D01:10.13374/i.issn1001t63x.2010.09.006 第32卷第9期 北京科技大学学报 Vol 32 No 9 2010年9月 Journal of Un iversity of Science and Technology Beijing Sep 2010 注流方式对大方坯连铸结晶器内钢水流动与温度状态 影响 孙海波韩占光钱宏智张家泉 北京科技大学生态与循环治金教有部重点实验室，北京100083 摘要依据改变水口侧孔射流方向来控制结晶器内钢流流动状态的思想，设计了一种大方坯连铸结晶器新型四分切向水 口.对不同类型水口（直通式、四分径向以及四分切向水口）浇注条件下大方坯连铸结晶器内钢水流动形态和温度分布状况 进行了流体动力学比较研究·结果表明，新型四分切向水口不仅可以使结晶器内钢水形成上、下两个回流，并能够产生较强的 水平旋流·该水平旋流能降低钢水的冲击深度，抑制钢液面波动，促进夹杂物上浮，还具有促进钢水过热耗散的效果。与四分 径向水口相比，新型四分切向水口能减弱射流对初生坯壳的冲击，均匀横截面坯壳厚度.此外，该旋流状态使热中心上移，自 由液面附近钢水的温度可提高2~6℃，改善化渣条件. 关键词方坯：连铸：结晶器：水口：旋流 分类号TF777.2 Effects of injection m odes on the flow pattern and tem perature distribution of m olten steel in a bloom casting m oul SUN Haibo HAN Zhan guang Q IAN Hong-hi ZHANG Jia quan Key Laboratory of Ecological and Recyck Metallrgy M inistry of Education University of Science and Technobgy Beijing Beijing 100083 China ABSTRACT Based on an idea that the flow pattem ofmolten steel in a mol can be controlled by changing the direction of jet frm the outlets of a submerged entry nozzle (SEN).a new type of quad-furcated SEN w ith outlets in tangential direction was designed for bloon casting The flow pattems and temperature distributions ofmolten steel in the mold were canputed by hydrodynan ic models un- der the conditions of single stmaight SENs quad-fiurcated SENs w ith outlets in radial direction and quad-furcated SENs with outlets in tangential direction For the latter a strong horizontal sw irling flow has been observed along w ith the upper and lower back flws in the mol The horizontal sw irling flow pattem in the mol can not only reduce the ipingement depth ofmolten steel nhibit liquid level fluctuation and accelerate inclusion floatation but also be beneficial to dissipation of steel supereat Compared to quad-fiurcated SENs with outlets in radial direction the jet mpingement on the initial shell can be obviously reduced and the cross"section solidified shell distributes unifom ly n the mol Additionally the horizontal sw irling flow pattem moves the hot spot upwand n the mol and leads to a 2 to 6'C tanperature rise ofmolten steel around the free surface which is beneficial to quick melting ofmoul powder KEY WORDS bbas continuous casting mols nozzles sw irling flow 结晶器内钢水的流动行为与铸坯坯壳的生长以 的特殊钢大方坯或矩形坯，为了提高铸坯的洁净 及最终产品的质量密切相关山，而结晶器内钢水的 度，保证弯月面的化渣效果，理论上宜采用多分式 流场以及温度场很大程度上取决于浸入式水口的结 水口，以降低注流钢水的冲击深度.Frauenhuber 构、工艺参数与使用技术[可). 研究表明，大方坯采用四分式水口浇铸时，所形成 由于断面小、拉速快，且为了避免对结晶器内 的涡流还有利于钢水过热度耗散，提高铸坯等轴 初凝坯壳的冲刷，直通式水口是目前钢铁企业浇 晶比，进而改善铸坯的中心偏析以及表面质量，普 铸方坯的首选，对于拉速相对较低、断面尺寸较大通的四分式水口虽然能够改善结晶器内钢水的流 收稿日期：2009-12-17 作者简介：孙海波(1986)男，硕士研究生：张家泉(1963男，教授，博士生导师，E mail jhang@metall ust山ed:cm
