超宽板坯结晶器流场和温度场的数值模拟

超宽板坯结晶器流场和温度场的数值模拟

1瞬态和物理模型

连铸是一个由流动、传热和硬化组成的综合过程。在极厚连接过程中，晶体中钢液的流动

特性和传统武器，不仅影响钢水固存和混合物的去除，而且与铸造褶皱和弯曲的表面密切

相关。随着铸造横截面的扩大和钢水流量的增加，晶体内流场和温度场的不均匀性增强。

这是非常方便的。超宽板的制造性能比传统板差，而且表面质量较小。结果表明，基于计

算机的三维计算方法和冲孔模型，对提高超宽板的质量具有重要的理论和实际意义。

lakalari等人应用了瞬态模型，使用大波动模拟和交叉点，模拟了钢液的流动和传热硬化,

并与水模型试验达到了一致。nam等人开发了薄板重晶性三维数学模型，采用有限体积法

进行流动、传热、硬化的耦合数值模拟。结果表明，板材的厚度与实测板材的厚度基本相

同。采用有限体积法进行流动、传热、硬化的组合数值模拟。结果表明，板材的最小厚度

与测量颗粒的大小基本相司。采用三维稳定模型和瞬态传热模型，模拟了晶体中的传热和

硬化行为。仿真结果与现场试验结果一致。

目前,对结晶器流场与温度场的数值模拟研究中，湍流模型通常选取低Re数k-£模型或标

准k-e模型;在商业软件的使用中,文献中多使用CFX和ANSYS以及PHOENICS和Flov-3D.

本工作基于商业软件FLUENT操作平台，对超宽大断面结晶器内钢液流动状况和传热行为进

行了耦合数值模拟，研究了水口结构参数和结晶器尺寸、水口倾角及插入深度、拉速、过

热度及冷却强度等对超宽板环结晶器流场和温度场的影响规律，数值模拟结果可为超宽板

坯连铸技术的进一步开发和板坯质量的提高提供理论依据.

2磁体中的钢液流和传热数学模型

2.1流体密度方面

(1)固、液相金属均按牛顿不可压缩流体处理，固、液相金属及两相区流体密度均为常数；

(2)忽略结晶器弯月面表面波动及保护渣对流动的影响；

(3)不考虑凝固坯壳、结晶器锥度对流场影响；

(4)固态相变潜热远小于凝固潜热,忽略金属固态相变的影响.

2.2U3000热法

连续性方程

N-S方程

k方程

£方程

能量方程

在Fluent中采用热焙法来模拟凝固过程,因此能量方程改写为

式中,Cl,C2,6k,St,Cn,为经验常数,采用Launder和Spalding的推荐值，见表1.

2.3结构边界的确定

(1)结晶器自由液面.在结晶器液面处，所有变量的垂宜梯度均设为零,垂直于液面的速度分

量也设为零；

(2)入口边界.取浸入式水口入口处为入口边界，采用速度入口，其法向速度可通过拉速换算

得；

(3)出口边界.所有变量出口方向的速度梯度设为零；

(4)结晶器壁面.垂直于结晶器壁面的速度分量为零，平行于结晶器壁面的分量采用无滑移

边界条件.结晶器的近壁区采用FLUENT中的标准壁面函数处理；

(5)对称面.结晶器宽面中心面为对称面.垂直于对称面的速度分量及所有其它各变量沿对

称面法线方向的梯度设为零；

(6)传热条件.采用平均热流作为结晶器壁传热条件.

2.4固相线温度模型

钢的密度在固相区取7600kg/m3,在两相区取7400kg/m3,在液相区取7000kg/m3.钢的液

固相线温度取决于化学成分,本模型的液相线温度的表达式为

固相线温度的表达式为

2.5凝固潜热的热法

在液相区，导热系数采用⑼公式计算为

其中,kl是钢液的层流导热系数，3t/。t)cp是湍流导热系数，。t是普朗特数,一般

0.9~1.0.

在两相区，导热系数采用如下公式计算

式中，fl和fs分别是液相率分数和固相率分数.

本模型中，采用热焰法处理凝固潜热.

2.6晶器形状的原位化

模拟的结晶器尺寸为325CmmX150mm.考虑结晶器形状的对称性,取其1/2作为数值计算

区域,有效计算长度为30C0mm.同时采用结构化网格，画格间距取为20mm.在靠近宽面和

窄面区域分别添加边界层，加密网格.

2.7速度、压力、湍流能动耗散率收敛的残差

(1)监控点各变量的值及最大值保持稳定；

(2)速度、压力、湍动能、湍动能耗散率收敛的残差标准小于10-3;

(3)进出口的流量误差在10-4以下；

(4)温度的残差标准小于10-6.

3超宽板制造工艺流场和温度场的主要特征及其影响因素

3.1倾角对结晶器性能的影响

图1为超宽板坯(3250mm)结晶器宽面中心对称面上的流场速度分布矢量图.流场特征主要

表现为超宽板坯钢液流股速度在距窄面1/4位置处己衰减大半,到达窄面时的速度与常规

板坯(1800mm)相比要小;超宽板坯涡心位于靠近水口侧的1/4处,而常规宽板坯上下涡心

位置均位于靠近窄面处.此外,超宽板坯的下涡心高度要低于常规宽板坯下涡心高度.

图2是超宽板坯结晶内流段距水口中心不同位置处的速度分布.在水口出口处流股中心速

度为2.0m/s,而在距水口中心0.8m处的速度为0.6m/s,到达窄面时流股中心速度已衰

减为0.2m/s.

