异型坯连铸结晶器内流场

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.05.010 第22卷第5期 北京科技大学学报 Vol.22 No.5 2000年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct2000 异型坯连铸结晶器内流场 周俐沈昶王建军 华东治金学院，马鞍山243002 摘要经过数模和水模研究得到：彬响岸型坯结M器内流场，结M器腹板处上、下回流区的大 小及结的器液面波动的因素有：水口开孔的夹角、水口的口倾角、铸坯拉速及水口没入深度. 在工作拉速时，采川120°夹角、出口倾角为9°、浸入深度为75mm(换算到原型为150mm)的水 口，结品器内的流体的流动状态较为介理. 关键词异型坯结品器：流场：数模和水模 分类号TF341.6 文献标识码：A 在连续铸钢过程中，结品器内钢液的流动 (a) 翼梢 状态影响结晶器内的温度分布、夹杂物的上浮、 ,窄面 化学成分的均匀性，从而直接影响到铸坯的内 内缘 腹板 翼缘、 部质量和表面质量 马钢于1998年投产了我国第一台异型坯 连铸机，生产H型铸坯.异型坯连铸结晶器断面 形状复杂，水口结构特殊，因此结晶器内钢液的 流动复杂.为了获得结品器内合理的流动状态， 750(500) 促进钢水中非金属夹杂物上浮，均匀温度和成 分，形成具有良好表面质量和内部质量的铸坯， (b) 水山开孔夹角 本文采用1：2的水模型试验及利用C℉X流场计 算软件，对不同的工艺参数下的流场进行了研 究. 没入水口 开孔倾角 1实验方法 在水模实验中，根据相似原理，选取了弗鲁 德(Fr)数为决定性特征数.异型坯结品器的横 断面形状和浇铸用水口结构见图1，原型和模 图1异型还结晶器的横断面形状和浇铸用水口.(a)异型坯 型的儿何尺寸比1：2.实验方案见表1.实验中通 结晶器横断面：b)浇铸用水口横断面与纵断面 过观察流体在X,Y,Z轴方向的流动和液面波 Fig.1 Cross section of beam blank mould and nozzle 动，用发泡粒子作示踪剂，用数码相机对X,Y方 向拍照，Z方向进行描述. 表1实验方案 在数学模型实验中，根据流体流动的规律， Table 1 Experiment scheme 用通用方程描述流体流动的质量守衡和动量守 水11夹/() 120,100 衡： 水口倾布() 15,9,3,-3 水山沒入深度/mm 75,85,95 div(pvΦ)-div(gradΦ)=S 流址（拉速）Lh' 300,400,500,600 (对流项)（扩散项）（源项） 式中：中一某一物理量，-中的扩散系数. Φ分别代表不问物理量时，可得到连续性 方程和动量方程，对于湍流流动，采用k-ε双方 200003-13收稍岗俐女，37岁，副教授 程模型，对近壁处采用壁函数

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ， 招 歇 七 卜 、 异型坯连铸结 晶器 内流场 周 俐 沈 农 王建军 华东冶金学院 ， 马鞍 山 摘 要 经 过 数模和 水 模研究得到 华 响异 型坯 结 ， ’器 内流场 ， 结品器腹板处 上 、 下 回流 区 的大 小及结 品器液而波动 的 因 素有 水 日 开 孔 的夹角 、 水 日 的出 倾角 、 铸坯拉速及水 口 浸入深度 在 工 作拉速时 ， 采川 夹角 、 出 日 倾角 为 、 浸 入 深度为 刃 换算 到原 型为 刃 的水 日 ， 结 品器 内的流体 的流动 状态较为合 理 关键词 异 型坯结 品器 流场 数模和 水模 分 类号 吓 文献标识码 ︵。