大方坯连铸结晶器内钢液行为的数值模拟开题报告.doc

重庆科技学院毕业设计（论文）开题报告题目 大方坯连铸结晶器内钢液行为 的数值模拟 学 院 冶金与材料工程学院 专业班级 冶金普 学生姓名 XXX 学号 XXX 指导教师 XXX XXX 2011年 3 月 17 日开题报告填写要求1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作开始后2周内完成，经指导教师签署意见及系主任审查后生效。2.开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网址上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3.学生查阅资料的参考文献理工类不得少于10篇，其它不少于12篇（不包括辞典、手册）。4.“本课题的目的及意义，国内外研究现状分析”至少2000字，其余内容至少1000字。毕业设计(论文)开题报告1.本课题的目的及意义，国内外研究现状分析1.1 本课题研究的目的收集结晶器、浸入式水口的结构尺寸和相关工艺参数，利用ANSYS软件建立描述结晶器内钢液流动和传热的三维有限元模型；应用计算流体力学（CFD）的基本理论，建立描述结晶器内钢液流动和传热的三维数学模型。重点研究分析单孔直筒型水口和双侧孔水口的不同倾角、水口插入深度以及拉速，温度对结晶器内钢液流动的影响，为优化结晶器内钢液的流场、温度场和浸入式水口的结构及确定合理的工艺参数提供科学依据。1.2 本课题的研究意义如今，中国的钢铁产量和生产能力持续递增，而随着连铸技术的发展和国内外市场的激烈竞争，对连铸坯的冶金质量和连铸生产的控制技术都提出了很高的要求。在连铸坯的表面和内部缺陷与铸型内的流动情况密切相关，从浸入式水口流出的液体金属对结晶器的窄面具有冲刷作用，并将非金属夹杂物及气泡卷入，造成连铸坯的内部缺陷。同时，弯月面的不稳定流动也会将保护渣卷入铸型内，从而降低连铸坯的冶金质量。这些现象在高速连铸的情况下尤为显著，严重恶化了连铸坯的质量。因此如何改善结晶器内的流动状态成为提高连铸坯的内外质量和生产率的核心环节。在连铸过程中，影响结晶器内钢液行为的因素很多，如浸入式水口(SEN)插入深度、水口侧孔倾角和拉速，温度等。结晶器内钢液液面波动过大，引起卷渣、裂纹等缺陷；浸入式水口结构尺寸或插入深度不合适，引起夹渣、夹杂、裂纹等表面质量缺陷。了解结晶器内钢液流动和传热的特征，以便更好地控制结晶器内钢液的流动及传热的形态，从而得到高质量铸坯。1.3 本课题的研究现状分析1.3.1 国外研究现状分析Thomas等1假定凝固厚度，分析了板坯结晶器内的时均流场及湍流特性，他们直接采用标准的湍流模型结合壁面函数模拟流场，使用商业软件FIDAP进行求解并使用水模型进行了验证。Huang X和Thomas B G2利用商业软件FIDAP，研究热量传输问题的时候，应用双方程模型研究板坯中三维紊流流动，在动量方程的右边重力项中考虑了热浮力的作用，得到了比较符合实验数据的结果，并把结果应用于温度场的非耦合求解。Szekely和Asai3将单方程紊流模型和Spalding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。YANG Hongliang等4求解了三维情况下的流场和温度场耦合模型。采用了k-e 双方程紊流模型，把固液两相区处理为多孔介质。1.3.2 国内研究现状分析于海岐，王波，王宝峰等5按12比例，通过多普勒激光测速仪(LDV)测试了水口插入深度130170 mm、水口侧孔倾角3010时640 mm 90 mm水模型结晶器的流场，并用FLUENT软件进行了数值模拟。结果表明，浸入式水口插入深度和水口侧孔倾角增大，有利于稳定钢液自由液面的波动，但增加了向下流股的冲击深度，大量热钢液下流，不利于夹杂物上浮。于海岐，李慧琴，王宝峰等6应用计算流体力学(CFD)的基本理论，利用大型商业软件FLUENT建立了1个板坯结晶器的三维有限体积模型，对板坯结晶器内的钢液流动进行了三维数值模拟。重点研究了浸入式水口插入深度、水口侧孔倾角和拉速等工艺参数对结晶器内钢液流动状态的影响。结果表明:改变这些影响因素在一定程度上可以起到改善钢液流动状态的目的，但通过改变这些影响因素并不能完全实现对结晶器内钢液流动状态的有效控制，尤其是对液面波动和对窄面冲击强度的控制。雷方，赫冀成，李宝宽7采用有限差分法和湍流模型对板坯连铸机结晶器内钢液的流动进行了数值计算分析了双侧孔浸入式水口射流角度、连铸速度、以及水口浸入深度等操作和设计参数对流场的影响。刁江，谢兵，李玉刚等8运用FLUENT软件，对断面150 mm 460 mm 的板坯结晶器钢液流场进行了数值模拟，研究了不同水口侧孔面积和长宽比条件下流场的变化情况，并对倾角和插入深度等参数进行了优化。结果表明，长宽比一定时，面积比越大则液面最大速度越小，冲击深度和冲击压力也越小。面积比一定时，大的长宽比有利于减小液面最大速度、冲击压力以及流股对窄面的冲刷。确定了在不改变水口内径、底面形状和出口形状的前提下，适合该结晶器水口的侧孔断面为25 mm 40 mm ，倾角为15，插入深度为200 mm。雷洪，朱苗勇，邱同榜等9利用开发的三维流场计算软件，研究了操作参数对武钢二炼钢板坯连铸机结晶器内钢液流动的影响。结果表明：采用较大的水口浸入深度可以减小表面速度，抑制液面波动，避免钢渣卷混的产生；与圆形水口相比，长方形水口能有效地减小卷渣发生的可能性。