水 口侧孔倾角仅对铸坯窄边的冲击点位置高低有影响，而对流场影响不大，主要原因是钢水 很难充满侧孔，且浸入式水口的壁较薄，侧孔对流出的流股起不到导流作用。 张胤等1 采用数学模拟的方法分析了水口出孔倾角的设计对钢液在板坯结晶器内流场 的影响。随着角度的不同，钢液的流动形式有所不同，出孔倾角3 0 。时的上下循环区发育 良好，而且下循环区位置不是很低。相比之下，0 。时的上循环区明显没有发育，靠近钢 液表面，不利于液面的平稳，容易造成卷渣。1 5 。时的上循环区和下循环区的位置和大小 比例不如3 0 。 众多的水模型和数学模型研究表明m 一6 1 ，水口出孔倾角对结晶器内的钢液流动形式影 响较大。当出孔向下的倾角增加时，向下流股冲击深度增加，向上流股减弱，液面平静， 保护渣覆盖良好，但夹杂物上浮困难。水口出孔倾角为0 。时，流股到窄面的位移最短， 冲击速度最大，对坯壳的冲刷最强烈，不利于坯壳的均匀生长。当出孔倾角向上增大时， 结晶器上部的钢液循环流变得更强，这有利于结晶器内夹杂物的上浮，但同时钢流对液面 冲击强度也随之增强，液面搅动加强，易造成卷渣和钢液的二次氧化。 1 3 2 工艺参数的影响 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 水口浸入深度对结晶器液面波动、坯壳的生长、气泡上升及夹杂物的去除都有显著影 响。 包燕平等的研究表明：( 1 ) 随着水口浸入深度的加大，从水口侧孔流出的流股对结 晶器窄边的冲击点位置也随之下移。冲击深度的加大将对结晶器初生坯壳的生长不利。但 是，同时向上运动的回流范围也越来越大，使得液面的湍动减弱，这将对液面的平稳有利 从而减少保护渣的卷入。( 2 ) 水口浸入深度的加大也使涡心位置有下移的趋势，虽然这将减 少液面的波动和保护渣的卷入，但也减少了夹杂物的上浮机会，同时因将更多的高温钢水 带到结晶器的下部而影响了凝固坯壳的生长速度。文章最后指出，浸入深度的加大，一方 面对初生坯壳的生长不利，但另一方面能减小结晶器的液面波动。在实际生产中，应综合 考虑，找到一个合理的范围。 张胤1 4 7 1 等应用三维流动过程计算机模拟软件，研究了首都钢铁公司板坯连铸机结晶 器内的钢液流动过程。在此基础上模拟计算四种水口插入深度对流动形态的影响。随着水 口浸入深度增加，冲击深度加深，窄面上分离点位置随插入深度增加而加深。 总的来讲，随着水口浸入深度的增加，结晶器内上循环流股所占的区域逐渐加大，但 对钢渣界面的搅动逐渐减弱。因此，保护渣覆盖良好，不易发生卷渣，但穿透深度增加， 钢液向熔池上表面传递的热量下降。过大的浸入深度可能造成弯月面处钢液的冷凝和坯壳 上的较深振痕，影响凝固坯壳的增长速度。同时会造成向下的循环流股的整个区域下移， 因此从中间包进入结晶器的钢液中的夹杂物上浮机会减少，并会有更多的高温钢液被带到 结晶器下部，结晶器内整个钢液热流密度分布下移。相反，插入深度太浅，则容易发生卷 渣问题。 1 4 研究方法 。 钢液在结晶器内流动是一个复杂的湍流流动过程，其主要特征是不规则性、有旋性、 三维性、扩散性和耗散性。从2 0 世纪7 0 年代以来，国内外对结晶器内流场进行了大量研究， 特别是伴随着物理模拟技术的提高和数值模拟技术的发展方面的研究不断完善，这些研究 工作为控制结晶器内流场以及结晶器和浸入式水口的设计提供了依据。连铸结晶器内流场 的主要研究方法有：示踪法、物理模拟法和数值模拟法。其中，物理模拟和数值模拟应用 较多。 1 4 1 示踪法 示踪法是在实际连铸生产中进行的一种研究方法。将放射性同位素加入铸流并进入结 晶器，同位素由强制对流进入液相区，取铸件片做自由射线照射，可区别强制对流区、自 然对流区和停滞区。但该种试验方法费用昂贵，应用较少。 1 4 2 物理模拟法 所谓物理模拟就是通过物理模型和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。