第 32卷 第 9期 2010年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．9 Ｓｅｐ．2010 注流方式对大方坯连铸结晶器内钢水流动与温度状态 影响 孙海波 韩占光 钱宏智 张家泉 北京科技大学生态与循环冶金教育部重点实验室北京 100083 摘 要 依据改变水口侧孔射流方向来控制结晶器内钢流流动状态的思想设计了一种大方坯连铸结晶器新型四分切向水 口．对不同类型水口 （直通式、四分径向以及四分切向水口 ）浇注条件下大方坯连铸结晶器内钢水流动形态和温度分布状况 进行了流体动力学比较研究．结果表明新型四分切向水口不仅可以使结晶器内钢水形成上、下两个回流并能够产生较强的 水平旋流．该水平旋流能降低钢水的冲击深度抑制钢液面波动促进夹杂物上浮还具有促进钢水过热耗散的效果．与四分 径向水口相比新型四分切向水口能减弱射流对初生坯壳的冲击均匀横截面坯壳厚度．此外该旋流状态使热中心上移自 由液面附近钢水的温度可提高 2～6℃改善化渣条件． 关键词 方坯；连铸；结晶器；水口；旋流 分类号 ＴＦ777∙2 Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｄｅｓｏｎｔｈｅｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆ ｍｏｌｔｅｎｓｔｅｅｌｉｎａｂｌｏｏｍ ｃａｓｔｉｎｇｍｏｕｌｄ ＳＵＮＨａｉ-ｂｏＨＡＮＺｈａｎ-ｇｕａｎｇＱＩＡＮＨｏｎｇ-ｚｈｉＺＨＡＮＧＪｉａ-ｑｕａｎ ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｃｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄＲｅｃｙｃｌｅＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｂａｓｅｄｏｎａｎｉｄｅａｔｈａｔｔｈｅｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｏｆｍｏｌｔｅｎｓｔｅｅｌｉｎａｍｏｌｄｃａｎｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｊｅｔｆｒｏｍ ｔｈｅｏｕｔｌｅｔｓｏｆａｓｕｂｍｅｒｇｅｄｅｎｔｒｙｎｏｚｚｌｅ（ＳＥＮ）ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｑｕａｄ-ｆｕｒｃａｔｅｄＳＥＮｗｉｔｈｏｕｔｌｅｔｓｉｎｔａｎｇｅｎｔｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒ ｂｌｏｏｍｃａｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｓａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｍｏｌｔｅｎｓｔｅｅｌｉｎｔｈｅｍｏｌｄｗｅｒｅｃｏｍｐｕｔｅｄｂｙｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｓｕｎ- ｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｓｉｎｇｌｅｓｔｒａｉｇｈｔＳＥＮｓｑｕａｄ-ｆｕｒｃａｔｅｄＳＥＮｓｗｉｔｈｏｕｔｌｅｔｓｉｎｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｑｕａｄ-ｆｕｒｃａｔｅｄＳＥＮｓｗｉｔｈｏｕｔｌｅｔｓｉｎ ｔａｎｇｅｎｔｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｆｏｒｔｈｅｌａｔｔｅｒａｓｔｒｏｎｇｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｗｉｒｌｉｎｇｆｌｏｗｈａｓｂｅｅｎｏｂｓｅｒｖｅｄａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｕｐｐｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｂａｃｋｆｌｏｗｓｉｎｔｈｅ ｍｏｌｄ．Ｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｗｉｒｌｉｎｇｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｉｎｔｈｅｍｏｌｄｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔｄｅｐｔｈｏｆｍｏｌｔｅｎｓｔｅｅｌｉｎｈｉｂｉｔｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｅｉｎｃｌｕｓｉｏｎｆｌｏａｔａｔｉｏｎｂｕｔａｌｓｏｂｅｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｏｆｓｔｅｅｌｓｕｐｅｒｈｅａｔ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｑｕａｄ-ｆｕｒｃａｔｅｄＳＥＮｓ ｗｉｔｈｏｕｔｌｅｔｓｉｎｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｔｈｅｊｅｔｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔｏｎｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｓｈｅｌｌｃａｎｂｅｏｂｖｉｏｕｓｌｙｒｅｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｃｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄｓｈｅｌｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｓｕｎｉｆｏｒｍｌｙｉｎｔｈｅｍｏｌｄ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｗｉｒｌｉｎｇｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｍｏｖｅｓｔｈｅｈｏｔｓｐｏｔｕｐｗａｒｄｉｎｔｈｅｍｏｌｄａｎｄｌｅａｄｓｔｏ ａ2ｔｏ6℃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｏｆｍｏｌｔｅｎｓｔｅｅｌａｒｏｕｎｄｔｈｅｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅｗｈｉｃｈｉｓｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｑｕｉｃｋｍｅｌｔｉｎｇｏｆｍｏｕｌｄｐｏｗｄｅｒ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｂｌｏｏｍｓ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇ；ｍｏｌｄｓ；ｎｏｚｚｌｅｓ；ｓｗｉｒｌｉｎｇｆｌｏｗ 收稿日期：2009--12--17 作者简介：孙海波 （1986— ）男硕士研究生；张家泉 （1963— ）男教授博士生导师Ｅ-ｍａｉｌ：ｊｑｚｈａｎｇ＠ｍｅｔａｌｌ．ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 结晶器内钢水的流动行为与铸坯坯壳的生长以 及最终产品的质量密切相关 ［1］而结晶器内钢水的 流场以及温度场很大程度上取决于浸入式水口的结 构、工艺参数与使用技术 ［2--5］． 由于断面小、拉速快且为了避免对结晶器内 初凝坯壳的冲刷直通式水口是目前钢铁企业浇 铸方坯的首选．对于拉速相对较低、断面尺寸较大 的特殊钢大方坯或矩形坯为了提高铸坯的洁净 度保证弯月面的化渣效果理论上宜采用多分式 水口以降低注流钢水的冲击深度．Ｆｒａｕｅｎｈｕｂｅｒ ［6］ 研究表明大方坯采用四分式水口浇铸时所形成 的涡流还有利于钢水过热度耗散提高铸坯等轴 晶比进而改善铸坯的中心偏析以及表面质量．普 通的四分式水口虽然能够改善结晶器内钢水的流 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2010．09．006
,1132. 北京科技大学学报 第32卷 场，却难以在结晶器内形成有效的水平旋流，且还 分切向水口，并考虑实际自由液面特点，利用VOF 有可能造成钢水液面不稳定的不良效果，为此，大 多相流模型，对水口结构与钢水流动状态的相关性 方坯连铸至今多还沿用普通的直通式水口，通过 进行了数值模拟研究 外加结晶器电磁搅拌(M~EMS)来控制钢水的合 理流动[) 1结晶器水口物理模型 鉴于M一EMS价格昂贵且安装维护成本较高， 为了对比分析不同浸入式水口(SEN)类型浇铸 基于新型的水口结构设计使钢水在结晶器内形成旋 时结晶器内钢水的流动状态和温度分布状况，本研 流已成为提高铸坯内部质量研究的又一重要方 究分别设计了直通式、四分径向式以及新型四分切 向[8-；但至今为止，对于这种旋流水口设计还缺乏 向水口式三种水口结构，如图1所示.表1给出了 充分的理论指导，为了深入认识水口结构对结晶器 三种水口的结构参数，其中定义水口侧孔向下时倾 内钢水流动状态的影响，本研究设计了一种新型四 角为正 (a) (b) ⊙ 图1水口结构示意图.(a)直通式；(b)四分径向式及其水口截面图：(c)四分切向水口及其水口截面图 Fig 1 Stmuctml schematic of SENs (a)single straight SEN:(b)quad-furcaled SEN with outlets n mdial direction and its cmoss-section view at outlets (c)quad-furcated SEN with outlets in tangential direction and its cross"section view at outlets 表1不同水口结构参数 2.2数学模型 Tabl I Gemmetric parmeters of various SENs 由于结晶器内钢水流动为湍流流动，根据以上 水口 水口内水口外侧孔倾侧孔高侧孔宽 假设可以利用不可压缩黏性流体力学中的连续性方 类型 径mm径mm角(。)