摘  要：對(duì)斷面為180 mm×675 mm的板坯結(jié)晶器進(jìn)行1:1物理模擬和數(shù)學(xué)模擬，建立了fluent數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化了結(jié)晶器浸入式水口底部結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)晶器鋼液的表面流速、拉速、流場(chǎng)、保護(hù)渣模擬等進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明：（1）在相同拉速下，傾角為20°凹底20 mm和凹底30 mm的水口的平均表面流速比傾角為20°凸底15°的水口的表面流速下降了20%左右；（2）對(duì)于傾角為20°的浸入式水口，當(dāng)水口底部的凹底深度由20 mm增加到30 mm時(shí)，平均表面流速降低了0.2 m/s；（3）當(dāng)浸入式水口在相同水口傾角和底部結(jié)構(gòu)的情況下，拉坯速度從0.9 m/min升至1.0 m/min時(shí)，平均表面流速上升了5%左右。

關(guān)鍵詞：表面流速；流場(chǎng)；拉速；傾角 ；底部結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Physical and mathematical simulation of mold flow field in slab continuous casting

WU Shao-wen1,2, ZHANG Cai-jun1,2,LIU YI1,2,WU Zhe1,2

（1.College of Metallurgy and Energy , North China University of Science and Technology , Heibei, Tangshan,063000;2. Hebei Engineering Research Center of High Quality Steel Continuous Casting,Heibei,Tangshan,063000）

Abstract: Analyzed the 1:1 physical simulation of slab with a section of 180 mm×675 mm and established the mathematical model of fluent, the bottom structure of submerged nozzle of mould was optimized, studied the surface velocity、casting speed and flow field of molten steel. The results show that: (1)At the same casting speed, the average surface velocity of the nozzle with 20 mm dimple and 30 mm dimple was 20% lower than the surface velocity of the nozzle with the concave 15°;(2)For submerged nozzles with a dip angle of 20 °, the average surface velocity decreased by 0.2 m/s when the depth of the concave bottom of the nozzle was increased from 20 mm to 30 mm;(3)When the submerged nozzle has the same nozzle angle and bottom construction, the average surface velocity increases about 5% as the casting speed increases from 0.9 m/min to 1.0 m/min.

Key words: surface velocity; flow field; casting speed; dip angle; at the bottom of the structure

1 前言

結(jié)晶器內(nèi)部的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布直接關(guān)系到鋼液傳熱、夾雜物上浮和保護(hù)渣熔化等，與鑄坯中間裂紋、三角區(qū)裂紋和角裂等內(nèi)部和表面缺陷的形成都有著直接的關(guān)系[1]。圍繞鋼液在結(jié)晶器內(nèi)穩(wěn)定、對(duì)稱(chēng)的流動(dòng)的模擬研究有很多，這些研究都或多或少的揭示了鋼液在結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)的內(nèi)部規(guī)律[2-4]。然而數(shù)值模擬軟件Fluent可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)和傳熱進(jìn)行解析，成為優(yōu)化結(jié)晶器工藝參數(shù)的重要手段。在連鑄過(guò)程中許多問(wèn)題的產(chǎn)生可以直接歸因于結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的不穩(wěn)定，因?yàn)閵A雜物在結(jié)晶器中的行為和鋼渣在表面的行為會(huì)直接影響到鑄坯的質(zhì)量[5-6]，因此，對(duì)于連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，提高連鑄坯質(zhì)量和優(yōu)化連鑄操作尤為重要[7-10]。本次課題主要是針對(duì)某鋼廠(chǎng)的斷面選取最適合的水口結(jié)構(gòu)，采用數(shù)學(xué)物理模擬相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)的分析了浸入式水口的傾角，拉坯速度，水口底部結(jié)構(gòu)對(duì)鋼液表面流速的影響，并對(duì)鋼液流場(chǎng)分布作出了進(jìn)一步說(shuō)明，并提出合理的建議進(jìn)而優(yōu)化，從而減少連鑄坯中的缺陷。

2 模型的建立

2.1數(shù)學(xué)模型的建立

2.1.1基本假設(shè)

實(shí)際結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)是很復(fù)雜的物理過(guò)程，受凝固、振動(dòng)等多方面因素的影響，但在數(shù)值模擬過(guò)程中需要對(duì)所研究的問(wèn)題需進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化和必要的假設(shè)。本文的假設(shè)有:

