结晶器数值模拟与分析

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结晶器数值模拟与分析

薄凤华王凤琴王卫华李永林杨晓山

(首钢钢铁公司)

摘要：板坯连铸结晶器内钢液的流动方式对钢水中夹杂物的去除、防止卷渣、保证较高质量的钢水等方面具有极其重要的作用。本文利用流场计算软件Fluent建立了三维模型，计算研究了首钢浸入式水口的出口倾角、浸入深度、拉速等工艺参数对板坯连铸结晶器流场及液面紊动能和窄面冲击压力的影响，计算结果与水模实验结果吻合较好。优化出满足拉速和断面要求合理的水口尺寸参数，从而为改善铸坯质量提供依据。

关键词：板坯结晶器流场数值模拟

1前言

结晶器作为钢水洁净度控制的最后环节，其内钢水的流场分布，对夹杂物的去除、钢质量的改善以及凝固初期凝固壳的传热均有着显著影响^[1]。由于冶金过程是在高温下进行的复杂过程，很难直观定性地研究，计算机数值模拟是有效的研究手段之一^[2-3]。

传统的设计研究方法多依靠经验和实验完成设计和研究目的，涉及的环节多，产品开发周期长，费用昂贵，在遇到技术难题时不易找到原因，造成时间和资金的浪费。利用CFD仿真平台Fluent构建结晶器数学模型，通过网格划分等各种离散化方法将控制流动的流体力学基本方程离散化，建立表现为大型代数方程组的各种数值模型，以密集计算的手段来仿真实际的流动现象，得到定量描述流场性质的数值解，实现流体行为的预测。利用CFD软件准确给出中包内流体流动的细节，如全流场速度、压力分布，很容易从对流场的分析中发现设计和研究中存在的问题，大大减少了研究过程的中间环节，显著缩短研究及设计周期，降低开发费用^[4]。

2结晶器流场数学模型的建立

2．I基本假设

1)结晶器内的钢液流动为稳态；

2)结晶器内流体为不可压缩牛顿流体，且其物性参数视为常量；

3)忽略坯壳和结晶器壁的倾斜效果：忽略振动对流动的影响；

4)不考虑结晶器内凝固壳的存在：

5)结晶器内钢液按均相介质处理；

6)考虑墙面和自由表面为绝热(或稳态传热)，不考虑表面覆盖剂对流动的影响。

2 基本方程

连铸结晶器中钢水的流动可简化为初始温度均匀，稳态单相流动，ρ=常数，其微分方程有：

2．4数值求解

基于上述模型的控制方程及边界条件，应用Fluent6．2软件进行计算，计算步骤如下：

1)前处理：建立模型的几何造型、划分网格、定义边界。

2)求解：通过控制求解精度及迭代步骤，调节松弛因子，达到收敛的结果。求解耗时约12小时。

3)后处理：将计算结果进行可视化处理。

由于几何对称性，据此建立的结晶器模型如图l。

本文仅对流场进行分析，不考虑温度的影响，需要的材料参数有钢水密度和钢水粘性系数，取值如下：Ρ_钢水=7800Kg／m³ ； V_粘性一0．006 Kg／m．s

2．6结果与讨论

2．6．1浸入式水口内钢液流场的基本特征

图2为浸入式水口内钢液的流动状态．由图可见，在水口出口截面上，钢液的流动速度不均匀。建立侧孔倾角为O^o，－8^o，－12^o和－15^o的模型等到的浸入式水口内钢液流场的基本特征是一致的，水口出口处钢液的流动都可分为两部分：

1)侧孔下半部分有大量钢水流出，方向向下，且速度较大。

2)侧孔上半部分有较弱的回流，流速较小。当水口向下倾角增大时，其出口速度的最大值逐渐变小。

2．6．2结晶器内钢液流场的基本特征

图3给出了模拟浸入式水口向下15^o时结晶器内钢液的流动状态。来自水口的钢液沿直线流向窄面，且在行进过程中不断扩张，流速逐渐降低，撞击到结晶器窄面后分成向上和向下两股流动。上升流股沿窄面向上流动，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，决定了融熔保护渣层的厚度，其强弱取决于水口张角、浸入深度和拉坯速度；下降流股则沿窄面继续下行，达到一定穿透深度后，流向中心，形成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。具有较大动能的钢水沿结晶器侧壁上升达到最大高度后，由于重力作用落下；为了满足结晶器中流量守恒，回落的钢水使得自由表面在产生起伏。液位波动的幅度主要与回流区高度方向的速度有关，波谷的水平位置受回流水平速度的影响。水口附近的自由表面处于上回流区的下游，流速较小，其位置几乎保持稳定。这一现象与水模拟实验及采用紊流动能或软件CFX所得的结果一致。

