薄板坯连铸结晶器内流场的三维数值模拟

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.05.005 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 薄板坯连铸结晶器内流场的三维数值模拟 包燕平朱建强蒋伟张涛 田乃媛徐宝美 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要针对薄板坯连铸结晶器中钢液的素流流动特征，利用商业软件C℉X4.2,建立了一个三 维有限差分模型，计算这一限定空间射流的紊流时均场，并采用均相流模型，模拟了结晶器内 钢液液面形状及速度场.通过计算，分析了浸入式水口形状、拉速等工艺参数对薄板坯连铸结 晶器流场的影响，同时，研究了结晶器出口处速度分布对结晶器内钢液流动的影响， 关键词薄板坯结晶器：流场：数值模拟 分类号TF777.7 文献标识码：A 薄板坯连铸连轧技术由于具有缩短工艺流 以及结晶器的开口形状等因素对结晶器内钢液 程，降低生产成本和节约过程能耗等优点，在世 流场的影响，并用水力学模型对数学模型计算 界范围内得到了迅速的发展，已建成了多条工 的结果进行了验证，研究结果为薄板坯连铸高 业化的薄板坯连铸连轧生产线，在技术和经济 拉速下的生产提供了理论基础. 上都取得了巨大成功. 随着我国治金工业技术的不断进步，薄板 1薄板还结晶器的流动数学模型 坯连铸连轧技术受到了国内冶金界的广泛关 在薄板坯连铸结晶器中，结晶器的液面波 注，列入了国家“八五”、“九五”重大科研攻关项 动对产品的质量和生产的顺行是至关重要的， 目，珠江钢厂的CSP生产线已经建成投产，并 因为它决定了保护渣的熔化和卷入情况.液面 有多条生产线正在建设或计划建设过程中.因 过于平静，不能提供足够的热量来熔化保护渣， 此建立数学模型对薄板坯结晶器流场进行模 不能提供足够的液态保护渣来减弱已凝固坯壳 拟、优化，对我国薄板坯连铸连轧生产线的建 与结晶器壁之间的摩擦及改善它们之间的传 立、生产都具有重要的现实参考和指导意义， 热：液面波动剧烈，同样不能提供足够的液态保 结晶器内钢液流动是典型的受限空间紊流 护渣，尤其是在结晶器的宽面中部，同时容易把 流动，对连铸结晶器内钢液的流动进行了很多 保护渣卷入钢液中，形成夹杂物，导致产品质量 的研究.但是对于薄板坯连铸工艺，由于铸坯厚 问题.所以本模型通过引入均相流模型(Hoo- 度薄，为达到经济产量必须提高拉速，因此其拉 geneous Model),计算结晶器流场自由表面的形 速远远大于一般的板坯连铸机.再有薄板坯结 状，从而考虑各因素对液面的影响.同时，通过 晶器由于开口度小，浸入式水口加入后严重影 分析速度场、冲击位置来衡量出口射流对坯壳 响了结晶器中钢液流动，一方面恶化了传热和 的冲击情况. 化渣条件，另一方面由于紊流强度的加大，增加 1.1基本假设 了保护渣进入钢液的可能性，因而限制了拉速 为便于建模，本模型进行以下假设：结晶器 的提高.因此，为进一步提高拉速，必须对结晶 内钢液流动为恒温稳态粘性不可压缩流动：液 器流场的影响因素进行分析，以优化高拉速下 固界面为无滑移边界，即在壁面处速度为0，且 的结晶器流场.本文通过建立钢液流动的数学 k=0,ε=0；不考虑表面保护渣的影响，把液 模型，在高拉速(6.0m/min)条件下，深入研究了 面处设成两相流（钢液和大气）的交界面：实际 水口出口面积比、水口出口角度、水口浸入深度 薄板坯结晶器锥度较小，为方便建立模型，忽略 2000-03-29收稿包燕平男，36岁，副教授 结晶器锥度的影响；忽略结晶器内已凝固坯壳 *国家”九五”重点攻关项目No.95-525-03-03) 对流动的影响：忽略因密度变化而引起的自然

第 卷 第 期 5 22 年 月 0 0 0 0 1 2 北 京 科 技 大 学 学 报 O J u n r a l o f U n v i e i s y t r o f s c i e e e n n a d r 介 c h o n l o y g B e i j i n g V 匕 1 . N 2 2 0 . 5 o e 0 00 2 L 薄板坯连铸结 晶器 内流场 的三维数值模拟 包燕平 朱建强 蒋 伟 张 涛 田 乃媛 徐宝 美 北京科技大学冶金学院 , 北京 r0 0 83 摘 要 针对 薄板坯 连 铸结 晶器 中钢液 的紊 流流 动特 征 , 利 用商 业 软件 C FX .4 2 , 建 立 了一 个三 维有 限差 分模 型 , 计算 这一 限定 空 间射流 的紊流 时均 场 , 并采 用均 相流 模 型 , 模 拟 了结 晶器 内 钢液 液面 形状 及速 度场 . 