(1)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)為粘性，不可壓縮流動(dòng)；

(2)結(jié)晶器內(nèi)鋼液按均相介質(zhì)處理；

(3)不考慮結(jié)晶器振動(dòng)等因素對(duì)流場(chǎng)的影響；

(4)計(jì)算邊界為無(wú)滑移邊界，即速度為0，且k=0，? = 0；

2.1.2基本方程

描述結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮問(wèn)題的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

反映其粘性流動(dòng)的主導(dǎo)方程[11]有：

2.1.3邊界條件的確定

(1)入口：浸入式水口內(nèi)的鋼液速度垂直向下，所以將入口定義在浸入式水口的入口處，設(shè)置為速度入口。

(2)結(jié)晶器自由液面和對(duì)稱(chēng)面：結(jié)晶器自由液面和水口內(nèi)壁設(shè)定為壁面，考慮到結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為具有對(duì)稱(chēng)性，分別在寬面和窄面中心設(shè)定兩個(gè)對(duì)稱(chēng)面，并且設(shè)定各物理量在對(duì)稱(chēng)面上的梯度為零。

(3)壁面：結(jié)晶器壁面和水口壁面均處理成無(wú)滑移固體壁面，垂直于壁面的速度分量為零，平行于壁面的速度、壓力及k、?采用無(wú)滑移邊界條件，即粘度設(shè)置為無(wú)限大。冷卻壁面均采用第三類(lèi)傳熱條件[12]。

(4)出口邊界條件：出口定義在結(jié)晶器計(jì)算區(qū)域的底部，出口邊界定義為出流。適用于出口處的流動(dòng)是完全發(fā)展的情況，即出口處與入口處質(zhì)量守恒[13]。

2.2物理模型的建立

用水作為介質(zhì)來(lái)模擬鋼水,其依據(jù)是相似原理，反映結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。結(jié)晶器內(nèi)流體流動(dòng)是以慣性力和重力占主導(dǎo)地位，因此僅考慮佛魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)相等即可。即[14]

4 模擬結(jié)果及分析

4.1數(shù)學(xué)模擬結(jié)果

對(duì)斷面為180×675 mm²的板坯結(jié)晶器進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬后得到一系列數(shù)據(jù)如表2所示：

4.2數(shù)學(xué)模擬結(jié)果分析

（1）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)當(dāng)結(jié)晶器表面流速大于0.18 m/s時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的卷渣情況。優(yōu)化前的結(jié)晶器表面流速所示，根據(jù)圖中顏色可以判斷，大部分區(qū)域?yàn)榧t色，通過(guò)表2可知其中心最大表面流速為0.282 m/s0.18 m/s，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的卷渣現(xiàn)象。

（2）不同水口結(jié)構(gòu)的結(jié)晶器表面流速，其中水口傾角為20°底部結(jié)構(gòu)為凹底30 mm且拉速為0.9 m/min中大部分為橙色，通過(guò)表2數(shù)據(jù)得其最大表面流速0.186 m/s與經(jīng)驗(yàn)表面最大流速0.18 m/s最為接近，且平均表面流速為0.106 m/s，這種情況下液面波動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生卷渣的情況，理論上滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求。

（3）結(jié)晶器縱剖面水口中心截面速度云圖模擬結(jié)果，顯示了結(jié)晶器縱剖面下的流場(chǎng)速度分布。結(jié)果表明，水口為凹底30mm，拉速0.9m/min的流場(chǎng)最穩(wěn)定，適用與實(shí)際生產(chǎn)。

4.3物理模擬結(jié)果及分析

4.3.1結(jié)晶器不同水口底部結(jié)構(gòu)的波高和表面流速對(duì)比

所示為結(jié)晶器流場(chǎng)模擬示意圖，將示蹤劑高錳酸鉀加入到水流中來(lái)模擬新注入的鋼水，從而展示鋼液的流動(dòng)狀態(tài)。采用南京水利科學(xué)研究院河鋼儀器設(shè)備研究所研制的LGY-Ⅱ型智能旋槳式流速計(jì)，對(duì)液面的表面流速進(jìn)行測(cè)定。采用中國(guó)水利水電科學(xué)院研制的DJ800多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)液面波動(dòng)。結(jié)晶器液面波動(dòng)和表面流速測(cè)試點(diǎn)示意圖所示，拉速1.0 m/min時(shí)和0.9 m/min時(shí)，結(jié)晶器表面6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的表面流速和表面波高的對(duì)比情況如表3、4所示。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以得出：