物理模型是建立在相似原理基础上的模型，它必须保持模型的工作规律与实 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 型的工作规律基本相似。物理模拟中，由于可缩小装置的比例，使实验费用得以大大降低。 物理模拟一般有如下作用【1 s 】： ( 1 ) 物理模型中定量测定的结果可按一定关系，用于真实体系的描述，直接为优化 工艺过程或为开发新流程提供依据； ( 2 ) 帮助数学模拟研究人员正确了解所研究过程的物理特征，以正确处理数学模拟 中的简化及源项和边界条件的设定； ( 3 ) 验证数学模拟的结果，使数学模型不断完善，使之尽可能逼真地描述真实体系。 物理模拟不仅可以克服由于冶金过程的复杂性、高温及测试手段限制而难以进行研究 的困难，而且消耗低，费用少，并能为数学模拟研究提供指导，在验证和完善数学模型结 果方面发挥重要作用。因而受到人们的广泛应用。 物理模拟是以模型和原型之间的物理相似或几何相似为基础的一种模拟方法。把模拟 系统转换为实际系统，就必须保持两个系统能满足一定的相似性【1 1 】，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。 在进行流动模拟研究时，由于实际过程的复杂性，保证原型和模型的完全相似是非常 困难的，必须采用近似模拟的方法，即分析那些参数对过程起主要的、决定性的作用，那 些参数起次要的、非决定性的作用。对前者必须加以保证，对后者近似处理，甚至给予忽 略。 在研究冶金过程的物理模拟中，应用得最广的就是水力学物理模拟。到目前为止，国 内外在水模方面的研究已比较多，有对钢包、中间包、结晶器、p d - i 炉等进行研究的。有关 钢包吹氩的水模研究，已经报道的也不少。 采用水力模型研究结晶器中金属液的流动，简便易行，可直接观察流动的速度、流场 并测定停留时间、死区等，为设计结晶器、水口等提供合理的参数。但其缺点是小尺寸的 水模易引起失真，物理量测量比较困难，误差较大。而且，很难准确模拟高温下流体的流 动特点和凝固现象对流体的影响。 1 4 3 数值模拟法 所谓数学模型，就是事物的特征和属性，事物发展变化过程与规律以及人们优选活动 的数学表示。数学模型常见的是个或一组方程式，一个或一组抽象图形，算法和计算机 语言。 随着计算机技术的发展，使用数值模型的方法来模拟结晶器内钢液流动行为成为一个 重要手段。因为钢液在结晶器内的行为是一个十分复杂的物理化学过程。很难找到一个完 整的模型来对其进行准确的描叙。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 数值模拟的研究过程( 见图1 4 ) 是： 图1 - 4 计算步骤流程图 课题进行物理近似作一些相应的假设，选择数学表达式，建立研究对象的数学模型； 定计算方法； 计算程序实现算法； 计算结果的处理、分析和说明，与物理模拟结果相比较，再进行修正。 其中数模的建立是核心，初始条件和边界条件的确定是关键，物性参数的获得是保证。 计算方法主要有有限元法、有限差分法、s i m p l e 法等。 近些年来，随着板坯连铸技术的发展，有关板坯连铸结晶器内钢液流动与传热的数学 模拟和物理模拟日益引起关注。美、欧、日、韩及中国的研究人员作了很多的工作，主要 针对板坯连铸提出了多种数学模型和计算方法，对连铸过程中的流场和温度场进行了多种 形式的数值模拟；对固液两相区的凝固传热机理、凝固层厚度以及导热系数对凝固场的影 响等方面进行了大量的研究工作【”6 j 。 1 5 课题背景及本文的主要工作 某钢厂3 撑铸机是新上的铸机，属于高拉速直弧型宽断面铸机，断面宽度范围为 1 3 5 0 - 2 1 5 0 m m ，无论从结晶器形状与断面范围，都有别于l 撑、2 样铸机，但目前3 群铸机结晶 器浸入式水口设计完全是参照l 群、2 撑铸机的结构设计的，钢液在结晶器内的流动情况不是 很清楚。投产到现在，铸坯表面纵裂时有发生，较大的断面宽度造成窄边液面温度过低的 现象。