浸入式水口结构对大方坯结晶器流场和温度场影响的数学模拟.pdf

2 0 1 1 年 8月 1 2 第 3 9卷 第 4期 钢 铁 研 究 Re s e a r c h O n I r o n S t e e l Au g Vo 1 3 9 2 01 1 NO 4 浸入式水 口结构对大方坯结 晶器流场和 温度场影响 的数学模 拟 杨建 李杰 王世俊 周 云 安徽工业大学 冶金与资源学院 安徽 马鞍山 2 4 3 0 0 2 摘要 利用 F l u e n t 软件针对南钢大方坯结晶器建立了三维有限差分模型 计算了连铸结晶器内的流场 和温度场 分析了浸入式水口倾角和水口出口面积对结晶器内流场和温度场的影响 当浸入式水 口倾 角为 1 o 时 大方坯结晶器流场和温度场分布较为合适 水 口出口面高度为 1 8 2 1 8 r n r n时 浸入式 水 口出 口面积较合适 关键词 浸入式水 口 大方坯 结 晶器 流场 温度场 中图分类号 TF 7 4 1 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 1 4 4 7 2 0 1 1 0 4 0 0 1 2 0 0 4 Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f e f f e c t o f s u b me r g e d n o z z l e s t r u c t u r e o n flu i d f i e l d a n d t e mpe r a t u r e f i e l d i n bl o o m mo u l d YANG J i a n L I J i e WANG S h i j u n Z HOU Yu n Me t a l l u r g y a n d Re s o u r c e s I n s t i t u t e An h u i Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y M a a n s h a n 2 4 3 0 0 2 C h i n a Ab s t r a c t A t h r e e d i me n s i o n a l f i n i t e d i f f e r e n c e mo d e 1 u s e d f o r t h e b l o o m mo u l d a t Na n j i n g S t e e l i s e s t a b l i s h e d b y me a n s o f t h e s o f t wa r e F l u e n t Th e f l u i d f i e l d a n d t e mp e r a t u r e f i e l d i n t h e b l o o m mo u l d a r e c a l c u l a t e d t h e i n f l u e n c e s o f s u b me r g e d n o z z l e a n g l e a n d s i z e o f n o z z l e p o r t o n f l u i d f i e l d a n d t e mp e r a t u r e f i e l d i n t h e mo u l d a r e a n a l y z e d W h e n t h e a n g l e o f s u b me r g e d n o z z l e i s 1 0 t h e d i s t r i b u t i o n o f f l u i d f i e l d a n d t e mp e r a t u r e f i e l d i n t h e b l o o m mo u l d a r e a p p r o p r i a t e a n d t h e a p p r o p r i a t e s i z e o f s u b me r g e d n o z z l e p o r t i s 1 8 2 1 8 mm Ke y wo r d s s u b me r g e d n o z z l e b l o o m mo u l d f l u i d f i e l d t e mp e r a t u r e f i e l d 连续铸钢采用浸入式水 口保 渣浇注 是改善 铸坯质量 扩大浇注品种和稳定连铸工艺的一项 重大技术措施 合理的浸入式水 口是改善结晶器 内钢液流动状态 降低注流的冲击深度 分散注流 带入的热流 促使在结 