水口結(jié)構(gòu)對(duì)連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動(dòng)的影響

李京社 程愛民，2 高雅巍 吉傳波 孫麗媛

(1.北京科技大學(xué);2.新疆金特鋼鐵股份有限公司)

水口結(jié)構(gòu)對(duì)連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動(dòng)的影響

李京社1程愛民1，2高雅巍1吉傳波1孫麗媛1

(1.北京科技大學(xué);2.新疆金特鋼鐵股份有限公司)

采用雷諾平均(RANS)數(shù)學(xué)模擬方法，研究波浪形和山形水口底部結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼水湍流現(xiàn)象及表面流速的影響。通過(guò)1∶1結(jié)晶器模型水模擬進(jìn)行了驗(yàn)證，表明采用OA光纖測(cè)速儀對(duì)結(jié)晶器表面流速測(cè)量的結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。研究表明波浪形水口可以抑制水口流出鋼水的射流，改善結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場(chǎng)，降低表面流速穩(wěn)定液面，進(jìn)而改善鑄坯表面質(zhì)量。

連鑄 結(jié)晶器 RANS 數(shù)值模擬 水口結(jié)構(gòu)

0 引言

連鑄過(guò)程中，浸入式水口結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)晶器中鋼水流動(dòng)狀態(tài)有很大影響。合理的浸入式水口結(jié)構(gòu)能夠有效降低注流沖擊深度、分散注流帶入的熱量、穩(wěn)定鋼液表面波動(dòng)以及促使結(jié)晶器坯殼均勻生長(zhǎng)［1－3］。結(jié)晶器液面控制對(duì)鑄坯質(zhì)量及生產(chǎn)順行至關(guān)重要。彎月面速度過(guò)大，結(jié)晶器表面波動(dòng)劇烈容易造成卷渣，導(dǎo)致夾雜物含量增加;彎月面速度過(guò)小液面過(guò)于平靜，熱量提供不足無(wú)法熔化保護(hù)渣，這些均會(huì)引起最終產(chǎn)品的質(zhì)量問題［4－5］。

目前，鋼廠多采用的山形(倒Y型)水口，水口出口射流較強(qiáng)，流股對(duì)結(jié)晶器窄面的沖擊力也較大，水口壁處液面波動(dòng)劇烈，比較容易造成卷渣;采用波浪形水口，可以有效降低鋼水表面速度，穩(wěn)定鋼液表面波動(dòng)，降低流股渦心高度，有利于結(jié)晶器鋼水夾雜物和氣泡上浮，進(jìn)而提高鑄坯質(zhì)量。

筆者采用數(shù)值模擬方法，比較山形水口與波浪形水口結(jié)構(gòu)對(duì)鋼水在結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)的影響。通過(guò)分析水口出口射流形狀，研究穩(wěn)態(tài)條件下水口結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場(chǎng)分布及表面波動(dòng)的影響，為優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)提高鑄坯質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

描述鋼水流動(dòng)狀態(tài)采用三維、不可壓縮Navier－Stokes方程求解計(jì)算，忽略結(jié)晶器凝固坯殼對(duì)流動(dòng)的影響，具體數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

1.2 邊界條件

1)水口入口采用速度邊界條件，入口速度由鋼水流量確定，湍動(dòng)能(k)，耗散率(ε)值用以下計(jì)算方法確定:

式中:Um——入口速度; D——入口直徑。

2)水口和結(jié)晶器出口采用壓力出口，Pgauge=0。

3)結(jié)晶器入口參數(shù)(速度v，湍動(dòng)能k，耗散率ε)從計(jì)算完成的水口出口讀入數(shù)據(jù)。

4)水口和結(jié)晶器壁面采用無(wú)滑移邊界條件。

5)對(duì)稱面:考慮到模型結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取1/4結(jié)晶器為計(jì)算區(qū)域。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 模型驗(yàn)證

數(shù)學(xué)模型采用水模擬進(jìn)行驗(yàn)證，水模擬具體參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