为了提高铸坯表面质量，对结晶器内钢液的流场研究是很有必要的，通过对宽规格 结晶器内钢液流场、温度场的研究，从而优化水口结构与水口插入深度，达到宽规格结晶 器内最佳的钢液流场、温度场分布。 针对炼钢厂具体生产状况及存在的问题，武汉科技大学与某钢厂联合进行宽规格结晶 器浸入式水口结构优化的研究，通过物理模拟和数值模拟的试验方法，对钢液流动进行水 力模型实验，同时利用商业软件p h o e n i c s 研究钢包内流场、温度场的计算。提出其合理 的工艺参数，以促进现场生产顺利进行，主要研究内容有： 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 1 ) 研究铸机在使用原浸入式水口过程中的结晶器内液面波动及流场和温度场状况。 2 ) 通过数值模拟计算，分析研究浸入式水口结构参数及工艺参数对结晶器流场和温 度场的影响。 3 ) 对新型浸入式水口的结构参数及工艺参数进行优化设计。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 第二章宽板坯结晶器内钢液流动行为的物理模拟 物理模拟的研究方法不仅可以克服由于冶金过程的复杂性、高温及测试手段限制而难 以进行研究的困难，而且可以为数学模拟研究提供指导，在验证和完善数学模型结果方面 发挥重要作用。物理模拟是验证数值模拟的有效方法，并且随着流体力学实验测试技术的 发展，目前人们己经研制出采用激光技术的多维激光测速仪，直接方便地测定反应器内的 流体运动状态。这为冶金工作者进一步深入地研究结晶器内流体流动、优化浸入式水口结 构提供了有利的定量研究手段。 宽板坯结晶器内钢液流动的物理模拟通常根据相似原理，对原型利用相似变换转换为 实验模型，结晶器内流体为常物性，采用水力学模型进行冷态模拟，模拟不同工况下结晶 器内钢液的流动特征，找出影响铸坯质量的因素，并确定工艺参数，用于指导生产。 采用水力学物理模拟对结晶器内钢液的流动进行研究，具有简单便宜、可直接观测流 场及流动速度等优点，可以为优化水口设计参数和工艺参数提供可靠依据。本论文根据现 场情况和相似原理，建立相应的水力学模型，并提出评价结晶器内钢液流场优劣的衡量指 标。通过对各种试验条件下流场特性的观测，对结晶器浸入式水口的结构参数及工艺参数 进行优化，进而改善结晶器内的流场。 2 1 现场工艺参数 国内某钢厂目前的生产工艺参数如下： ( 1 ) 结晶器断面：厚度2 3 0 m ；宽度1 3 5 0 哪2 1 5 0 珊；常用坯断面：2 0 0 0 珊x2 3 0 皿， 某厂要求模拟铸坯断面为2 0 0 0 n m l x2 3 0 哪； ( 2 ) 原浸入式水口：下端内径由7 8 ，上端内径巾8 0 ，出孔向下倾角1 5 。，插入深度 约1 0 0 2 0 0 哪； ( 3 ) 拉速：0 8 1 5 m m i n ； ( 4 ) 铸机内型：直弧型：两流；垂直段总长度约2 5 m ( 5 ) 结晶器：长度9 0 0 唧；锥度0 9 ； ( 6 ) 冶金长度：3 4 4 m ； ( 7 ) 浇注方式：采用滑动水口控流的浸入式水口保护渣浇注工艺。 2 2 水模型参数的确定 根据相似理论，如果现象满足相似第二定理，则由模型得到的规律可以推广到原型中 去。然而实际过程比较复杂，要完全满足相似原理是难以做到的，一般考虑的是主要方面 的相似。针对结晶器内流体流动现象的研究，主要考虑的是几何相似和动力相似。 几何相似考虑的是模型与原型对应边尺寸有一定的比例，对应角相等。在选择本模型 与原型的相似比时，拟选用k = 模型原型= 1 3 的缩小比例来建立物理模型。几何相似有时会 受到动力相似制约，所以必须在考察其动力相似条件后，再进行确定。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 本研究假定在整个流动过程中，以室温水来代替钢水，且为恒定室温，同时忽略结晶 器内坯壳厚度。