晶器内形成均匀的坯壳并 促进夹杂物上浮的重要手段 目前 人们十分重 视钢液在结晶器内的流动特征以及浸入式水 口形 式的研究 l 由于结晶器的形状以及水 口结构都在不断的 优化改进 因此结 晶器 内的流场 和温度场总是不 断地 向人们提 出新的课题 同时也使这方面的研 究 日益完善 本文主要针对南钢电炉厂大方坯连 铸结晶器的特点 利用 F l u e n t 对结晶器 内流场和 温度场进行了数值计算 重点分析 了浸入式水 口 倾角和水 口出 口面积对结晶器内流场和温度场的 影响 为进一步优化现场的生产工艺参数 提高连 铸坯的质量提供了理论依据 1 数学模型的建立及计算 1 1 基本假 设 为了便于研究连铸结晶器内的流动和传热现 象 作如下假设 川 1 将结晶器 自由液面的开 口系 统作为封闭系统来模拟 且 自由面看作光滑的壁 面 2 钢液流动视为不可压缩的牛顿流体流动 3 结 晶器液面无波动 为 1个稳定的水平面 4 忽略 结 晶器内凝固壳对流动的影响 忽略密度变化而 作者简介 杨建 1 9 8 1 男 硕士研究生 助教 主要从事炼钢工艺研究 第 4期 杨建 等 浸入式水 口结构对大方坯结晶器流场和温度场影响的数学模拟 1 3 引起 的 自然对流 5 结晶器液面无波动 为一个稳 定的水平面 1 2 基本方程 连铸时 结晶器 内同时进行着钢液在水 冷结 晶器壁上凝成坯壳和注入钢流在铸坯未凝固部分 引起运动两个过程 即结 晶器 内钢液 的运动与传 热 8 描述该过程三维稳态不可压缩 问题的数学 表达式如下 1 连续性方程 o 2 动量方程 P 一 一 未 a scj o x a x l I 其中 p 为流体密度 k g m 和 为速度矢 量 m s x 和z 为方 向矢量 P为压力 P a t f f 为 有效黏度系数 P a S 3 描述湍流运动的 K e 方程 g o 分别为 I D 一 a xi O k a k l GD x P e l 龟 坐 2 一 厂 丝 鱼 4 一 二 D x i l a x i J k 其中 G一 a x Lr a xj ff 一 一 ID 分 别 为坐标 轴 z z方 向上 的速 度 m s k为湍流动能 m s e为湍流动能耗散率 m s 为湍流黏度系数 P a S 为动力黏度系 数 P a S 上述 出 现 的 系 数 取 值 为 C 一 1 4 4 C 一 1 9 2 C 一 0 09 k 一 1 0 1 3 4 溅 量方程 a x 瑟 K 孑 晏 K 其中 K H 为有效导热系数 w m K 1 3 初 始条件及边界条件 1 结晶器 自由液面 所有变量的垂直梯度均 设 为零 垂直于液面的速度分量也设 为零 2 人 口处 人 口速度根据拉速及其截面积给出 3 出 口和对称面 所有变量的垂直梯度设为零 对称 面上的边界条件与液面处理相同 4 结 晶器壁 壁面处理为非滑移 非渗透的边界 进壁区紊流计 算采用壁面函数法 结晶器壁的传热条件为 q 一一 w 壁面 应用上述微分方程及其边界条件 建立流动 和传热数学模型 针对南钢大方坯连铸结 晶器 断 面为 3 2 0 mmX4 8 0 mm 长为 9 0 0 mm 考虑其形 状的双对称性 取结晶器 的 1 4范围作为计算求 解区域 2 计算 结果及分析 2 1 浸入 式水 口倾 角 对 结 晶器 流场 和 温 度场的影响 拉速 0 5 m mi n 水 口浸入深度 1 2 0 mm 水 口出 口面高度 1 8 2 1 8 mm 不 同水 口倾 角 向下 1 O 1 2 1 5 时结 晶器 内流场 和温度场分 布见图 1和 图 2 由图可 以看 出 水 口出 口射 流 冲击结晶器窄 面时形成 向上 和向下的两个 回流 区 随着浸入式水 口倾角的改变 水 口出口流股对 结晶器窄边的冲击 上下两个 回流区的大小及涡 心位置 结 晶器 内的传热发生 明显变化 当水 口 出口倾角较小 为 1 O 时 水 口出 口流股对结 晶器 窄边的冲击向上移动 有利于钢液 中夹杂物的上 浮 初生坯壳的均匀生长 同时 自由液面附近温度 曲线 比较平稳 有利于结 晶器保护渣的均匀熔化 从而改善弯月面的钢液流动特性 当水 口出口倾 角较大 1 2 和 1 5 时 水 口出口流股沿结晶器 窄 边 向下部流动的趋势加强 冲击深度增大 回流区 涡心位置下移 对钢液面的平稳有利 不容易发生 卷渣现象 但是 回流区涡心下降 使气泡和夹杂物 在结晶器内的冲击深度过大 熔池表面附件的液 面速度减小 不利于钢中气 体和夹杂物的上浮去 除及凝固坯壳的生成 同时由于水 口射流主流股 下 口运动 造成结晶器 自曲液面供热不足 自由液 面温度分布不均匀且相对偏低 不利于保护渣 的 熔化 使结晶器出 口处 的坯壳厚度不均匀 综合 