浸入式水口对结晶器流场和温度场影响的数值模拟

摘要

随着高效连铸技术的不断发展，结晶器的冶金作用越来越明显。结晶器内钢液的流动行为不仅对夹杂物的分离去除、保护渣的卷入影响很大，而且对初期凝固坯壳的均匀形成、防止注流冲刷局部凝固坯壳造成拉漏或产生铸坯表面裂纹都有很大影响，因此深入了解结晶器的钢液流动行为是提高坯壳质量的关键所在。
　　 本文以包钢炼钢厂大方坯结晶器（断面尺380mm×280mm）为研究对象，通过商业软件F1uent，依据计算流体动力学理论建立了三维数学模型。研究了方坯连铸结晶器浸入式水口各参数（浸入水口深度、水口倾角、拉速）对流场、温度场分布及夹杂物运动的影响。
　　 研究表明：
　　 浸入式水口插入深度主要改变射流冲击点的位置。随着插入深度的增加，射流冲击点位置依次为0.13m、0.19m、0.24m；射流对窄面的冲击速度略有降低，依次为0.28m/s、0.25m/s、0.23m/s；液面逐渐平稳，高温区下移；夹杂物去除率降低，如：颗粒直径100μm的夹杂物去除率从20％降至18％，颗粒直径200μm的夹杂物去除率从40％降至30％等。
　　 拉速主要影响整个结晶器内钢液的流速。随着拉速的增大，水口出口流速增加，依次为0.7m/s、0.9m/s、1.2m/s；流股对窄面的冲击速度增大，依次为0.17m/s、0.23m/s、0.25m/s，冲击深度略有增加；结晶器液面波动增大；夹杂物去除率降低，如：颗粒直径100μm的夹杂物去除率从20％降至17％；颗粒直径200μm的夹杂物去除率从40％降至25％等。
　　 水口倾角主要影响侧孔射流的角度和射程，随着水口向下倾角增加，射流对窄面的冲击深度增加，依次为0.13m、0.17m、0.19m；冲击强度减小，依次为0.42m/s、0.31m/s、0.25m/s，造成结晶器下部的高温区面积增大；夹杂物去除率降低，如：颗粒直径100μm的夹杂物去除率从23％降至17％；颗粒直径200μm的夹杂物去除率从42％降至30％等。
　　 通过研究比较可知，水口插入深度100mm、拉速0.7m/min、倾角向下15°时，结晶器内流场和温度场分布情况较为合理，此方案已在生产现场运行，铸坯内部质量良好，夹杂物含量能满足高速轨用钢的洁净度要求。

目录

文摘

英文文摘

引言

1 绪论

1.1 连续铸钢工艺概述

1.2 浸入式水口概述

1.3 结晶器内钢液流动行为与铸坯质量的关系

1.3.1 防止保护渣卷入

1.3.2 控制合理的结晶器液面波动

1.3.3 防止坯壳不均匀生长

1.3.4 降低钢液中的夹杂和气泡

1.3.5 促进液相穴内夹杂上浮与排出

1.4 影响结晶器钢液流场的主要因素

1.4.1 结构参数的影响

1.4.2 工艺参数的影响

1.5 研究方法

1.5.1 物理模拟法

1.5.2 数值模拟法

1.5.3 方坯结晶器数值模拟现状

1.6 选题的目的和意义

2 结晶器内流场及温度场分析研究

2.1 结晶器流场分析

2.1.1 结晶器内流场的假设

2.1.2 结晶器内钢液流动特点与湍流模型

2.2 结晶器内温度场

2.2.1 结晶器内坯壳形成

2.2.2 结晶器传热机理

3 数学模型的建立

3.1 方坯结晶器模型

3.1.1 物理模型

3.1.2 浇注钢液的物性参数

3.2 结晶器内流场和温度场数学模型的建立和求解

3.2.1 基本控制方程

3.2.2 凝固潜热的处理

3.2.3 导热系数的处理

3.2.4 边界条件

3.3 夹杂物运动模型

3.4 结晶器的网格划分

3.5 求解过程

4 数值模拟结果与分析

4.1 浸入式水口结构参数、工艺参数研究

4.2 结晶器内钢液流场的基本特征

4.3 各参数对结晶器内流场和温度场的影响

4.3.1 浸入深度对结晶器流场和温度场的影响

4.3.2 拉速对结晶器流场和温度场的影响

4.3.3 水口侧开孔倾角对结晶器流场和温度场的影响

4.4 各参数对结晶器内夹杂物去除的影响

4.4.1 结晶器内夹杂物颗粒的运动轨迹

4.4.2 不同夹杂物颗粒密度对夹杂物去除的影响

4.4.3 不同夹杂物颗粒直径对夹杂物去除的影响

4.4.4 不同拉速对夹杂物去除的影响

4.4.5 不同浸入深度对夹杂物去除的影响

4.4.6 不同侧孔倾角对夹杂物去除的影响

4.5 确定最优方案及现场应用

4.5.1 确定最优方案

4.5.1 现场应用

结论

参考文献

在学研究成果

致谢