宽厚板坯结晶器内钢液流场和液面波动的数值模拟

摘要

近年来,随着连铸技术的发展和人们对高品质钢材需求的日益提高。结晶器作为连铸机的“心脏”,同时也是净化钢水的最后一个环节,受到人们越来越多的关注。随着我国造船、核能、国防、重大装备和大型设备制造等行业的飞速发展,使得宽厚板坯的需求与日俱增。在宽厚板坯生产中,钢液流场特性不但与夹杂物的上浮和保护渣的卷入有关,还与铸坯的表面缺陷及偏析紧密相连。因此研究和优化结晶器内钢液流场对提高铸坯质量和高效生产具有重要意义。
　　由于连铸过程涉及到高温和复杂的多相反应,目前仍没有进行精确的现场数据测试,因此利用数值模拟方法已成为研究结晶器流场的重要手段。本文以宽厚板坯连铸结晶器(断面2300mm×250mm)为研究对象,运用FLUENT商业软件,采用k-e湍流模型和VOF模型耦合计算,对结晶器流场和液面波动进行了三维数值模拟。重点研究拉坯速度、浸入式水口深度、侧孔倾角等参数对结晶器流场和液面波动的影响。结果如下:
　　(1)钢液流场的基本特征为:钢液从水口侧孔冲出,流速较大,冲击到窄面后分为上下两个流股,形成上回流区和下回流区。
　　(2)三维VOF法模拟自由液面能准确的反映其波动情况。钢液开始浇注时为非稳定过程,液面波动不规律,幅度较大。经过十几秒后,液面没有明显的波动变化,可认为达到稳定浇注。
　　(3)随着拉速的增大,钢液的流速增大,液面波动幅度增加;随着水口浸入深度和水口侧孔倾角下倾增加时,液面速度减小,使得液面波动减小,降低了卷渣的可能性;但同时增大了向下流股的冲击深度,冲击点的位置下移,这不利于初生坯壳长大和夹杂、气泡的上浮。

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引言

1文献综述

1.1 连铸技术的发展及其历程

1.2 结晶器的作用及研究现状

1.3 数值模拟方法

1.4 数值模拟方法在连铸中的应用

2 课题研究的意义和主要内容

2.1 课题研究的意义

2.2 课题研究的主要内容

3 计算流体力学理论依据

3.1 计算流体力学

3.2 离散化的概述

3.3 FLUENT软件介绍

3.4 界面追踪VOF法简介

4 钢液流场和自由液面波动的数学模型

4.1 基本方程

4.2 物理模型参数

4.3 模型假设

4.4 边界条件的设定

4.5 求解步骤

5 模拟结果分析

5.1 流场的特征

5.2 钢液自由液面的波动

5.3 本章小结

6 不同参数下的模拟结果分析

6.1 拉速的影响

6.2 水口浸入深度的影响

6.3 水口侧孔倾角的影响

6.4本章小结

参考文献

致谢