在此前提条件下，利用水力学模型模拟结晶器内的铜液流动状况。此时， 若要保证模型和原形两个系统间相应位置的速度具有相同的比例和相似的力场，就应该保 证两个系统间的弗鲁德准数及雷诺准数各自相等。即： 即： 。，g d m 。9 乞 f r 。= n p r e ，= r e ， ( 2 1 ) ( 2 2 ) b 9 巩= 吒 式中：m 、p 分别表示模型、原型。 ，圪模型与原型装置流体的流动速度； 以，吒模型与原型的浸入式水口内径，k ：吒d ，= 1 3 ； ，u 。模型与原型内流体的运动粘度。 当两个系统的雷诺准数均处于同一紊流自模化区时，即当雷诺数r e 大于进入第二自模 化区的临界值( 1 1 0 4 1 0 5 ) 时，流动状态和速度分布与雷诺数无关，就只需保证两个系 统间弗鲁德准数相等即可。此时，模型比例的选取就不再受动力相似的制约，可以任意选 取。本研究模拟板坯连铸结晶器内拉速为1 3 m r a i n ，经计算，r 岛= 1 7 x1 0 5 ，r e 。= 3 o 1 0 4 该值均大于第二自模化区临界值，此时结晶器内流体流动处于第二自模化区，则只需保 证式( 2 1 ) 成立即可。本研究综合考虑到要尽量减小模型尺寸对实验结果的影响以及过大 的模型尺寸给实验观测、模型制作所带来的困难，最终选取k = i 3 来做缩小比例模型。 根据式( 2 1 ) 可得： 模型与原型中的流速比为： v v ，- - - - k “2 = 0 5 7 7 4 ( 2 3 ) 流量比为： 绒q p = k ”2 = o 0 6 4 2 ( 2 4 ) 式中，、圪一模型与原型的拉速， q 、q 。一模型与原型的体积流量。 2 3 水模实验 2 3 1 水模型的建立 武汉科技大学硕士学位论文第1 l 页 结晶器模型和滑动水口以及浸入式水口采用有机玻璃材料严格按照k = l 3 比例制作。 为了保证模型的强度，防止由于水压过大造成模型胀破，在结晶器的宽面采用角钢并用螺 栓连接进行加固，对于结晶器中的浸入式水口，采用有机玻璃圆棒经机加工制作而成。滑 动水口制作时采用三层滑块结构，同时上滑板的下平面，中间滑板的上下两面，下滑块的 上平面均被打磨光滑，以保证滑动水口的气密性。浸入式水口上部的中间包由材质为普碳 钢制作的水箱替代。原型和模型的主要参数见表2 1 。 表2 - 1 原型和模型主要参数 为了降低结晶器出口形状对其内流场的影响，将结晶器出口段加长，而且还在结晶器 的下部增设了置衡器，进一步降低结晶器出口形状对其内部流场的影响。实验过程中，必 须有稳定的供水，故需在s e n 的上方设置水箱。水箱带溢流槽，以保证水箱内液面高度的 恒定。 2 3 2 实验装置 实验系统连接示意图如图2 1 。 数据采集系统 图2 - 1 实验连接系统示意图 n 2 3 3 新型水口设计 针对目前3 # 铸机在生产中存在的问题，在经过大量的文献调研及仔细的分析研究后， 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 设计开发了一种新型的浸入式水口，该水口为变截面收缩式，上部是与原水口形状一致的 圆筒型，以利于和现场连铸生产相匹配，下部横截面为跑道型，中部为从圆筒型到跑道型 的过渡段。 设计开发该种形式的水口主要有如下几方面考虑： ( 1 ) 从水口上部圆通型缩变至水e l 下部的跑道型，水口内部横截面积变小，则内 部流速由小变大，从水口侧孔出来的流股速度更快，更容易将热量携带至钢液表面，减 弱液面结壳的可能性； ( 2 ) 这种变截面水口收缩段能够使得通过滑动水口后的不均匀钢流，在短距离范 围内达到均匀流动，大大减弱了在浸入式水口侧孔出口处偏流的可能性，在解决液面结 冷钢问题的同时，进一步改善结晶器内部钢液的流场及由此引发的铸坯质量问题。 ( 3 ) 由于水口中部从圆筒型变为跑道型，水口两边距离结晶器宽面更大，有利于 这个部位的保护渣的均匀熔化、均匀铺展，使结晶器宽面的润滑效果更均匀，降低了铸 坯的表面纵裂的倾向。 