通过 计 算 , 分析 了浸 入式 水 口 形状 、 拉速 等工 艺参 数对 薄 板坯连 铸 结 晶器 流场 的影 响 , 同时 , 研 究 了结 晶器 出 口 处 速度分 布对 结 晶器 内钢 液流 动 的影 响 . 关键 词 薄板坯 结 晶器 ; 流 场 : 数 值模 拟 分 类号 T F 7 7 .7 文 献标 识码 : A 薄 板坯连铸连 轧 技术 由于 具有缩短 工 艺流 程 , 降低生 产成本和 节约 过程 能耗 等优 点 , 在世 界 范 围 内得 到了 迅速 的 发展 , 己 建 成 了多条 工 业化 的薄板坯连铸 连轧 生产线 , 在 技术和 经济 上 都取得 了 巨大 成功 . 随着 我 国冶金 工 业技术 的不 断 进步 , 薄板 坯 连 铸连 轧 技 术受 到 了 国 内冶 金 界 的广 泛 关 注 , 列 入 了 国家 “ 八 五 ” 、 “ 九五 ” 重大科研攻 关项 目 . 珠江钢 厂 的 C S P 生 产线 已 经 建成投产 , 并 有 多条生 产线 正 在建设 或计划 建 设过程 中 . 因 此 建 立数 学 模 型 对 薄 板坯 结 晶 器 流 场进 行 模 拟 、 优 化 , 对我 国薄板 坯连铸连 轧生 产线 的 建 立 、 生 产都具 有重 要 的现 实参考和 指 导意义 . 结晶 器 内钢 液流动 是 典型 的受 限 空 间紊流 流动 , 对 连铸结 晶器 内钢 液 的流 动 进行 了 很 多 的研究 . 但是 对于 薄板坯连铸工 艺 , 由于铸 坯厚 度薄 , 为达到经济产 量必 须 提 高拉速 , 因此 其拉 速远远大 于 一般 的板坯 连铸机 . 再 有薄板 坯结 晶器 由于 开 口 度小 , 浸入式水 口 加 入后 严 重影 响 了 结晶 器 中钢 液流动 , 一 方 面恶化 了传 热和 化渣条件 , 另 一 方面 由于 紊流 强度 的 加 大 , 增加 了保护渣进 入钢 液 的 可 能性 , 因 而 限制 了 拉 速 的提 高 . 因 此 , 为进 一 步提 高拉速 , 必 须对 结晶 器流场 的影 响因 素进行 分析 , 以优化高拉 速下 的结 晶器流 场 . 本 文 通过建立钢 液流动 的 数学 模 型 , 在高拉速 (6 . On 亡m in ) 条件 下 , 深 入研 究 了 水 口 出 口 面积 比 、 水 口 出 口 角度 、 水 口 浸入 深 度 以及 结 晶 器的 开 口 形状 等因 素对 结晶 器 内钢 液 流场 的影 响 , 并用 水力学模 型对 数学模 型计算 的 结 果 进行 了验证 . 研 究结果 为薄板坯连 铸高 拉速 下 的生 产提供 了理 论基础 . 2 0 0 0 一 03 一 29 收稿 包燕 平 男 , 36 岁 , 副教授 * 国家 ” 九五 ” 重 点攻 关项 目困 0 . 9 5 · 5 2 5 一 0 3 · 0 3 ) 1 薄板坯结 晶器 的流 动数学模型 在薄板 坯连铸结 晶器 中 , 结 晶 器 的液 面波 动 对产 品 的质量 和 生 产 的 顺行是 至关重 要 的 , 因 为它 决定 了保护渣 的 熔化和 卷入情 况 . 液面 过于 平静 , 不 能提供足够 的热量来熔化保护渣 , 不 能 提供足够 的液态保护渣来减 弱 已 凝 固坯壳 与 结 晶 器壁 之 间 的摩擦 及 改善 它们 之 间 的传 热 ; 液面波 动剧 烈 , 同样不 能提供足够 的液态保 护渣 , 尤其 是在结 晶器 的宽面 中部 , 同 时容易把 保护渣 卷入钢 液 中 , 形成夹杂物 , 导 致产 品质量 问题 . 所 以本 模型 通过 引入均 相 流模型 ( H o m o - ge en ou s M ed el ) , 计算结 晶器流场 自 由表面 的形 状 , 从而 考虑 各 因 素对液面 的 影响 . 同 时 , 通过 分析速度 场 、 冲击 位置来衡 量 出 口 射流 对坯 壳 的冲击情 况 . L l 基本假设 为便于 建模 , 本模型进行 以下 假 设 : 结晶器 内钢液 流动 为恒温 稳态粘性 不 可压缩流 动 ; 液 固界 面 为无滑移边 界 , 即 在壁面 处速度为 0 , 且 k = 0 , 。 = o ; 不 考 虑 表面保 护 渣 的影 响 , 把 液 面 处 设 成两 相 流 ( 钢 液和 大气 ) 的 交界面 ; 实际 薄板坯结 晶器锥度较小 , 为方便建立模型 , 忽 略 结 晶器 锥度 的影 响 ; 忽 略结 晶器 内已 凝 固坯 壳 对流动 的影 响 ; 忽 略 因 密度 变化而 引起 的 自然 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 05. 005