2．6．3水口倾角对结晶器流场的影响

图4、5为结晶器水口不同倾角的流线图。改变水口倾角，流场的基本形式并没有改变，整个流场仍然有明显的回流区组成。当水口倾角为O^o～－15^o时，其撞击点的位置与结晶器自由表面的距离为350mm~400mm，这就表明当水口倾角由0变化到－15^o时，其撞击点的位置是逐渐下降的，钢液对窄面的剪切力也逐渐降低。钢水沿结晶器侧壁上升达到最大高度形成波峰，而后跌落形成波谷，水El附近的液面位置变化不大。当出口向下时，液面波动的波峰、波谷随出口角上偏而明显增大。由图5、图6可得：相同条件下的水口出口角向下倾斜越小，冲击点上移，出流方向上侧的回流区愈小，且窝心位置随着倾角；所受结晶器内部钢水流动的影响愈大；液位波动幅度愈大。

2．6．4水口浸入深度对结晶器流场的影响

图7、8为结晶器水口浸入深度不同的流线图。随着水口浸入深度的增加，结晶器液面钢液流动速度明显减小，液面湍动能也相应减小。在采用长方形水口时，增大水口浸入深度，波面速度最大值由0．16m／s降为0．12m／s．弯月面处湍动能由0．001lm²／s²。降至0．0006m²／s²。这是因为随着水口浸入深度的增加．熔池表面附近向上运动的回流范围变大，结晶器自由表面处液面波动幅度明显减小，这十分有利于减少保护渣卷入的机会，阻止产生新的夹杂物；但是，较大的浸入深度，必然造成下降流的涡心位置下移，增加了夹杂物和气泡被卷入铸坯深处的机会，使连铸坯内部缺陷增多。同时，由于更多的高温钢水进入结晶器下部，影响了凝固壳的生长，使结晶器下沿的铸坯初生坯壳减薄，增大漏钢的几率，不利于高拉速操作。从图6可以看出，在相同的操作条件下，液面速度对水口浸入深度十分敏感，水口浸入深度越小，液面速度越大，弯月面波动幅度明显增加。因此，当液面速度较大，液面波动剧烈时，应采用较大的浸入深度来避免钢渣卷混的产生。

2．6．5拉速对结晶器液面的影响

图10、11是拉速对液面动能的影响图。由图可见，钢液面动能随着拉速的增大而增大，且最大值均出现在靠近结晶器窄边区域。这是因为当拉速增大时，水口的出口钢流量增大，流股动能增大，增大的流股从水口流出后，在碰到窄边后反弹沿内壁向上流动，从而增大了上回流区对液面窄边区域的振动。拉速增大时必然造成下降流的涡心位置下移，这与增大的浸入深度道理相同。

连铸结晶器液面波动是一种复杂的物理冶金现象。模拟过程中，假定水口出流速度相同。实际上由于水口出口的壁面效应，靠近出口内侧面的流速相对于出口中心较小，水口附近的自由表面较平。因此，靠近水口侧面的液位起伏模拟与实际有些偏差。另外，实际过程中由于结晶器振动、水口出流速度及拉速不稳定，钢水表面可能产生若干个波。所以，基于本文液位波动模拟算法进行优化设计连铸结构工艺参数的研究工作仍有待深入。

3结论

(1)水口出口倾角、水口浸入深度、拉速等工艺参数对结晶器内流场状况起着决定性作用。这对优化水口参数，提高钢纯净度有着十分重要意义；

(2)水口浸入深度越大，向下倾角越大，拉速越小，液面速度越小，液面波动越弱，钢渣卷混发生的可能性越低。

(3)本模型能预测不同操作条件下结晶器内钢液的流动行为，为现场操作提供信息。

参考文献

【l】朱苗勇，刘家奇，肖泽强．板坯连铸结晶器内钢液流动过程的模拟仿真．钢铁，1996，3l(8)：23

【2】余会香等．板坯连铸浸入式水口出口速度对结晶器流场影响的数值模拟．北京科技大学学报，2002，24(5)：493

【3】李宝宽，赫冀成．炼钢中的计算流体力学．北京：冶金工业出版社，1998．3

【4】文光华，李刚，张建春．钢铁，1997，32(增刊)：691

【5】陶文铨．数值传热学．西安：西安交通大学出版社，1989

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