度mm度mm 程(1)、N-S方程(2)、能量方程(3)及标准k-e双 直通式 谷 90 方程来描述方坯连铸结晶器内钢水流动和温度场， 四分径向水口 45 90 15 6 20 其中，标准k-e双方程模型由湍流动能k方程(4) 及其耗散率e方程(5)组成.此外，利用VOF多相 四分切向水口 45 90 15 40 20 流模型来模拟自由液面处钢水与空气的两相流流 动，该模型中每个组分共用一套动量方程，通过追踪 2数学模型的建立 每个计算单元的体积分数来确定界面形状，关于该 2.1模型基本假设 方法的详细叙述可参见文献[11] 分析正常稳态浇铸过程的钢水流体动力学特 a0,(u=0 at (1) 征，可以采用如下假设： (1)钢水为不可压缩的黏性流体，按均相介质 子 t 0% +eg.(2) 处理，采用低雷诺数一e模型模拟； x (2)忽略结晶器内钢水上方保护渣，只考虑钢 ar 十山 a 近 (3) 水与空气两相流的自由液面： (3)忽略钢水凝固对结晶器内流动的影响： (4)忽略结晶器弧度与振动对计算的影响； at 山d 为了更好地考察不同水口结构对结晶器内钢水 -Pe (4) 流动状态的综合影响，以下将按照与实际物理过程 ax 6x ax. 更加相近的自由液面条件，采用多相流控制模型进 de de 行流体动力学模拟 at
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 场却难以在结晶器内形成有效的水平旋流且还 有可能造成钢水液面不稳定的不良效果．为此大 方坯连铸至今多还沿用普通的直通式水口通过 外加结晶器电磁搅拌 （Ｍ--ＥＭＳ）来控制钢水的合 理流动 ［7］． 鉴于 Ｍ--ＥＭＳ价格昂贵且安装维护成本较高 基于新型的水口结构设计使钢水在结晶器内形成旋 流已成为提高铸坯内部质量研究的又一重要方 向 ［8--10］；但至今为止对于这种旋流水口设计还缺乏 充分的理论指导．为了深入认识水口结构对结晶器 内钢水流动状态的影响本研究设计了一种新型四 分切向水口并考虑实际自由液面特点利用 ＶＯＦ 多相流模型对水口结构与钢水流动状态的相关性 进行了数值模拟研究． 1 结晶器水口物理模型 为了对比分析不同浸入式水口 （ＳＥＮ）类型浇铸 时结晶器内钢水的流动状态和温度分布状况本研 究分别设计了直通式、四分径向式以及新型四分切 向水口式三种水口结构如图 1所示．表 1给出了 三种水口的结构参数其中定义水口侧孔向下时倾 角为正． 图 1 水口结构示意图．（ａ）直通式；（ｂ） 四分径向式及其水口截面图；（ｃ） 四分切向水口及其水口截面图 Ｆｉｇ．1 ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＳＥＮｓ：（ａ） ｓｉｎｇｌｅｓｔｒａｉｇｈｔＳＥＮ；（ｂ） ｑｕａｄ-ｆｕｒｃａｔｅｄＳＥＮｗｉｔｈｏｕｔｌｅｔｓｉｎｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｃｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎｖｉｅｗａｔ ｏｕｔｌｅｔｓ；（ｃ） ｑｕａｄ-ｆｕｒｃａｔｅｄＳＥＮｗｉｔｈｏｕｔｌｅｔｓｉｎｔａｎｇｅｎｔｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｃｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎｖｉｅｗａｔｏｕｔｌｅｔｓ 表 1 不同水口结构参数 Ｔａｂｌｅ1 ＧｅｏｍｅｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｖａｒｉｏｕｓＳＥＮｓ 水口 类型 水口内 径／ｍｍ 水口外 径／ｍｍ 侧孔倾 角／（°） 侧孔高 度／ｍｍ 侧孔宽 度／ｍｍ 直通式 45 90 － － － 四分径向水口 45 90 15 40 20 四分切向水口 45 90 15 40 20 2 数学模型的建立 2∙1 模型基本假设 分析正常稳态浇铸过程的钢水流体动力学特 征可以采用如下假设： （1） 钢水为不可压缩的黏性流体按均相介质 处理采用低雷诺数 κ--ε模型模拟； （2） 忽略结晶器内钢水上方保护渣只考虑钢 水与空气两相流的自由液面； （3） 忽略钢水凝固对结晶器内流动的影响； （4） 忽略结晶器弧度与振动对计算的影响； 为了更好地考察不同水口结构对结晶器内钢水 流动状态的综合影响以下将按照与实际物理过程 更加相近的自由液面条件采用多相流控制模型进 行流体动力学模拟． 2∙2 数学模型 由于结晶器内钢水流动为湍流流动根据以上 假设可以利用不可压缩黏性流体力学中的连续性方 程 （1）、Ｎ--Ｓ方程 （2）、能量方程 （3）及标准 κ--ε双 方程来描述方坯连铸结晶器内钢水流动和温度场． 其中标准 κ--ε双方程模型由湍流动能 κ方程 （4） 及其耗散率 ε方程 （5）组成．此外利用 ＶＯＦ多相 流模型来模拟自由液面处钢水与空气的两相流流 动该模型中每个组分共用一套动量方程通过追踪 每个计算单元的体积分数来确定界面形状．关于该 方法的详细叙述可参见文献 ［11］． ∂ρ ∂ｔ ＋ ∂（ρｕｉ） ∂ｘｉ ＝0 （1） ∂（ρｕｉ） ∂ｔ ＋ρ ∂ｕｉｕｊ ∂ｘｊ ＝μｅｆｆ ∂ 2ｕｉ ∂ｘ 2 ｊ — ∂Ｐ ∂ｘｉ ＋ρｇｉ （2） ρ ∂Ｔ ∂ｔ ＋ｃｐｕｉ ∂Ｔ ∂ｘｉ ＝ ∂ ∂ｘｉ ｋｅｆｆ ∂Ｔ ∂ｘｉ （3） ρ ∂κ ∂ｔ ＋ｕｉ ∂κ ∂ｘｉ ＝ ∂ ∂ｘｉ μｅｆｆ σκ ∂κ ∂ｘｉ ＋μｔ ∂ｕｉ ∂ｘｊ ∂ｕｉ ∂ｘｊ ＋ ∂ｕｊ ∂ｘｉ —ρε （4） ρ ∂ε ∂ｔ ＋ｕｊ ∂ε ∂ｘｊ ＝ ·1132·