巴导 在连续铸钢 过程 中 ， 结 晶器 内钢 液 的流 动 状态影 响结 晶器 内的温度分布 、 夹杂物 的上 浮 、 化 学成 分 的均匀性 ， 从而 直 接 影 响到铸坯 的 内 部 质 量和 表面质 量“ ， ， 马钢 于 年投产 了我 国第 一 台异 型坯 连铸机 ， 生产 型铸坯 异 型 坯连铸 结 晶器 断面 形状复杂 ， 水 日 结构特殊 ， 因此结 品器 内钢 液 的 流动 复杂 为 了获得结 晶器 内合理 的流动 状态 ， 促进钢 水 中非 金 属 夹杂物上 浮 ， 均匀温度 和 成 分 ， 形 成 具有 良好表面质量和 内部 质量 的铸坯 ， 本 文 采用 的水 模 型试验及 利用 流场 计 算软件 ， 对 不 同的工 艺参数下 的流场进行 了研 究 翼梢 助 水 日 开孔夹角 实验方法 在水 模实验 中 ， 根据 相 似原 理 ， 选取 了弗鲁 德 数为 决 定性特 征 数 异 型 坯 结 晶器 的横 断 面形状和 浇 铸用 水 日 结 构 见 图 ， 原 型 和 模 型 的儿何 尺寸 比 实验方案见表 实验 中通 过观 察流体在 ， ， 轴方 向的流动 和 液面波 动 ， 用 发泡粒子 作示 踪剂 ， 用数码相 机对， 方 向拍照 ， 方 向进行 描述 在 数学模型 实验 中 ， 根据 流体流动 的规律 ， 用 通用 方程描 述流体流动 的质量 守衡和 动 量 守 衡 切 必 一 必 对 流项 扩 散项 源 项 式 中 巾 一某一 物理 量 ， 厂一 必 的扩 散系数 一 一 收稿 周 俐 女 ， 岁 ， 副教授 图 异型坯结晶器的横断面形状和浇铸用水口 异型坯 结晶器横断面 伪 浇铸用水口横断面与纵断面 啥 肠皿 表 实验方案 即 水 夹角 水 日 倾角 水 日 浸入深度 山 流量 拉速冰 · 一 ， ， 巧 ， ， ， 一 ， ， ， ， ， 巾 分别代表 不 同物 理量 时 ， 可 得 到连续性 方程和 动量方程 对于 湍流流动 ， 采用 一。 双方 程模型 ， 对近壁 处采用壁 函 数 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．05．010

◆4324 北京科技大学学报 2000年第5期 利州CFX商用软件的强大功能模拟计算了 基本上正冲到翼梢角部.由于翼梢角部为二维 实际结品器内钢水流动情况 传热，一旦钠液接触到结品器，立即产生凝樹收 理想的结品器内钢水的流动，应是坯壳厚 缩，形成气隙，热阻增大，凝固壳厚度较薄，再加 度均匀生长，坯壳承受的应力均匀，钢液温度和 上这种冲刷就会带给冲击点附近凝同壳大量的 化学成分均匀，钢中夹杂物上浮条件好，且向保 热，增加了漏制、角裂的危险 护渣供热良好 (3)液面波动.对于夹角100°水口，由于中孔 2实验结果及分析 孔径较大，冲向腹板部分的流量较大，所以腹板 部分液面易产生扰动，而翼缘部分液面较平稳： 2.1不同水口夹角下的结晶器内流场 而夹角120°水口，侧孔与中孔孔径相同，腹板部 夹角120°水口形成的流体流动情况见图2 (a (a),夹角100°水口形成的流体流动情况见图2 (b).从图2中可见：(a)流体射流从，孔流出后， 斜向冲击结品器窄面板，然后沿窄面板向翼梢 外角部流动，撞击翼梢外角部形成扇面向内角 流动，一部分经内缘和水山的间隙流入腹板，另 (a) (b) 图3CFX软件计算的流场.(a)夹角120，b)夹角100°水口 Fig 3 Flow path calculated by CFX 22拉速对结漏器内流动的影响 拉速的高低对结晶器内腹板部分的流动、 液面的稳定和夹杂的行为都有影响.图4表示 9°倾角水口在腹板部分两股流的冲击点深度和 88 118 86 神山点深度 图2夹角120°)和100心b)冰口形成的流场(2轴方向) 114 Fg,2 Flow path of12°amd100°incd加ded angle mo(亿 84 110 cros3 section） 82 一部分在翼缘处形成旋涡.b)流体不能产生这 80 祸心深度 106 种问流.图3所示为应用CX软件计算的结品 是 78 102 器流场在X方向的流动，对比上述2种流动，主 76 要有3点不同： 198 74 (1)翼缘部分.120°水I1形成的流场有一明 300350400450500550600 y/L.h 显的经过内缘与腹板的扇形可流。 图4冲击点深度、下回旋涡心深度与拉速的关系 (2)侧孔出流的冲击点.夹角120°水口侧孔 Flg.4 Relationship between casting speed and depth of im- 流出的流体斜冲到窄面板上，而夹角100°水口 lpulse spot and lower vertex center

