连铸结晶器保护渣流动/传热行为数值模拟

摘要

连铸生产中，添加在钢液表面的保护渣吸热熔化并在钢液表面形成稳定的粉渣层、烧结层与液渣层三层结构。伴随着结晶器的周期性振动及连铸坯的不断下移，液渣流入到结晶器和铸坯之间的缝隙内部，担负着稳定传热和降低摩擦等重要的冶金功能。在正常的连铸工况条件下，钢液表面液态渣层的厚度需要控制在一个相对稳定的范围内，以平衡上方烧结层保护渣的吸热熔化与液渣向下的流入和持续消耗。结晶器弯月面区域保护渣的流入行为是影响保护渣消耗量并决定铸坯质量的重要因素，生产中应尽力确保液渣的稳定供应和流入，促进液态渣膜均匀分布，以均匀化传热和降低摩擦。
　　正确认识和调控保护渣复杂的传热和流动状态，对于稳定和提高连铸坯表面质量具有重要意义。本文基于传热学、黏性流体力学基本原理，建立了描述保护渣流动/传热的数值计算模型，对结晶器钢液表面保护渣的流动/传热行为、渣道缝隙内液渣流动速度及保护渣消耗进行了计算和分析。首先，基于国内某钢厂弧型板坯连铸机的设备参数和浇铸工艺，依据Navier-Stokes流体动量守恒方程及能量方程，建立了描述钢液表面液态保护渣流动/传热的二维纵截面数值模型，计算和分析了保护渣的流场和温度场分布，探讨了渣层厚度、保护渣黏度及剪切速度等因素对液渣层流动和传热状态的影响。此外，针对结晶器弯月面区域保护渣的流动和消耗特点，依据Navier-Stokes动量方程以及剪切应力SST k-w湍流模型，建立了弯月面区域保护渣流动二维数值模型，模型充分考虑了结晶器振动及拉坯速度对保护渣流入的影响，采用Bikerman方程确定保护渣和钢液的初始界面，并通过选取合适的湍流模型对Navier-Stokes方程进行简化，对一个完整的结晶器振动周期内保护渣的瞬态流动、渣/钢界面波动及渣道横截面流动速度的周期性变化规律进行了计算和分析，并考察了拉速、振频与振幅等参数对保护渣消耗量的影响，研究结果为考察保护渣复杂的冶金行为提供参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 连铸保护渣概述

1．1．1 渣层结构

1．1．2 保护渣的冶金作用

1．1．3 保护渣物性参数

1．2 结晶器保护渣与铸坯质量的关系

1．2．1 保护渣与铸坯质量

1．2．2 保护渣消耗量

1．2．3 钢液表面液渣层厚度

1．2．4 保护渣正确使用的工艺条件

1．3 结晶器弯月面行为

1．4 保护渣传热与流动行为研究现状

1．4．1 钢液表面保护渣传热／流动行为研究

1．4．2 弯月面区域保护渣流动及消耗量研究

1．5 课题背景及研究内容

2 钢液表面液渣层流动／传热耦合数值模型

2．1 钢液表面保护渣的流动／传热概述

2．2 液渣流动／传热模型

2．2．1 铸机条件与计算区域

2．2．2 基本控制方程

2．2．3 网格划分与边界条件

2．3 求解方法

2．3．1 计算方法

2．3．2 计算流程

2．4 保护渣黏度

2．5 本章小结

3 钢液表面液渣层流动与传热模拟结果与分析

3．1 计算条件及工艺参数

3．2 液渣流场及温度场的基本形态

3．2．1 渣层厚度对液渣流动／传热的影响

3．2．2 保护渣黏度对液渣流动／传热的影响

3．2．3 瑞利数

3．3 底部剪切速度对液渣层流动与传热的影响

3．3．1 液渣流场及温度场分布

3．3．2 液渣流动速度

3．3．3 渣层界面热流

3．3．4 渣层温度分布

3．4 黏度温度系数对液渣层流动与传热的影响

3．4．1 水平流动速度

3．4．2 纵向流动速度

3．4．3 界面热流密度

3．5 本章小结

4 结晶器弯月面区域保护渣流动的数值模型

4．1 弯月面区域保护渣的流动特点

4．2 流场模拟的基本控制方程

4．2．1 VOF方程

4．2．2 连续性方程

4．2．3 动量方程

4．3 湍流模型的选择与评价

4．3．1 湍流模型描述

4．3．2 湍流模型比较

4．3．3 剪切应力SST k-w模型

4．4 模型描述与计算方法

4．4．1 模型计算区域

4．4．2 弯月面轮廓方程

4．4．3 模型假设

4．4．4 网格划分及边界条件

4．4．5 计算方法

4．5 本章小结

5 结晶器弯月面区域保护渣流动的计算结果与分析

5．1 弯月面曲线的校正

5．2 一个振动周期内弯月面区域保护渣的瞬态流动特征

5．3 弯月面的周期性波动特征

5．4 保护渣的流动速度与渣耗间的关系

5．4．1 渣道横截面上保护渣的流动速度

5．4．2 保护渣的平均流动速度

5．4．3 渣耗计算方法

5．5 保护渣消耗量影响因素讨论

5．5．1 拉速

5．5．2 振幅

5．5．3 振频

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