第9期 孙海波等：注流方式对大方坯连铸结晶器内钢水流动与温度状态影响 ·1133. kn=0.01,e=2eD (6) ax 2.3.2自由液面 (5) 由于不考虑保护渣的存在，钢水上方为空气，空 式中，P为流体密度，kgm3；为时间，s4为速度 气出入口处给定压力出口边界条件，压力P= 分量，ms;x为方向分量：P为压力，Pg:为重力 100kPa温度为30℃.考虑保护渣的保温效果，采 加速度，m·82,T为温度，KS为比热容，小kg. 用绝热边界条件， 2.3.3模型出口 1:k为有效导热系数，WmK,且k-P 出口物质为钢水，给定出口速度，其速度大小 ：K为湍流动能，m己.。：%和华分别为有效 为拉速，方向为拉坯方向 Pr' 2.3.4对称面 黏度系数、层流黏度系数和湍流黏度系数，Pa·se 对称面的法向速度分量为零，其余变量沿对称 为湍流动能耗散率，m2.s3;m=%十4，且%= 面的法向方向梯度也为零 吉L=化长6.G.、C和P4都为常 2.3.5壁面 采用无滑移壁面，壁面附近流场采用标准壁面 数，其值分别取1.01.31.441.920.09和0.9L 函数计算.由于不考虑凝固对钢水流动的影响，结 为分子运动的平均自由程 晶器壁面温度设定为钢种的液相线温度，其他壁面 2.3结晶器计算域网格划分及边界条件 均采用绝热边界条件， 本文以浇铸断面尺寸为260mm×300mm的大 2.4模拟计算工况及条件 方坯连铸结晶器为研究对象和建模依据，图2以采 为保证计算域内钢水流动的充分发展以利于计 用四分径向式水口浇铸为例，并根据对称性给出了 算收敛，将结晶器模型的计算域延长为实际结晶器 14模型的网格划分情况及其物理模型边界条件， 长度的2倍，其工艺和热物性参数分别列于表2和 其中坐标系Z向为拉坯方向，将计算区域都进行六 表3.其中，定义水口浸入深度为水口侧孔上端面到 面体网格划分，并在自由液面处（在自由液面初始 钢液面的距离 位置的上下10mm的范围内)加密网格，以提高计 表2结晶器使用的工艺参数 算精度， Tabl 2 Parmeters for the moul 空气出人口， 结晶器断 结晶器水口浸入拉速/ 浇铸计算 水口入口， 速度入口 口 自由液面 面尺寸mm长度mm深度mm(mmn)温度心域度加m 自由 液面处 SEN 260×300 850 100 0.81530 1700 网格加密 钢水 窄面 宽面 表3钢水与空气的热物性参数 对称面 对称面 Tabk3 Themophysical properties ofmolten steel and air 结晶器 物 密度/ 黏度/ 导热系数/ 比热容/ 出口， (kgm-3)(kgm-1.s1)(W.m-1.K-1)(kg 1.K-1) 速度 入口 钢水7020 0.0055 34 680 (a 公 空气1.225 1.789×10-5 0.242 1006 图2大方坯结晶器计算域模型网格划分及其边界条件.(a)计 算模型网格；(b)物理模型边界条件 Fig2 Mesh and boundary conditions of the calculation danain of a 3计算结果与讨论 bloan mokk (a)canputational grils (b)boundary conditions of 3.1结晶器内钢水流动状态比较 the physicalmodel 图3为采用三种不同水口时YOZ对称面（拉坯 2.3.1水口入口 方向纵截面)上的速度云图及其局部放大的速度矢 入口物质为钢水，温度设为1530℃，给定入口 量图，其中云图表示流动强弱，矢量图只表示方向 速度，其速度可由拉坯速度根据流量平衡原理计 而不表示大小，并用流股冲击区域内钢水平均速度 算，入口湍动能和耗散能根据下面半经验公式计算 大小来表征钢水对宽、窄面坯壳的冲击强度，由图 得出，其中D为水口内径，mm 可知，当使用直通式水口时，钢水从水口流出后迅速
第 9期 孙海波等： 注流方式对大方坯连铸结晶器内钢水流动与温度状态影响 ∂ ∂ｘｊ μｅｆｆ σε ∂ε ∂ｘｊ ＋Ｃ1μｔ ε κ ∂ｕｊ ∂ｘｉ ∂ｕｉ ∂ｘｊ ＋ ∂ｕｊ ∂ｘｉ —Ｃ2 ε κ ρε （5） 式中ρ为流体密度ｋｇ·ｍ —3；ｔ为时间ｓ；ｕｉ为速度 分量ｍ·ｓ —1；ｘｉ为方向分量；Ｐ为压力Ｐａ；ｇｉ为重力 加速度ｍ·ｓ —2；Ｔ为温度Ｋ；ｃｐ为比热容Ｊ·ｋｇ —1· Ｋ —1；ｋｅｆｆ为有效导热系数Ｗ·ｍ —1·Ｋ —1且 ｋｅｆｆ＝ μ0 Ｐｒ ＋ μｔ Ｐｒｔ ；κ为湍流动能ｍ 2·ｓ —2；μｅｆｆ、μ0 和 μｔ分别为有效 黏度系数、层流黏度系数和湍流黏度系数Ｐａ·ｓ；ε 为湍流动能耗散率ｍ 2·ｓ —3；μｅｆｆ＝μ0 ＋μｔ且 μ0 ＝ 1 3 ρＬｖμｔ＝ρＣμ ｋ 2 ε ；σκ、σε、Ｃ1、Ｃ2、Ｃμ 和 Ｐｒｔ都为常 数其值分别取 1∙0、1∙3、1∙44、1∙92、0∙09和 0∙9；Ｌ 为分子运动的平均自由程． 2∙3 结晶器计算域网格划分及边界条件 本文以浇铸断面尺寸为 260ｍｍ×300ｍｍ的大 方坯连铸结晶器为研究对象和建模依据．图 2以采 用四分径向式水口浇铸为例并根据对称性给出了 1／4模型的网格划分情况及其物理模型边界条件 其中坐标系 Ｚ向为拉坯方向．