Vol.22 No.5 尚俐等：异型坯连铸结品器内流场 ·433· 分液面较平稳，翼缘部分液面易产生扰动. (a) (b) 板部分下回旋涡心深度随拉速的变化规律 从图4中可见：冲击深度和涡心深度均随 r 流量的增加而增加.冲击深度和涡心深度的下 1… 移，表明结晶器高温区下移，当下移量过大时， 会导致夹杂物上浮更加困难，液面处保护渣获 A. 得的热量减少，出结品器坯壳的厚度减少，拉 速大生产率提高，州此，应有一合理的拉速值. 23水口出口倾角的影响 水口出口倾角也彩响结晶器内的流动.图 (c) d 5表示腹板部分两股流的冲击点深度和腹板部 分下同旋涡心深度随倾角的变化规律 水口出口倾角的大小关系到结晶器内上、 下回流区的大小.CFX软件分别计算了不同水 116 94 114 S 92 洲心深度 112 图6CFX软件分别计算(a)15,b)9,(c)3,(d)-3的水口出 90 口倾角流场 88 110 其 冲击点深度 嘉 Fig.6 Flow paths at different tilt angle spout calculated by CFX 86 108 9 84 106 -3 0 3 6 912 15 水口出口倾角) 600Lh 图5冲击点深度、涡心深度与水口出口倾角的关系 Fig.5 Relationship between tilt angle of spout and depth of impulse spot and vertex center 口出口倾角流场情况，见图6. 300Lh 从图5、图6可知：在-3°至9°范围内，随着 水口倾角的增大，下回流区的冲击深度变小，上 65 707580859095 同流区明显增大，将热量传至熔池表面，有助于 水11没入深度mm 保护渣的熔化；但当倾角为15°时，由于流体流 图7水口浸入深度与液面波动指数，的关系 动的连续性，开孔倾角过大，使流体流动的方向 Fig.7 Relationship between immersion depth of nozzle 发生较大改变，流体的动能被水口内孔孔底吸 and fluctuation factor n of melt surface 收，致使流速在出口处减慢，削弱了流体的流 加，钢液的冲击深度增加，结品器内高温区下 动，使得上、下涡旋的强度明显减弱而不利于夹 移，也不利于液面保护渣的熔化和坯壳均匀形 杂物的上浮、结晶器熔池温度的均匀化和保护 成.因此，在保持良好液面的条件下，应尽量减 渣的熔化.因此水口开孔倾角不宜过大，适宜的 少浸入深度.在试验条件下，75mm的浸入深度 角度为9°. 是较为合理的. 2.4水口浸入深度的影响 水口浸入深度是指从自由钢液面到水口底 3结论 部的距离.水口浸入深度与液面波动情况见图 (1)影响结晶器内流体流动的因素有：水口 7.从图可知，浸入深度越小，液面波动指数n值 夹角、水口出口倾角、拉速及水口浸入深度. 越大，表明液面越不稳定；且随着浸入深度的增 (2)水模和数模实验都表明，120°夹角的水

、 勺 周俐等 异型坯连铸结品器 内流场 分液面 较平稳 ， 翼缘部 分 液面 易产 生 扰 动 板 部分 下 回旋 涡 心 深 度 随拉速 的变化规律 从 图 中可 见 冲 击深 度和 涡 心 深度均 随 流量 的增 加 而 增 加 冲 击深 度 和 涡 心 深度 的下 移 ， 表 明 结 晶 器 高温 区 下 移 ， 当 下 移 量 过大 时 ， 会 导致夹 杂物 上 浮更 加 困难 ， 液面 处 保护渣 获 得 的热 量减少 ， 出结 品器坯 壳的厚度 减少 ， 但拉 速大 生 产 率提 高 ， 因 此 ， 应 有一合理 的拉速值 水 口 出口倾角的影响 水 日 出 日 倾角也 影 响结 晶器 内的流 动 图 表 示腹 板部分两 股 流 的冲 击 点深度和 腹板 部 分 下 回旋 涡 心 深 度 随倾 角 的变化 规律 水 口 出 口 倾 角 的 大 小 关 系 到 结 晶 器 内上 、 下 回流 区 的大 小 软 件 分 别 计算 了不 同水 臼 ， ’ ‘ ， 一， · ，‘ ， 已‘ 曰 二 “ ’ ‘ ， ‘ 口 ‘ 合 叼 若 二 ‘ “ ‘ “ ‘ 曲 。 