除考虑设计s e n 本身的形式外，还设计了新型浸入式水口的结构参数与工艺参数， 分别如表2 2 及表2 3 所示。 表2 - 2 新型浸入式水口的结构参数表 注：出口面积比为s e n 侧孔面积之和与中孔面积之比；出口角度为水平面与出口下倾轴心线的夹角。 表2 - 3 新型浸入式水n - f 艺参数表 注：插入深度指浸入式水口出口上沿到钢液面的距离 2 4 实验结果与分析 2 4 1 使用原水口和优化后水口结晶器内流场的比较 使用结构参数及工艺参数优化后的水口和使用原水口时，在结晶器内流场状况大体 相同：从浸入式水口侧孔出来的流股向结晶器窄边运动，当该流股前端碰撞到结晶器窄 边后，射流改变方向，分为两股：一股沿窄边向上运动到结晶器液面，另外一股沿窄边 向下运动。在结晶器内的流体在从浸入式水口侧孔出来的流股的冲击作用下，沿该流股 分为上下两个回流区。上回流区沿结晶器侧壁向上返流到结晶器钢液面附近，向浸入式 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 水口方向流动。下回流区沿结晶器窄边到达最大穿透深度后向上回流。 在进行染色体实验中，采用插入深度为5 0 m m ，使用原水口( 底型为凹底，出口角为 1 5 。，出口面积比2 1 0 ) ，以及使用结构参数优化后的水口( 底型为凹底，出口角度l o ， 出口面积t 9 2 2 0 ) 时，自加入染色体经过结晶器流场的情况分别见图2 - 2 、图2 - 3 从图2 - 2 和图2 - 3 可以明显看出；使用原水口，结晶器内上部回流较弱，这是造成结晶 器液面结冷钢的主要原因。而且存在一定程度的偏流使用新水口后，结晶器内上部回流 区减小，上部回流速度加大，即结晶器窄边液面附近染色体的颜色，在加入染色体后的同 一时刻较原水口的更深，且偏流消失。这充分说明进行结构参数优化后的水口，使得结晶 田2 - 2 用原水口时结昌嚣内藏场图2 _ 3 用新水口时结晶嚣内藏场 器内上部回流区热中心上移，结晶器内钢液面更新快，并且从s e n 侧孔出来的流股能够 将更多的热钢液带到窄边的钢液面处，从而给该处带来更多的热量，所以应当能够消除 结晶器窄边的钢液面结冷钢的现象 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章宽板坯结晶器内钢液流动行为的数值模拟 3 1 流场计算的基本理论【2 ”1 流动与热交换现象大量地出现在自然界及各个工程领域中，其具体的表现形式多种多 样。但所有的这些过程都受最基本的3 个物理定律的支配，即质量守恒、动量守恒及能量 守恒。守恒定律的数学表达式偏微分方程就是描述这些物理现象的。 3 1 1 控制方程 对于不可压缩流体流动 ( 1 ) 连续性方程( 满足质量守恒定律) ： 一 。d i v ( u 1 = 0 ( 3 1 ) 式中 【，_ 一流速( u = 讲+ 面+ w k ) ，m s 。 ( 2 ) 动量方程( 满足动量守恒定律) ： 一。p 罟一印+ g v 2 u + p w ，( 3 - 2 ) 式中户城体密度，k g m 3 ； 即一压力梯度，即：罢f + 罢_ ，+ 罢t ；戗 卵 。z 流体的粘性系数，p a s ； f - 一时间，s ： 彤一质量力，肛i x 0 h 艮 ( 3 ) 能量方程( 满足能量守恒定律) ： 詈+ 出v 旧，= a i v 去即d 丁 + 鲁 c s 哪 式中五流体热导率，w ( m ) 5 印一热容，j ( k g - ) ； t 一流体温度，； 曲源项，s r = s h + 西品为流体内热源，醐由于粘性作用机械能转换为热 能部分。 ( 4 ) 热流体流动方程的通用形式 在流动与传热问题求解中所需求解主要变量( 速度与温度等) 的控制方程都可以表 示成以下通用形式： 武汉科技大学硕士学位论文 第1 5 页 昙d 妒) + d i v d w ) = d i v n g r a d 妒) + 邑 瞬态对流扩散 源项 ( 3 4 ) 式中通用变量，可代表4 ，y ，w ，t 等求解变量； l 广义扩散系数： 以广义源项，产生矿的源： 这里的。