图6是不同倾角条件下的冲击深度.随倾角增大,冲击深度加大,结晶器高温区下移,不利于

下部坯壳凝固.水口出口倾角对结晶器温度场也有影响.随倾角的增加，将更多的热量音到

结晶器下部,对窄面温度和凝固的影响较大.图7是侧孔倾角对结晶器出口窄面坯壳液相率

的影响.由图可见，当下倾角度分别为10o,15o和20o时,出口窄面对应坯壳厚度分别为

18,16和12mm，说明侧孔倾角对窄面温度和凝固的影响较大.

3.2拉坯方向z轴正方向的温度分布特点

图3是距自由液面0.5,0.7,0.9m位置处沿铸坯宽面方向上的温度分布曲线.图4是沿拉

坯方向(Z轴正方向)的温度场切片图.由图可见,射流流段经过区域的温度要高于其他部分

钢液的温度.在流动性较强的区域,温度梯度较小;但在壁面靠近固液面交界处,温度梯度较

大.

3.3倾角对自由水面湍流动能的影响

浸入式水口侧孔倾角变化直接影响出口流股的方向，进而影响流股对结晶器窄面的冲匕强

度、冲击深度以及上下回流区的位置.图5为不同倾角条件下自由液面湍动能分布曲线.随

着水口倾角的增加，自由液面的湍动能逐渐减小,湍动能的最大值出现在距水口中心

0.9~1.3m之间.

3.4b.插入深度对结晶器温度分布及温度分布的影响

在实际生产中，改变水口插入深度是获得合埋结晶流场的方法之一.插入深度增大,上部回

流区面积增加，熔池表面的扰动减弱，有利于保护渣的均匀覆盖；同时水口出口流股的冲击

点深度下移，下回流涡心下移,如果插入过深,对坯壳的生长、气泡和夹杂物的上浮及云除

均会产生不利影响图8是不同插入深度下自由液面湍动能分布曲线.由图看出,插入深度

的增加对靠近水口侧的湍动能分布影响较大,湍动能最大值出现在距水口1m处.插入深度

过深,弯月面处钢液湍动能过小,液面不活跃,不利于保护渣熔化.插入深度过浅,钢液面湍

动能过大，易产生卷渣和钢液裸露现象.

插入深度对结晶器温度场也有较大影响.随插入深度增加,结晶器窄面的高温冲击点下移，

下部熔池温度上升，从而影响结晶器下部坯壳的凝固生长.图9是结晶器出口宽面上的温度

分布，随插入深度增加,结晶器出口宽面温度上升.在宽度方向距水口中心0.2、0.9m温度升

高明显，在0.9~1.55m间温度略有上升.

3.5拉坯速度对窄面坯壳凝固的影响

拉速的提高直接导致水口出口流股速度增大,进而增强对结晶器窄面的冲击,不利于坯壳生

长.

同时，拉速增加后，上部回流区的液面活跃,有利于液面的传热和保护渣的熔化.图10是自

由液面的湍动能分布图,滞动能随拉速的提高而增加,湍动能最大值出现在靠近窄面一侧.

拉速由0.9m/min提高到1.2m/min时,湍动能的增加较平缓;当拉速提高到1.5m/min时，

湍动能发生了剧烈的改变:在1.5m位置处出现峰值.

随着拉速提高,更多高温钢液冲击到窄面,从而影响窄面坏壳的生长，窄面坏壳厚度将减薄.

图11是结晶器出口断面（距自由液面0.9m）窄面的液相率分布曲线，由图可以看出，拉坯速

度对窄面坯壳凝固的影响较大.液相率低于0.3就视为己经凝固，以此为标准,则拉坯速度

为0.9m/s,坯壳的厚度为25mm;拉坯速度为1.2m/s,坯壳的厚度为18mm;拉坯速度为1.5

m/s,坏壳的厚度仅为8mir..

3.6过热力对结晶器出口宽面温度的影响

结晶器内温度场的分布除了与水口结构和工艺参数有关外，还与浇注钢液的过热度以及结

晶器的冷却强度有直接的关系.由图12可以看出，结晶资出口宽面上的温度分布受过热度

的影响较大,在距水口中心0.6和1.4m温度的变化较尢过热度每提高7K,平均温度升高

20K.图13是不同过热度条件下结晶器出口窄面液相率分布.过热度提高后，窄面坯壳的厚

度明显减小，过热度提高7K,坯壳减小1mm左右.高的过热度除了使铸坯的温度升高、坯

壳减薄外还会使得中心偏析加重，中心等轴晶区减少,柱状晶增多，不利于生产高质量的铸

坯.所以在实际生产过程中一般控制过热度在20~30K.

改变拉速的同时，需要同时配合适宜的冷却强度.由图14可以看出，结晶器出口宽面温度随

热流的改变而剧烈变化.热流增大，铸坏表面温度下降，热流增加100kW/m2,温度平均降低

60K.

4钢液流股至窄面

以南京钢铁公司超宽板坯连铸结晶器为研究对象,基于商业软件FLUENT操作平台,对超宽

板坯结晶器内钢液流动和传热行为进行了数值模拟，研究了水口结构参数及水口插入深度、

拉坯速度、过热度、冷却强度对超宽板坯结晶器流场及温度场的影响规律.

(1)超宽板坯流场的主要特征表现为钢液流股到达窄面时速度相比于常规板坯小，流场涡心

靠近水口侧.

(2)水口侧孔向下倾角对流场有较大影响.水口向下倾角由10o增至20o,钢液流股在窄面处

的冲击点下移了0.2m.

(3)随水口插入深度的增加，自由液面速度降低,射流冲击深度随之增加.

(4)拉速是影响结晶器流场与温度场的重要因素