一 抽 卜 户 ， ， · ‘ … … 即 。 ，‘ 内 ， 口 ’ ” ，， · 场“ ” ‘ 尸 ’ “ ， ‘ 卜 卜 ‘ 内 · 奋 比 ， “ 内 ” ’ 卜 ‘ · 一 奋 ‘ 、 ” ， ， “ “ ’ 峪 一 ， ‘ · 一 · 翻 “ “ ‘ “ 心 呀 ” 唯 二 ， 二 幻 二 扣 甲 ， 动 ， 二 曲 二 月 ’ … 口 · ” … 。 ， 二 。 ， 二 “ 二 卜 卜一出 ‘ · 一 户 一 妞 · 一， ，洲 ‘ 一 一如 ，” ， ，， 禅 ， ，， 甲 ‘ 一 两 创，‘ ‘ “ 卜 一 ‘ ， ， 肛 ，‘ 二 … ‘ ， ‘ 。 ‘ ‘ … 。 叫 尸 曰、 ‘ 二 户 ‘ … ” ‘…一一， 曰 井 一 卜 · ” 卜 “ 口‘ …… ， ‘ 叫， 叫 甲 龟 。 二 。 …“ 一一 一 …… 翻二 一 ， 鑫口 奋 ‘ 毛 ‘ 曰 诊， 勺 目 户，、 ‘ 口 一 一︸一︸︸一 二三 价招阳二路 口 口七 曰匕勺 ，曰 白 肉，户肠，，，月臼龟 二曲 叫 ， “ 叫 二州 口 ‘ 二卜 璐 肺 月 落茱参挂 二口 ，月 护 内 尸，、 曰口自一一 。 ， ，‘ 匆 ‘ ， 咭 六 、 护 一月 … 一 “ 臼护门 ，叼 ，， ” 一 一 ，‘ 产‘ ，， 姻 … 的明卜， ，，” ‘ ‘ 一 目户 翻‘ ” 侧口 侧 ‘ 加 ， ， 勺‘ 口阮‘ ‘ ‘ 一 ，， 尸一一 · ‘ ，阳 一 户 创口户曰曰 ‘ 卜曰 图 软件分别计算 。 劝 ， 。 ， 一 的水口 出 口倾角流场 落 比 幻 代 】 侧遏耻白日 、 澳 ︺工︸ 月自三月 冲击点深度 一 一 侧艇书竟遏送日 一，‘ 山， 上 ， ‘ 一 内︸， 水 日 日 倾 角 图 冲击点深度 、 涡心深度与水 口 出口倾角的关系 电 肠柱 目 油 映 口 出 口 倾 角流 场情 况 ， 见 图 从 图 、 图 可 知 在 一 至 范 围 内 ， 随着 水 日 倾角 的增 大 ， 下 回流 区 的冲 击深度变小 ， 上 回流 区 明显增 大 ， 将热 量传 至熔池表面 ， 有助 于 保护渣 的熔化 但 当倾 角 为 时 ， 由于 流体 流 动 的连续性 ， 开孔倾 角 过大 ， 使流体流 动 的方 向 发 生 较 大 改变 ， 流体 的动 能被 水 日 内孔孔底 吸 收 ， 致使流速在 出 口 处减慢 ， 削弱 了流体 的流 动 ， 使得上 、 下 涡 旋 的强度 明显 减弱而 不 利于 夹 杂物 的上 浮 、 结 晶器熔池温度 的均匀化 和 保护 渣 的熔化 因此水 日 开孔倾角不 宜 过大 ， 适 宜 的 角度 为 水 口 浸入深度 的影 响 水 日 浸 入深度 是指从 自由钢 液面 到 水 日 底 部 的距 离 水 日 浸 入深度 与液面 波 动情况 见 图 从 图可 知 ， 浸 入 深 度越 小 ， 液面波动 指 数叮值 越大 ， 表 明液面越不 稳定 且 随着浸入深度 的增 爪 ‘ 一一一一一口一一一一一一口一 一 习 水 日 浸入深度 图 水 口 浸 入深度与液面波动指数 叮的关系 啥 · 幻即 加 比 加 甲 加 ， 钢 液 的冲击深度增 加 ， 结 品器 内高温 区 下 移 ， 也 不 利于 液面保护渣 的熔 化和 坯 壳均匀 形 成 因 此 ， 在保 持 良好液面 的条件 下 ， 应 尽 量减 少浸 入 深度 在 试验 条件 下 ， 的浸入 深 度 是 较 为合 理 的 结论 影 响 结 晶器 内流体流动 的 因素有 水 日 夹 角 、 水 日 出 日 倾 角 、 拉速及 水 日 浸入深度 水 模和 数模实验 都表 明 ， 夹 角 的水