将计算区域都进行六 面体网格划分并在自由液面处 （在自由液面初始 位置的上下 10ｍｍ的范围内 ）加密网格以提高计 算精度． 图 2 大方坯结晶器计算域模型网格划分及其边界条件．（ａ） 计 算模型网格；（ｂ） 物理模型边界条件 Ｆｉｇ．2 Ｍｅｓｈａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｄｏｍａｉｎｏｆａ ｂｌｏｏｍｍｏｌｄ： （ａ） ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｇｒｉｄｓ； （ｂ） ｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆ ｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌ 2∙3∙1 水口入口 入口物质为钢水温度设为 1530℃给定入口 速度其速度可由拉坯速度根据流量平衡原理计 算入口湍动能和耗散能根据下面半经验公式计算 得出其中 Ｄ为水口内径ｍｍ． κｉｎ＝0∙01ν 2 ｉｎεｉｎ＝2κ 3／2 ｉｎ ／Ｄ （6） 2∙3∙2 自由液面 由于不考虑保护渣的存在钢水上方为空气空 气出 入 口 处 给 定 压 力 出 口 边 界 条 件压 力 Ｐ＝ 100ｋＰａ温度为 30℃．考虑保护渣的保温效果采 用绝热边界条件． 2∙3∙3 模型出口 出口物质为钢水．给定出口速度其速度大小 为拉速方向为拉坯方向． 2∙3∙4 对称面 对称面的法向速度分量为零其余变量沿对称 面的法向方向梯度也为零． 2∙3∙5 壁面 采用无滑移壁面壁面附近流场采用标准壁面 函数计算．由于不考虑凝固对钢水流动的影响结 晶器壁面温度设定为钢种的液相线温度．其他壁面 均采用绝热边界条件． 2∙4 模拟计算工况及条件 为保证计算域内钢水流动的充分发展以利于计 算收敛将结晶器模型的计算域延长为实际结晶器 长度的 2倍其工艺和热物性参数分别列于表 2和 表3．其中定义水口浸入深度为水口侧孔上端面到 钢液面的距离． 表 2 结晶器使用的工艺参数 Ｔａｂｌｅ2 Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅｍｏｕｌｄ 结晶器断 面尺寸／ｍｍ 结晶器 长度／ｍｍ 水口浸入 深度／ｍｍ 拉速／ （ｍ·ｍｉｎ—1） 浇铸 温度／℃ 计算 域度／ｍｍ 260×300 850 100 0∙8 1530 1700 表 3 钢水与空气的热物性参数 Ｔａｂｌｅ3 Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍｏｌｔｅｎｓｔｅｅｌａｎｄａｉｒ 物 质 密度／ （ｋｇ·ｍ—3） 黏度／ （ｋｇ·ｍ—1·ｓ—1） 导热系数／ （Ｗ·ｍ—1·Ｋ—1） 比热容／ （Ｊ·ｋｇ—1·Ｋ—1） 钢水 7020 0∙0055 34 680 空气 1∙225 1∙789×10—5 0∙242 1006 3 计算结果与讨论 3∙1 结晶器内钢水流动状态比较 图 3为采用三种不同水口时 ＹＯＺ对称面 （拉坯 方向纵截面 ）上的速度云图及其局部放大的速度矢 量图．其中云图表示流动强弱矢量图只表示方向 而不表示大小并用流股冲击区域内钢水平均速度 大小来表征钢水对宽、窄面坯壳的冲击强度．由图 可知当使用直通式水口时钢水从水口流出后迅速 ·1133·
,1134 北京科技大学学报 第32卷 向下，且流股逐渐扩散，当中心流股达到一定深度 置进一步提升，且钢水到达坯壳附近时的平均速 后，形成一股向上回旋的流股并能到达自由液面，但 度为0.0836m·s,对当地坯壳的冲击强度明显 在自由液面处的流速很小，约为0.012m·s.如 的降低，这将有利于坯壳均匀生长，图3(c)所示 图4所示，当钢水到达结晶器出口处时，速度为 为截取的结晶器弯月面处和水口出口处以及弯月 0.223ms,远大于拉速0.0133m·s1(0.8m· 面下300500和700mm处的横截面速度矢量图. mn),即冲击深度深，这将不利于夹杂物与气泡 可以看出，使用该水口浇铸时，钢水可以在结晶器 上浮和去除.当采用四分径向水口时，钢水从侧孔 中形成水平旋流，该水平旋流有利于结晶器横截 流出形成射流直接冲向宽、窄面，其冲击速度逐渐减 面周向上的坯壳厚度均匀分布，这将降低铸坯表 小，到达坯壳附近时，钢水平均速度为0.162m·s1, 面缺陷的发生率。且弯月面处的水平旋流能稳定 并形成向上和向下的两个回流，与直通式水口相 弯月面的波动，减少卷渣的几率，并能为弯月面处 比，下部回流中心的位置有显著提升，这将有利提 提供热源，改善熔渣，这种水平旋流削弱了钢水在 高上部钢水温度，促进保护渣的熔化，并有利于夹 Z向上的速度，降低了冲击深度，从而有利于均匀 杂物与气泡的上浮和吸收、当采用四分切向水口 钢水成分与温度，水平旋流也将有利于抑制柱状 时，钢水从侧孔流出后也形成了向上和向下的两 晶生长，提高等轴晶率，达到类似M~EMS的冶金 个回流，但与四分径向水口相比，其回流中心的位 效果 0- 0- →911w 放大 放大 0.2 0.2 0.4- ,-0.162m.s1 放大 w(m-s-l) cm.s' 放大 0.65 0.60 0.8 0.50 0.55 14 .40 0.6 1.0- 000 505205 1.2 0.01 0.8 (b) Z=103 mm Z=220 m =0.0836ms1 04 Z=400 mm tm.s Z=600 0.6 mm Z=800 0.8 mm (e) 图3三种不同水口条件下结晶器内钢水流场.()直通式；(b)四分径向式：(c四分切向水口 Fig 3 Flw fiels ofmolten steel n the blom mol with different SENs (a)stmaight single SEN:(b)quad-furcated SEN with outlets n madial di rection (c)quad-furaled SEN w ith outlets n tangential direction
