连铸结晶器内钢液流动、传热及凝固数值模拟

摘要

在钢铁制造工艺流程中，结晶器是处理液态金属的最后一个反应器，也是铸坯的第一道成形装置。结晶器内钢液的流动状态对结晶器内钢液的传热、自由面的波动情况、气泡与夹杂物的上浮和去除都有重要的影响；结晶器内温度场影响着铸坯的温度分布及凝固坯壳厚度的分布，两者对连铸坯的质量有着决定性的作用。全面深入地认识结晶器内钢液的流动及传热对连铸生产的顺行和高效有很重要的作用。
　　本文以板坯连铸结晶器为研究对象，使用多物理场耦合软件 COMSOL Multiphysics建立板坯连铸结晶器内钢液流动及凝固传热的瞬态数学模型，采用有限元方法进行求解，考察了拉坯速度、铸坯宽度、水口浸入深度及倾角、过热度对结晶器内钢液流动及传热的影响，并且将模型结果与经验公式计算结果进行对比验证。模拟结果表明：
　　(1)钢液在结晶器内的基本流动特征为：钢液从水口侧孔流出后撞击结晶器窄面，形成上下两个环流。
　　(2)随着拉坯速度、铸坯宽度的增加，冲击深度、冲击速度均随之增加，同时涡心向下移动，自由面钢液流速也有所增加。
　　(3)水口浸入深度对冲击速度影响不大，但是冲击深度随着浸入深度的增加而增加，同时涡心也随着浸入深度的增加而下移。
　　(4)水口侧孔倾角增加，冲击深度增加，冲击速度减小，自由面钢液流速降低，涡心距离自由面高度增加。
　　(5)拉坯速度每增加0.2m/min，铸坯的凝固坯壳厚度约下降2.3mm；过热度每增加5℃，坯壳厚度减小约0.8mm。

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第一章 文献综述

1.1 结晶器

1.1.1 结晶器的主要作用

1.1.2 结晶器的分类

1.1.3 板坯连铸结晶器的结构及参数

1.2 浸入式水口

1.3 结晶器内钢液的流动、传热与凝固

1.3.1结晶器内钢液的流动

1.3.2结晶器内钢液的传热与凝固

1.3.3 结晶器内钢液流动行为及热行为的研究方法

1.4课题研究的内容及意义

第二章 钢液流动、传热及凝固数学模型的建立

2.1 多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics简介

2.2 基本假设及几何坐标系的建立

2.3 控制方程

2.4初始条件及边界条件

2.4.1初始条件

2.4.2边界条件

2.5连铸坯钢种及结晶器工况条件

2.6 模型中物性参数的处理

第三章 工艺参数及水口参数对结晶器内流场及温度场的影响

3.1 结晶器内流场分析

3.1.1拉坯速度对结晶器内钢液流动状态的影响

3.1.2 铸坯宽度对结晶器内钢液流动状态的影响

3.1.3水口浸入深度对结晶器内钢液流动状态的影响

3.1.4水口侧孔倾角对结晶器内钢液流动状态的影响

3.2结晶器内温度场的分析

3.2.1拉坯速度对结晶器内钢液传热及凝固的影响

3.2.2钢水过热度对结晶器内温度场的影响

3.3耦合模型的流场及温度场分析

3.3.1耦合模型的流场分析

3.3.2耦合模型的温度场分析

第四章 结论

致谢

参考文献

附录1攻读硕士学位期间发表的论文

附录2攻读硕士学位期间参加的科研项目