·434 北京科技大学学报 2000年第5期 口形成的流场要优于100°夹角的流场. ISIJ Interational,1999,39(2):154 (3)水口出口射流冲击点的位置影响结品器 2 Kim K.Analysis of Surface and Intemal Cracks in Conti- 腹板上、下回流区的大小，以及结晶器液面的波 nuously Cast Beam Blank.Ironmaking and Steelmaking 1997,24(3):249 动，从而影响结品器内热流的分布，热流分布的 3 Lee Jungeui 3-dimensional Mathematical Model for the 合理又影响到铸坯的凝和保护渣的熔化. Analysis of Continuous Beam Blank Casting Using Body (4)在工作拉速时，合理的水口工艺参数为： Fitted Coordinate System.ISIJ International,1998,38(2): 120°夹角，出口倾角为9°，浸入深度为75mm(换 132 算到原型为150mm). 4八川夏夫.结器内钢水的h表面形状和流速的 非稳态行为.国外钠铁，1997(7)：31 参考文献 5文光华.薄板坯连铸结品器内腔形状的优化.钠铁， 1 Wang Zhe.Influence of Wettability on the Behavior of Ar- 1998,33(10):19 gon Bubbles and Fluid Flow inside the Nozzle and Mold. Research on Flow Path of Hot Metal in Beam Blank Mould ZHOU Li,SHEN Chang,WANG Jianjun Department of Metallurgy,East China Institute of Metallurgy,Ma'anshan 243002,China ABSTRACT The flow path of liquid steel in the beam blank mould was analyzed using mathematical and hy- drodynamic model.It was found that the flow path of hot metal in beam blank mould,the scale of vertex area at mould web and the fluctuation of melt surface were influenced by included angle of nozzle,tilt angle of no- zzle spout,casting speed and immersion depth of nozzle.The optimum technical parameters of nozzle that leads to optimum flow path in beam blank mould at normal casting speed were that included angle is 120, spout tilt angle is 9 and immersion depth is 75 mm(150 mm in prototype). KEY WORDS beam blank mould;flow path mathematical and hydrodynamic model

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 日 形 成 的流场 要 优于 夹 角 的流场 水 日 出 日 射流冲击 点的位置 影 响结品器 腹板上 、 下 回流 区 的大小 ， 以及结 晶器液面 的波 动 ， 从而 影 响 结 晶器 内热流 的分 布 ， 热流分布 的 合理又 影 响到 铸坯 的凝 固和 保护 渣 的熔化 侈 在 工 作 拉速 时 ，合 理 的水 日 工 艺 参 数 为 “ 夹角 ， 出 口 倾 角为 ， 浸 入深度 为 换 算到 原型 为 参 考 文 献 面 亡 川 ， ， 刀司 晓岭 别叭 ， ， 一阮 ， ， 八 川 夏夫 结 品器 内钢 水 的 自由表而 形状和 流速 的 非稳态 行 为 闰外钢铁 ， 文光华 薄板坯连铸结 品器 内腔形状 的优化 钢 铁 ， ， ， 绝 环月刀吞 再例归刀 叩田七刀 】 峨 加 嘶 ， ‘ ， 咖 场 击叱 氏 ， ， 刘 而 叭 水 ， 勺， · 由