广义”二字，表示处在。与邑位置上的项不必是原来物理意义上的项，而 是数值计算模型方程中的一种定义，不同求解变量之间的区别除了边界条件与初始条件 外，就在于l 与墨的表达式不同。 3 1 2 湍流模型 湍流虽然是一种无规则的流动状态，各种量呈现着随时间和空间的随机变化，但在足 够长的时间内，这些量的统计平均值的变化是有规律的，也就是说湍流运动服从数学统计 规律。瞬时值可用一个不随时间变化的时均速度与随时问变化的脉动速度来表示。 却=五+扯(3-5) 五= j ：础( 3 - 6 ) 式中铲速度的瞬时值，m s ： 二时均速度，m s ： 脉动速度，m s 。 同样对压力有类似的表示： p = 芦+ p ( 3 7 ) 歹= ；i ：砷( 3 - 8 ) 式中卜压力的瞬时值，p a ； 歹时均压力，p a ； p 脉动压力，p a 。 对式( 3 1 ) 、( 3 - 2 ) d p 变量进行时均处理，即 垂习+ 重习+ 圈：堕+ 生+ 壹+ 堕+ 鲤+ 翌：。( 3 - 9 ) 苏 勿 出 苏砂出函砂 白 显然可有： 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 这两式表明，湍流速度的时均值仍满足连续性方程。 对动量方程同理有： 掣+ 掣= 睾毒憾+ 对p 珂卜仔 加 缸，玉。苏。l l 知。知。j oi ” 7 式中n 作用在单位体积流体的i 方向上的体积力，n m 3 由上述时均方程的导出过程可见，一次项在时均前后的形式保持不变，而二次项( 乘 积项) 在时均化处理后则产生包含脉动值的附加项。这些附加项代表了由于湍流脉动所引 起的能量转移( 应力、热流密度等) ，其中( 一户孑巧) 称为雷诺( r e y n o d s ) 应力或湍流应力， 是一个二阶对称应力张量。雷诺应力的出现，使平衡方程体系中未知数的数目超过了独立 方程的数目，造成方程的不封闭。于是人们就一直来研究雷诺应力的表达式，使其方程组 封闭。鲍幸斯特最早将雷诺应力与时均速度梯度联系起来，用类似牛顿定律的形式表示出 来，即局部湍流应力与时均速度梯度成正比： q = 一p 刀= 一罢 ( 3 1 2 ) 式中f t 雷诺应力，n ； 。主流方向的时均速度，m s ； p 广湍流粘度系数，p a 蛋； ) - 一与主流方向垂直的空间坐标。 如知道a r 以后，引入有效粘性系数钉， 酊= + “ ( 3 - 1 3 ) 这样，湍流问题可转变为层流问题来解决。 胁可用湍流模型来计算。所谓湍流模型，就是用来求解湍流时均参数表示。根据确 定a ，微分方程数目的多少，湍流模型又分成零方程模型、单方程模型和_ i 一双方程模型。 ( 1 ) 零方程模型 所谓零方程模型，是指不需要微分方程而是用代数关系式把湍流粘性系数和时均值联 系起来的模型。普朗特使用代数关系式把湍流粘度系数与时均值联系起来，提出了计算脚 的公式： 奶p 蟹 一引一西一知一苏 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 或 一万卅矧多 所= 所矧 ( 3 - 1 4 ) 式中厶广_ 混合长度，m 。 在不同的流动系统中，麻的表达式有所不同。确定混合长度的一般方法到目前为止还 没有找到，只是对一些特殊的流动，如二维边界层流动，平直通道内的流动，人们给出了 一些混合长度的表示式。因此，该模型仅限于对比较简单流动的描述。 ( 2 ) 单方程模型 在混合长度模型中，口，仅与几何位置及时均速度场有关，而与湍流的特性参数无关， 它的局限性启发了人们想到湍流粘性系数应当与湍流本身的特性量相关，把湍流脉动能的 平方根，即一尼作为湍流脉动速度的代表，p m d t l 和k 0 1 i n o g o m v