（1）傾角20°的表面流速比傾角15°的流速低，傾角20°凹底30mm的表面流速比凹底20mm的表面流速低，且傾角20°凹底30 mm拉速0.9 m/min的情況下表面流速最低，基本與數(shù)學(xué)模擬得出的0.18 m/s的表面流速，而其他拉速和凹底深度測(cè)得的表面流速都偏大。

（2）拉速為1.0 m/min凹底30 mm比凹底20mm的表面波高在最外側(cè)的兩點(diǎn)波高都降低了0.8 mm，中間點(diǎn)的波高降低了0.7 mm，最內(nèi)測(cè)的點(diǎn)的波高降低了0.6 mm?？梢钥闯?，凹底30 mm的更為平穩(wěn)，液面波動(dòng)較之前有明顯的降低。

（3）結(jié)晶器浸入式水口傾角為20°凹底30 mm，拉坯速度由0.9 m/min提高至1.0 m/min，沖擊深度略有變深。這將造成夾雜物的穿透深度增加，不利于夾雜物的上浮，同時(shí)高溫射流對(duì)結(jié)晶器窄面的沖擊力增強(qiáng)，沖擊范圍變大，對(duì)初生坯殼的沖刷和重熔加劇，從而減慢了凝固殼的生長(zhǎng)速度，故拉坯速度為0.9 m/min為可靠選擇。

4.3.2保護(hù)渣模擬情況

保護(hù)渣的覆蓋效果對(duì)于結(jié)晶器中防止鋼坯二次氧化起著至關(guān)重要的作用，以下為保護(hù)渣在黏度0.3優(yōu)化前和優(yōu)化后的情況，保護(hù)渣覆蓋和卷渣模擬結(jié)果。

可以得出以下結(jié)論：

(1)水口傾角為15°時(shí)保護(hù)渣的覆蓋面積為5/8；當(dāng)水口傾角20°凹底20 mm，拉速為0.9 m/min時(shí)保護(hù)渣的覆蓋面積增加到6/8，并出現(xiàn)少量卷渣；當(dāng)傾角20°凹底30 mm拉速為0.9 m/min時(shí)保護(hù)渣幾乎全部覆蓋，并且液面平穩(wěn)。

(2)水口傾角20°凹底20 mm，拉速為1.0 m/min時(shí)，保護(hù)渣的覆蓋面積增加到5/8，并出現(xiàn)大量卷渣；水口傾角20°凹底30 mm，拉速為1.0 m/min時(shí)，保護(hù)渣覆蓋面積增加到6/8，且有卷渣。

(3)水口傾角為20°凹底30 mm拉速為0.9 m/min的保護(hù)渣覆蓋面積和卷渣情況最好，從而可以有效的減少結(jié)晶器二次氧化現(xiàn)象，保護(hù)渣卷渣明顯減少。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)用Fluent建立數(shù)學(xué)模型，模擬了180×675 mm2斷面的板坯結(jié)晶器內(nèi)部流場(chǎng)及表面流速分布情況，得出當(dāng)浸入式水口傾角為20°，浸入深度為30mm，拉速為0.9m/min時(shí)，才能減少結(jié)晶器表面劇烈波動(dòng)和卷渣現(xiàn)象。

(2)水口傾角為15°凸底時(shí)，表面流速較大，且超過(guò)0.18m/s，容易產(chǎn)生卷渣；當(dāng)水口傾角為20°凹底深度30mm時(shí)，拉速為0.9m/min，所得的最大表面流速為0.177m/s小于0.18m/s，液面波動(dòng)較為平穩(wěn)，不易產(chǎn)生卷渣；同時(shí)，對(duì)于相同的水口，拉坯速度由0.9m/min提高至1.0m/min時(shí)，沖擊深度略有變深，卷渣現(xiàn)象明顯。

(3)對(duì)于相同的水口傾角為20°時(shí)，水口凹底深度由20 mm增加到30 mm時(shí)，最大表面流速降低了0.2 m/s，平均表面流速也降低了0.2 m/s，基本消除了卷渣現(xiàn)象。

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