漏斗形薄板坯结晶器内流动与传热行为的数值仿真

1前言

在薄板坯连铸过程中，结晶器内流体的流动特性不仅关系到结晶器的传热和夹杂物的上浮^[1]，而且还与铸坯裂纹、皱皮、偏析等表面及内部质量有着非常密切的关系。对于薄板坯连铸工艺，由于铸坯厚度薄，为达到经济产量必须提高拉速，因此其拉速远远大于一般的板坯连铸机。薄板坯结晶器由于开口度小，浸入式水口加入后严重影响了结晶器中钢液流动，一方面恶化了传热和化渣条件，另一方面由于紊流强度的加大，增加了保护渣进入钢中的可能性，因而限制了拉速的提高。因此，为了提高拉速，必须对结晶器流场的影响因素进行分析，以优化高拉速下的结晶器流场和温度场。

2 模型建立

薄板坯结晶器的长度一般为1．1 m，由于其对称性，取结晶器内流体的1／4进行计算。在建立结晶器钢水流动数学模型时，提出以下假设：

1)结晶器内钢液流动为三维稳态不可压缩流动；

2)不考虑铸坯或结晶器往复振动以及凝固收缩等因素对钢液运动所产生的影响；

3)忽略弯月面的波动，认为结晶器钢液面平静。

2．1 基本方程

描述结晶器钢液流动的三维稳态不可压缩问题的数学表达式如下：

连续性方程：

2．3 计算方法

确立模型的控制方程及边界条件后，应用STAR—CD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、划分网格输人物性参数和边界条件，κ­ε两方程模型的选取。利用Subuser功能加入自编计算温度场的程序。(2)求解。用Simple算法进行计算。(3)后处理。将计算结果进行可视化处理。

3模型的验证

为了验证模型的可行性，模拟计算了叉状水口下倾角度20。，插入深度为100mm，拉速为4m／min漏斗形结晶器内流体流动情况，所得结果与水力学实验结果一致^[3]。

4结果与分析

本文在其他参数相同的条件下，针对不同水口结构、拉坯速度以及水口插人深度对CSP漏斗形结晶器内钢液流场与温度场进行了数值仿真研究。

4．1 水口结构形状对流场和温度场的影响

针对CSP结晶器，模拟计算了双侧孔水口、喇叭形水口、牛鼻子水口以及叉状水．口(倾角为80°、60°、45°)，插入深度为150mm，拉速为5m／min时的钢液流动和温度分布状态。图1为计算区域网格划分与漏斗形结晶器示意图。图2和图3为水口结构形状示意图。

薄板坯连铸结晶器由于宽厚比大，通过结晶器内三维流场的计算，发现其流动分布主要反映在宽面上，因此，用在不同宽面上流场图和温度等值线图来比较水口结构、拉坯速度和水口插入深度对结晶器内流场和温度场的影响，见图4、图5。

由图可知，牛鼻子水口既克服了喇叭形水口浇铸时冲击深度大和液面区域流动不活跃的特点；又避免了双侧孔水口浇铸时结晶器液面扰动大，保护渣不能覆盖的问题；能够满足薄板坯连铸结晶器浇铸工艺要求，是目前一种较理想的水口结构形式。叉状水口其流动受其倾角的影响较大：1)水口倾角的下倾角度减小时，流股出口角度逐步上倾，流股的冲击深度减小；2)出口角度在向下80°时，冲击流股在到达结晶器窄边前就开始分散，而出口倾角为向下45°时，流股在与结晶器窄边壁碰撞后才分散。综上所述，出口倾角为60°的水口，既有80°水口和45°水口的优点，又避免了两者的缺点，是这三种水口中较理想的一种水口。

由计算的对称面的温度场可知，铸坯中心温度变化很小，因为流动的钢水导热系数很大，传热比较快，将从结晶器流人的热流量迅速传向拉坯方向。铸坯表面温度变化较为明显，因为结晶器要求冷却强度高，形成足够厚度的坯壳，以保证铸坯出结晶器不被拉漏。不同的水口结构形状所产生的流场对凝固壳厚度影响很大。双侧孔水口的流场的上回流涡心位置离液面和宽面中心较近，导致流场对漏斗形结晶器内凝固壳冲刷严重，致使结晶器上部凝固壳沿宽面方向上的厚度不均，这也许是薄板坯裂纹产生的主要原因；喇叭形水口下的流场对宽面中心的冲刷严重，所以宽面中心的凝固壳增长缓慢，远离宽面中心处的凝固壳增长较快；牛鼻子水口流场较双侧孔和喇叭形水口流场好，基本上克服了上述的缺点，凝固壳较均匀；叉状水口凝固壳上部增长较快，沿板坯宽面方向凝固壳较均匀，45°水口凝固壳最薄处靠近窄边，而80°水口凝固壳最薄处靠近宽面中心，60°水口凝固壳最为均匀，是这几种水口中最理想的水口。

4．2 浇注速度对流场和温度场的影响

模拟计算了在其他条件不变，拉速为6．0m／min时6种水口速度矢量图和温度场等值线图以及宽面中心和沿拉坯方向不同截面的凝固壳厚度图。发现拉速增加，等温线向铸坯表面移动，使铸坯中心温度降低。结晶器上部液位差增大，一方面导致保护渣更容易卷入钢液中；另一方面水口出口射流也加剧了结晶器下部区域流动，使得射流冲击强度和冲击深度增加。双侧孔水口液面波动受拉速的影响最为明显，反之冲击深度是喇叭形水口最大。而且拉速增加，加强了流体对初生坯壳的冲刷，使初生坯壳厚度整体上小于低拉速时凝固壳厚度且凝固壳不均匀性增大，易造成裂纹等铸坯质量问题。采用双侧孔水口浇注时，液面扰动大，其最大速度大于临界的卷渣速度0．2m／s，不利保护渣浇注。喇叭形水口和叉状水口80°液面波动小，相对不活跃。

4．3 水口插入深度对流场和温度场的影响

以60°叉状水口为例，对拉速为6m／min水口插入深度分别为1 50mm、200mm、250mm时的流场、温度场、凝固壳厚度及表面速度进行了计算，发现改变水口插入深度，结晶器内流动形式相同。随着水口插入深度的增加，结晶器内钢液面速度减弱，液面区域相对较为平稳，但射流冲击深度随之增加，对凝固坯壳的冲刷及重熔增强，致使结晶器下部凝固壳厚度增加较小。

5结语

1)牛鼻子水口与倾角为60°的叉状水口较为理想。

2)铸坯中心温度变化很小，而铸坯表面温度变化较为明显。

3)不同的水口结构形状所产生的流场对凝固壳厚度影响很大。60°水口凝固壳最为均匀。

4)拉速增加，等温线向铸坯表面移动，使铸坯中心温度降低。流股对初生坯壳的冲击力增加，使初生坯壳厚度整体上小于低拉速时凝固壳厚度，且坯壳不均匀，易造成裂纹等铸坯质量问题。

5)改变水口插入深度结晶器内流动形式相同，但射流冲击深度随之增加，致使结晶器下部凝固壳厚度增加较小。