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 向下且流股逐渐扩散当中心流股达到一定深度 后形成一股向上回旋的流股并能到达自由液面但 在自由液面处的流速很小约为 0∙012ｍ·ｓ —1．如 图 4所示当钢水到达结晶器出口处时速度为 0∙223ｍ·ｓ —1远大于拉速 0∙0133ｍ·ｓ —1 （0∙8ｍ· ｍｉｎ —1 ）即冲击深度深这将不利于夹杂物与气泡 上浮和去除．当采用四分径向水口时钢水从侧孔 流出形成射流直接冲向宽、窄面其冲击速度逐渐减 小到达坯壳附近时钢水平均速度为 0∙162ｍ·ｓ —1 图 3 三种不同水口条件下结晶器内钢水流场．（ａ） 直通式；（ｂ） 四分径向式；（ｃ）四分切向水口 Ｆｉｇ．3 ＦｌｏｗｆｉｅｌｄｓｏｆｍｏｌｔｅｎｓｔｅｅｌｉｎｔｈｅｂｌｏｏｍｍｏｌｄｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＳＥＮｓ：（ａ） ｓｔｒａｉｇｈｔｓｉｎｇｌｅＳＥＮ；（ｂ） ｑｕａｄ-ｆｕｒｃａｔｅｄＳＥＮｗｉｔｈｏｕｔｌｅｔｓｉｎｒａｄｉａｌｄｉ- ｒｅｃｔｉｏｎ；（ｃ） ｑｕａｄ-ｆｕｒｃａｔｅｄＳＥＮｗｉｔｈｏｕｔｌｅｔｓｉｎｔａｎｇｅｎｔｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 并形成向上和向下的两个回流．与直通式水口相 比下部回流中心的位置有显著提升这将有利提 高上部钢水温度促进保护渣的熔化并有利于夹 杂物与气泡的上浮和吸收．当采用四分切向水口 时钢水从侧孔流出后也形成了向上和向下的两 个回流但与四分径向水口相比其回流中心的位 置进一步提升且钢水到达坯壳附近时的平均速 度为0∙0836ｍ·ｓ —1对当地坯壳的冲击强度明显 的降低这将有利于坯壳均匀生长．图 3（ｃ）所示 为截取的结晶器弯月面处和水口出口处以及弯月 面下 300、500和 700ｍｍ处的横截面速度矢量图． 可以看出使用该水口浇铸时钢水可以在结晶器 中形成水平旋流．该水平旋流有利于结晶器横截 面周向上的坯壳厚度均匀分布这将降低铸坯表 面缺陷的发生率．且弯月面处的水平旋流能稳定 弯月面的波动减少卷渣的几率并能为弯月面处 提供热源改善熔渣．这种水平旋流削弱了钢水在 Ｚ向上的速度降低了冲击深度从而有利于均匀 钢水成分与温度．水平旋流也将有利于抑制柱状 晶生长提高等轴晶率达到类似 Ｍ--ＥＭＳ的冶金 效果． ·1134·
第9期 孙海波等：注流方式对大方坯连铸结晶器内钢水流动与温度状态影响 .1135, 0.8 图，流线图可以直观反映新鲜钢水从水口进入结晶 0.7 器后的流动轨迹，由图可知，较其他两种水口，四分 0.6 且0.5 切向水口浇铸条件下，钢水在结晶器内的行程最长， 且停留时间最长，最长可达213s这为夹杂物和气 0.30.223mg 泡碰撞、长大、上浮及其去除提供良好的物理环境， 0,2 实际出口 0.1 位置 从图中还可以看出：在使用四分切向水口浇铸时，钢 0 0.20.40.60.81.01.214 水从侧孔流出后，不仅在结晶器内形成上、下两股水 距水口出口距离m 平旋流，且向上的水平旋流在9s左右内到达钢液 图4直通式水口结晶器中心轴方向上的钢水速度 面；而采用其他两种水口时，到达钢液面的时间分别 Fig 4 Velcity of molten steel abng the moul central axis while 约为38s和18s这将有利于提高夹杂物去除率 using a sngle straight SEN 3.3结晶器内钢液面形状比较 3.2结晶器内钢水流线及其停留时间分布图比较 图6~图8分别为结晶器内钢水浇铸达到稳态 图给出了三种水口条件下结晶器钢水流线 时，不同水口对应的宽、窄面对称面上钢水体积分数 为0.6的自由液面特征曲线和速度分布情况，其中 时间s 时间s 该曲线的以初始设置Z=0.1m为基准高度，并定义 时间s 自由液面曲线的最高点与最低点的距离为波高差. 由图6~图8可见，在相同的条件下，三种不同类型 16391058 水口对自由液面波动影响差别不大，其波高差都在 士lmm内，钢液面基本呈水平面，液面最大速度为 0.01~0.02m·s.表4给出了不同水口浇铸条件 下结晶器宽、窄面对称面上的自由液面波高差和最 大速度.由表4可知，宽、窄面对称面上钢水自由液 面的波高差和最大速度值基本相等，这是由于宽面 和窄面的尺寸大小相当引起的.其中，采用四分切 (a) b 向水口时，宽、窄面对称面上的钢液面波高差最小， 图5三种不同水口条件下结晶器钢水流线及停留时间分布图. 