水模擬實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)以某鋼廠板坯連鑄結(jié)晶器為原型，結(jié)晶器水模型與原型比例為1∶1。根據(jù)實(shí)際工藝條件，采用中間包－結(jié)晶器―中間包的循環(huán)水控制系統(tǒng)。結(jié)晶器水流量由水泵控制，結(jié)晶器的液位可以通過(guò)水泵的流量閥及方包下的控制流量裝置來(lái)控制。通過(guò)調(diào)節(jié)該閥，可使系統(tǒng)在要求的水流量下處于平衡狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

本試驗(yàn)采用北京水利水電科院研究所研制的OA型光纖流速儀和LGY－2型智能流速計(jì)數(shù)器，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流體的表面流速進(jìn)行了測(cè)量。OA型光纖流速儀按工作原理可分為:感應(yīng)部分、傳訊部分、尾翼和測(cè)桿等四部分。其工作原理為:當(dāng)水流作用到儀器感應(yīng)元件－旋漿時(shí)，旋漿即產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。水流速度快慢變化，旋漿轉(zhuǎn)速也隨著快慢變化，它們之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。

V=Kn+C (5)

式中:V——流速，m/s;K——水力螺距，m;

C——儀器常數(shù)，m/s;

n——旋漿轉(zhuǎn)率，等于旋槳總轉(zhuǎn)數(shù)N與相應(yīng)測(cè)速歷時(shí)T之比，即n=N/T，1/s。

LGY－2型智能流速計(jì)數(shù)器可將OA型光纖流速儀測(cè)量得到的流速值直接顯示在屏幕上。利用該套裝置可測(cè)量平行于旋漿軸線方向的速度分量，用來(lái)測(cè)量液面的表面流速比較合適，可測(cè)量最小流速為 0.01 m/s，精度為 ±1.0%。

將水模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)量的速度值與模擬結(jié)果比較，測(cè)量點(diǎn)選在結(jié)晶器表面中心線上距離窄面50 mm及距離水口中心150 mm兩處，測(cè)量的速度與模擬結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)吻合較好(如圖2所示)。總體來(lái)說(shuō)，數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)量結(jié)果比較吻合，可以作為有效方法預(yù)測(cè)水口及結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)分布情況。

圖2 速度與模擬結(jié)果比較

2.2 水口及結(jié)晶器模擬結(jié)果

為改善結(jié)晶器流場(chǎng)，針對(duì)900 mm×180 mm板坯連鑄結(jié)晶器，拉速為1.0 m/min時(shí)，研究水口底部結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)影響，山形及波浪形水口底部結(jié)構(gòu)如圖3所示。水口和結(jié)晶器內(nèi)在山形和波浪形水口底部結(jié)構(gòu)后流場(chǎng)比較如圖4所示。

由圖4可以看出，山形水口鋼水回流區(qū)域大，而且射流較窄速度較大，鋼水沖擊結(jié)晶器窄面后向上回流較強(qiáng)，造成鋼水表面速度較大;波浪形水口能夠有效分散高速鋼水注流作用，鋼水在沖擊波浪形底部向上折返后分散了鋼水的湍動(dòng)能，鋼水回流區(qū)域小而且鋼水射流速度降低，射流范圍也較寬，鋼水表面速度也隨之降低。

圖3 山形水口和波浪形水口底部結(jié)構(gòu)

圖4 山形水口及波浪形水口流場(chǎng)比較

山形水口和波浪形水口對(duì)結(jié)晶器表面速度及窄面沖擊的影響如圖5所示。

圖5 結(jié)晶器表面及窄面速度比較

由圖5(a)可以看出，山形水口中心線上速度最大達(dá)到0.21 m/s，而波浪形水口結(jié)晶器表面中心線上最大速度為0.09 m/s，比山型水口最大速度要低57.1%。從圖5(b)可以看出，山形水口對(duì)結(jié)晶器窄面沖擊較明顯，向上流動(dòng)的速度在距離結(jié)晶器頂部200 mm處速度最大達(dá)到0.25 m/s，而波浪形水口向上最大速度為0.12 m/s比山形水口降低52.0%，山形水口在結(jié)晶器上部回流區(qū)沿著窄面向上流動(dòng)速度大，容易發(fā)生卷渣污染鋼液。