浸入式水 口倾角变化对结晶器内流场和温度场的 影响分析 选择水 口倾角 1 O 较为适宜 a 1 0 b 1 2 c 1 5 图 1 不同水 口倾角时结 晶器 内的流场 图 第 4期 杨建 等 浸入式水 口结构对大方坯结晶器流场和温度场影响的数学模拟 1 5 3 结论 1 合理的结晶器流场应该是上部回流区大小 适 中 有利于中夹杂物的上浮 去 除 对 自由液面 的扰动小 不发生卷渣现象 下部 回流冲击深度适 宜 结晶器内高温区域的位置适中 有利于结晶器 保护渣的熔融 且对初生凝 固坯壳 的再熔化影响 较小 有利于初生凝 固坯壳的均匀生长 2 随着浸人式水 口倾角的增大 水 口出口流 股对结晶器窄边 的冲击深度增加 回流 区涡心下 移 结晶器 自由液面相对平稳 但是结晶器 自由液 面供热不足 温度分布不均匀且相对偏低 当水 口倾角为 1 0 时结 晶器流场和温度场分布较为合 适 3 水口出口高度增加 水 口注流速度增大 水 口注流对结晶器窄面的冲击力度增大 并造成上 下 回流涡心位置下移 自由液面表面速度减小 同 时结晶器内高温度 区域面积减小 自由液面的温 度降低 当水 口出 口面高度为 1 8 2 1 8 mm 时 水 口出口面积较合适 参考文献 1 3 T o r u K a t o Ma s a s h i H a r a A k i f u m i Mu t o e t a 1 F l u i d f l o w b e h a v ior i n s u b m e r g e d e n t r y n o z z l e o f c o n t i n u o u s c a s t i n g 口 T h e I r o n a n d S t e e l I n s t i t u t e o f J a p a n 2 0 0 7 4 7 6 8 4 0 E 2 Z h a n g L i f e n g Y a n g S u b o C a i K a i k e I n v e s t i g a t i o n o f f l u i d f l o w a n d s t e e l c l e a n l i ne s s i n t he c o nt i nu o u s c a s t i n g s t r a n d J Me t a l l u r g i c a l a n d Ma t e r i a l s T r a n s a c t i o n s 2 0 0 7 3 8 B 6 3 3 张大江 陈登福 王翠娜 等 不同宽度板坯结晶器内流场的 水模型和数值模拟研究 J 特殊钢 2 0 1 0 3 1 1 1 4 1 7 4 等南阳 金友林 3 0 4不锈钢板坯连铸结 晶器水 口结构优化 的数值模拟 J 特殊钢 2 0 1 0 3 1 3 1 0 1 3 5 T h o m a s B G Z h a n g L F Ma t h e m a t i c a l m o d e l i n g o f f l u i d f l o w i n c o n t i n u o u s c a s t i n g J I S I J I n t e r n a t io n a l 2 0 0 1 4 1 1 0 1 1 8 1 1 1 9 3 6 雷洪 朱苗勇 邱同榜 等 板坯连铸结晶器流场优化 I 炼 钢 2 0 0 0 1 6 3 2 9 3 1 7 李宝宽 赫冀成 炼钢中的计算流体力学 M 北京 冶金工 业 出版社 1 9 9 8 2 1 9 8 干勇 仇圣桃 萧泽强 连续铸钢过程数学物理模型 M 北 京 冶金工业出版社 2 0 0 1 1 2 2 9 Th o ma s B G Yu a n Q C o mp a r i s o n o f f o u r me t h o d s t o e v a l u a t e f l u id v e l o c i t i e s i n a c o n t i n u o u s s l a b c a s t i n g m o l d I J I SU I n t e r n a t i o n a l 2 0 0 1 4 1 1 0 1 26 2 1 O N g u y e s A V E v a n s G M Comp u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c mo d e l i n g o f g a s j e t s i mp i n g i n g n o t o l i q u id p o o l s J Ap p l i e d Ma t h e