因此在该工况下，卷渣的发生几率也将最小；但其液 (a)直通式；(b)四分径向水口：(c)四分切向水口 Fig 5 Streamn line and residence tie distribution (RTD)of molten 面速度却最大，这是由于水平旋流平衡了钢水在弯 steel in the bloa mol while usng different SENs (a)straight sin 月面处Z方向上的速度，因此，该四分切向水口浇 gle SEN:(b)quad-fumated SEN w ith outlets in radialdirection (c) 铸条件下，可以避免钢水弯月面处形成流动死区，也 quad-furcated SEN w ith outlets in tangential dirction 有助于进一步抑制弯月面处的液面波动， (a) 12 b) -0.1 -0.1 110 -0.2 8 -0.2 8 -0.3 -0.3 -0.4 -0.4 -0.5 ·一液面高度 -0.5 4 ·液面速度 2 -0.6 ·一液面高度 -0.6 0 -0.7 +一液面速度 0 0.040.060.080.100.120.14 -0.8 0.16 .04 0.060.08 0.100.120.14 相对水口中心线距离m 相对水口中心线距离m 图6直通式水口结晶器对称面上自由液面特征与钢水速度分布。()宽面对称面：(b)窄面对称面 Fig6 Liuid level contour and velocity at the free surface on the symmetric planes with a single straight SEN:(a)symmetric plane on the w de side (b)symmetric plane on the narrow sie
第 9期 孙海波等： 注流方式对大方坯连铸结晶器内钢水流动与温度状态影响 图 4 直通式水口结晶器中心轴方向上的钢水速度 Ｆｉｇ．4 Ｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｍｏｌｔｅｎｓｔｅｅｌａｌｏｎｇｔｈｅｍｏｕｌｄｃｅｎｔｒａｌａｘｉｓｗｈｉｌｅ ｕｓｉｎｇａｓｉｎｇｌｅｓｔｒａｉｇｈｔＳＥＮ 3∙2 结晶器内钢水流线及其停留时间分布图比较 图5给出了三种水口条件下结晶器钢水流线 图 5 三种不同水口条件下结晶器钢水流线及停留时间分布图． （ａ） 直通式；（ｂ） 四分径向水口；（ｃ） 四分切向水口 Ｆｉｇ．5 Ｓｔｒｅａｍｌｉｎｅａｎｄｒｅｓｉｄｅｎｃｅｔｉｍｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（ＲＴＤ） ｏｆｍｏｌｔｅｎ ｓｔｅｅｌｉｎｔｈｅｂｌｏｏｍｍｏｌｄｗｈｉｌｅｕｓｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔＳＥＮｓ：（ａ） ｓｔｒａｉｇｈｔｓｉｎ- ｇｌｅＳＥＮ；（ｂ）ｑｕａｄ-ｆｕｒｃａｔｅｄＳＥＮｗｉｔｈｏｕｔｌｅｔｓｉｎｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；（ｃ） ｑｕａｄ-ｆｕｒｃａｔｅｄＳＥＮｗｉｔｈｏｕｔｌｅｔｓｉｎｔａｎｇｅｎｔｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 图．流线图可以直观反映新鲜钢水从水口进入结晶 器后的流动轨迹．由图可知较其他两种水口四分 切向水口浇铸条件下钢水在结晶器内的行程最长 且停留时间最长最长可达 213ｓ这为夹杂物和气 泡碰撞、长大、上浮及其去除提供良好的物理环境． 从图中还可以看出：在使用四分切向水口浇铸时钢 水从侧孔流出后不仅在结晶器内形成上、下两股水 平旋流且向上的水平旋流在 9ｓ左右内到达钢液 面；而采用其他两种水口时到达钢液面的时间分别 约为 38ｓ和 18ｓ这将有利于提高夹杂物去除率． 3∙3 结晶器内钢液面形状比较 图 6～图 8分别为结晶器内钢水浇铸达到稳态 时不同水口对应的宽、窄面对称面上钢水体积分数 为 0∙6的自由液面特征曲线和速度分布情况．其中 该曲线的以初始设置 Ｚ＝0∙1ｍ为基准高度并定义 自由液面曲线的最高点与最低点的距离为波高差． 由图 6～图 8可见在相同的条件下三种不同类型 水口对自由液面波动影响差别不大其波高差都在 ±1ｍｍ内钢液面基本呈水平面液面最大速度为 0∙01～0∙02ｍ·ｓ —1．表 4给出了不同水口浇铸条件 下结晶器宽、窄面对称面上的自由液面波高差和最 大速度．由表 4可知宽、窄面对称面上钢水自由液 面的波高差和最大速度值基本相等这是由于宽面 和窄面的尺寸大小相当引起的．其中采用四分切 向水口时宽、窄面对称面上的钢液面波高差最小 因此在该工况下卷渣的发生几率也将最小；但其液 面速度却最大这是由于水平旋流平衡了钢水在弯 月面处 Ｚ方向上的速度．因此该四分切向水口浇 铸条件下可以避免钢水弯月面处形成流动死区也 有助于进一步抑制弯月面处的液面波动． 图 6 直通式水口结晶器对称面上自由液面特征与钢水速度分布．（ａ） 宽面对称面；（ｂ） 窄面对称面 Ｆｉｇ．6 ＬｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｃｏｎｔｏｕｒａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙａｔｔｈｅｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅｏｎｔｈｅｓｙｍｍｅｔｒｉｃｐｌａｎｅｓｗｉｔｈａｓｉｎｇｌｅｓｔｒａｉｇｈｔＳＥＮ：（ａ） ｓｙｍｍｅｔｒｉｃｐｌａｎｅｏｎｔｈｅｗｉｄｅ ｓｉｄｅ；（ｂ） ｓｙｍｍｅｔｒｉｃｐｌａｎｅｏｎｔｈｅｎａｒｒｏｗｓｉｄｅ ·1135·