李志国10利用商业CFD软件及模型计算结果，通过等值线分析凝固壳厚度表明:板坯结晶器内各个水平截面上宽面的凝固壳厚度比窄面上厚，最厚在宽面中心，最薄是宽面靠近角部的区域。沿宽面从液面向下凝固壳厚度逐渐增加，生长速度加快；沿窄面从液面向下，除了流股冲击的区域凝固壳减小外，凝固壳厚度也逐渐增加；在高拉速下，结晶器出口坯壳表面温度增加，坯壳厚度减小；浇注温度过热度较高时，出口坯壳厚度也减小；较深的水口插入深度使得结晶器内高温区下移，出口坯壳也减小。较大的出口角度也会使得结晶器内高温区下移动，上部温度降低。他还研究了板坯结晶器温度场和凝固壳厚度分布的各种影响因素，探讨了数值计算方法对流场和温度场计算结果的影响。罗春胜11以国内某钢铁公司宽板坯连铸结晶器(断面为230mm2000mm)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。他在商用软件PHOENICS3.5操作平台上，采用 k-e 湍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10。水口插入深度130180mm比较适宜。毕业设计(论文)开题报告2.本课题的任务、重点内容、实现途径 2.1 本课题的任务（1）搜集查阅与大方坯连铸结晶器内钢液流动和传热相关的文献，分析国内外研究现状。（2）收集结晶器、浸入式水口的结构尺寸和相关工艺参数，利用ANSYS软件建立描述结晶器内钢液流动和传热的三维有限元模型；应用计算流体力学(CFD)的基本理论，建立描述结晶器内钢液流动和传热的三维数学模型。（3）用大型商业软件CFX对不同工况下结晶器内钢液的三维流动和传热进行数值模拟计算，分析大方坯连铸结晶器内流场和温度场的基本特征，重点研究单孔直筒型水口和双侧孔水口的不同倾角、水口插入深度以及拉速，温度对结晶器内钢液流动的影响，为优化结晶器内钢液的流场、温度场和浸入式水口结构及确定合理的工艺参数提供科学依据。2.2 本课题的重要内容分析大方坯连铸结晶器内流场和温度场的基本特征，重点研究单孔直筒型水口和双侧孔水口的不同倾角、水口插入深度以及拉速，温度对结晶器内钢液流动的影响，为优化结晶器内钢液的流场、温度场和浸入式水口结构及确定合理的工艺参数提供科学依据。2.3 实现途径（1）利用ANSYS软件建立描述结晶器内钢液流动和传热的三维有限元模型；应用计算流体力学(CFD)的基本理论，建立描述结晶器内钢液流动和传热的三维数学模型。（2）用大型商业软件CFX对不同工况下结晶器内钢液的三维流动和传热进行数值模拟计算，分析大方坯连铸结晶器内流场和温度场的基本特征，重点研究单孔直筒型水口和双侧孔水口的不同倾角、水口插入深度以及拉速，温度对结晶器内钢液流动的影响，为优化结晶器内钢液的流场、温度场和浸入式水口结构及确定合理的工艺参数提供科学依据。毕业设计(论文)开题报告3.完成本课题所需工作条件（如工具书、计算机、实验、调研等）及解决办法 3.1工具书1 Thomas BG, Mika LJ, Najjar FM. Simulation of Fluid Flow Inside Continuous Slab-casting Machine J. Metallurgical and Materials Transactions B, 2006, (21B): 387-400.2 Huang X, Thomas B G, Najjar F M. Modeling Superheat Removal During Continuous Casting of Steel Slabs J. Metallurgical and Materials Transactions B, 1992(23B): 339-356.3 Szekely J, Yadoya R T. Physical and Mathematical Modeling of the Flow Field in the Mold Region in Continuous Casting System J. Metallurgical and Materials Transactions B, 2005(4): 1379-1388.4 Hongliang, Zhao Loamgang. Mathematical Simulation on Coupled Flow, Heat, and Solute Transport in Slab Continuous Casting Process J. Metallurgical and Materials Transactions B, 1998, 29B(12): 1345-1356.5 于海岐，王波，王宝峰等板坯结晶器流场的水模型实验和数值模拟J.内蒙古科技大学材料与冶金学院，2006，27（5）：32-34.6 于海岐，李慧琴，王宝峰等板坯结晶器内钢液流场的数值模拟J.内蒙古科技大学材料科学与工程学院，2006，22（4）：20-23.7 雷方，赫冀成，李宝宽板坯连铸机结晶器内钢液流动的数值分析J.东北大学学报，1994，15（4）：408-411.8 刁江，谢兵，李玉刚板坯连铸结晶器钢液流场的数值模拟J，钢铁研究学报，2008，20（11）：15-19.9 雷洪，朱苗勇，邱同榜等板坯连铸结晶器流场优化J.炼钢，2000，16（3）：29-31.10 李志国板坯连铸结晶器内流场与温度场的计算机仿真D. 重庆：重庆大学，2002.11 罗春