近年來(lái)，數(shù)值模擬作為一種精確且經(jīng)濟(jì)有效的研究方法，越來(lái)越受到冶金行業(yè)各方面的認(rèn)可和采用。尤其對(duì)于結(jié)晶器內(nèi)鋼水湍流運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，加上連鑄過(guò)程中操作條件比較惡劣，無(wú)法直接對(duì)鋼水流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行觀察測(cè)量，而采用的數(shù)值模擬可以對(duì)預(yù)測(cè)鋼水流動(dòng)行為，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化工藝有著重要的指導(dǎo)作用。數(shù)值模擬方法不僅可以定性的對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，而且可以定量的計(jì)算鋼水在流動(dòng)過(guò)程的動(dòng)量及能量傳遞，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化工藝參數(shù)提供理論依據(jù)，具有很強(qiáng)的適用性，可開發(fā)的前景廣闊。

3 結(jié)論

1)山型水口射流速度大，造成結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)上部回流較強(qiáng)，容易造成卷渣;

2)波浪形水口可以有效耗散鋼水流速，抑制高速鋼水直接沖出水口，射流形狀比較發(fā)散，降低射流對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的沖擊深度，利于夾雜物上浮去除;

3)波浪形水口可以降低結(jié)晶器表面流速，比山形水口降低57.1%，利于穩(wěn)定彎月面波動(dòng)，結(jié)晶器表面流速高，波動(dòng)劇烈，容易造成表面卷渣，影響鑄坯質(zhì)量;

4)綜合考慮優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)，控制結(jié)晶器表面波動(dòng)，波浪形水口都比山形水口效果要好。

［1］ Thomas，B.G.“Modeling of Continuous Casting，”Chapter 5 in Making，Shaping and Treating of Steel，11th Edition，Vol.5，Casting Volume，A.Cramb，ed.，AISE Steel Foundation，Pittsburgh，PA，5.1 －5.24，2003.

［2］ Huang，X，Thomas，B.G.“Modeling of Transient Flow Phenomena in Continuous Casting of Steel”，No.3 － 4，July － October 1998，pp.197 －212(16)

［3］ 鄧南陽(yáng)，金友林.304不銹鋼板坯連鑄結(jié)晶器水口結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬［J］.特殊鋼，2010，31(3):10 －13.

［4］ 張大江，陳登福，王翠娜.不同寬度板坯結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的水模型和數(shù)值模擬研究［J］.特殊鋼，2010，31(1):14 －17.

［5］ 包燕平，祝三勝.薄板坯連鑄機(jī)浸入式水口的結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，21(2):135 －137.

［6］ H.Bai and B.G.Thomas:“Turbulent flow of liquid steel and argon bubbles in slide －gate tundish nozzles:Part I.Model development and validation”，Metall.Mater.Trans.B，2001，vol.32B，pp.253 –267.

THE EFFECT OF NOZZLE STRUCTURE ON MOLD FLOW IN CONTINUOUS CASTER

Li Jingshe1Cheng Aimin1，2Gao Yawei1Ji Chuanbo1Sun Liyuan1
(1.University of Science and Technology Beijing;2.Xinjiang Jinte Steel Co.，Ltd)

This work applies Reynolds averaged Navier－stokes computational model to investigate the effect of different nozzle bottom on the turbulent flow in the mold cavity and top surface velocity during continuous casting of steel.The model was validated by comparing the impeller velocity measurement in the water model and computational result，the computational results agree well with the measurement.The waved bottom nozzle can suppress the jet flow exiting from the nozzle ports，improve the fluid flow in the mold and decrease the meniscus fluctuation，furthermore minimize the casting defect.

continuous casting mold RANS numerical simulating nozzle structure

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:2012—3—1