·410. 北京科技大学学报 2000年第5期 流动：不考虑结晶器振动等因素对流场的影响. 近结晶器壁的节点上，平行于结晶器壁的分量 1.2控制方程 由壁面函数确定， (1)两相流模型控制方程 (3)对称面.为节省计算时间，考虑到结晶器 本模型应用两相流模型（钢液和大气，Multi 及水口形状的对称性，本模型计算实际模型的 Phase Model),故对于控制方程也相应发生变 一半，取结晶器中心垂直于结晶器宽边的铅垂 化. 面为对称面（图1）.在对称面处各变量法向分 动量方程： 入口 1200 dr(rp.U.)+V-(rp.U.@U.)--r.Vp.+ V.(rou(VU.+(VU.)))+rp.g+M. 格H 式中，”。代表a相的相分数，角标α代表该 网格加密区 变量为α相的参数.相应地B相的动量方程只 需把角标换成β. 对称面 连续方程： 8rp7-(a.U=2mu-m） 出口 同时满足： ra+re=1 图1模型的几何造型和网格划分 (2)均相流模型控制方程. Fig.1 Geometry and gridding divistion of the based model 两相流的均相模型(Homogeneous Model), 量设为零. 即考虑两相是作为一个整体的均匀混合物，相 (4)结晶器液面.结晶器液面设为自由表面. 间没有相对速度，只有一个速度场和压力场，适 在初始时刻将交界面上部区域的钢液相分数设 用于两相间存在强耦合的场合，如液滴在气体 为零，下部区域的钢液相分数设为1. 中形成的悬浮体、泡沫或气体在液体上的分层 (5)出口边界条件，模型出口定义在结晶器 流动.本模型中，采用此模型模拟结晶器自由表 底部.以往的结晶器流场模型出口，把出口处理 面，因此在两相交界处控制方程变形为： 为均匀分布且等于拉速，或法向微商处理为零. 动量方程： 在薄板坯结晶器中，由于拉速高且铸坯薄，在结 U0+7·oU®U-4(7U.+(VU)》=-Vp+pg 晶器高度范围内，速度还没有充分发展，所以本 其中，p=∑rP,μ=∑r· 模型不采用以上处理方法，采用质量边界条件， 即出口处与入口处质量守恒， a相的连续方程为： 1.4计算方法 di(rp-a)+V.(rp.U.)=0 确立好模型控制方程及边界条件后，应用 B相的连续方程形式与上式相似.假设除 CFX软件进行计算.计算步骤如下：(1)前处理. 相界面处外r。=1或0，同样也满足：+r=1. 建立模型的几何造型、划分网格（图1）、编写命 以上各式中，各相的有效粘度系数4由 令文件及输入边界条件.另外，进行两相流模拟 Spalding等人提出的k一e双方程确定.本模型 还需给定相分数初始分布，所以用Fortran Power 采用k一e模型及Simple算法. Station4.0软件对初始场进行了定义.(2)求解. 1.3边界条件 通过控制求解精度及迭代步骤，调节松弛因子， ()入口边界条件.入口定义在浸入式水口 达到收敛的结果，收敛的判定标准为各变量残 入口处（图1）.在入口处根据拉速计算出所需 差<l0-3.求解在Pentium450计算机上进行， 流量，从而确定入口处的速度，同时定义各相的 计算时间约为60mn.(3)后处理.将计算结果进 相分数，在本模型中rm=1.另外，水口壁处定 行可视化处理. 义为固体壁面，处理方式与结晶器壁相同， (2)结晶器壁.在结晶器壁处，垂直于结晶器 2结果及分析 壁的速度分量为零，而平行于结晶器壁的分量 2.1典型流场 采用无滑移边界条件，即粘度设为无穷大.在靠 典型流场如图2所示

一 4 1 0 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 00 年 第 5 期 流动 ; 不 考虑 结晶器振动等 因 素对流场的 影响 . 1 .2 控制方程 (l) 两 相流 模型控制 方程 . 本模型 应用 两 相流模型 ( 钢 液和 大气 , M ul it Pha se M o d el ) , 故对 于 控制 方程也相 应发生 变 化 . 动 量 方程 : 近 结晶 器壁 的 节点上 , 平行于 结 晶 器壁 的分 量 由壁 面 函数确 定 . (3 )对称面 . 为节省计算时间 , 考虑到结 晶器 及 水 口 形状 的 对称性 , 本模 型 计算实 际模 型的 一 半 , 取 结 晶 器 中心 垂直于 结 晶 器宽边 的铅 垂 面 为对称面 ( 图 l ) . 在对称 面处各变量法 向分 影、 · ua +) 甲 · (r , · aU , 认 ,一 ar 外+a V · (仙 a ( V aU + (甲认 ) T ) ) + r尹召+ 从 式中 , r 。 代表 a 相 的相 分数 , 角 标 a 代 表该 变量 为 a 相 的参数 . 相应 地 p 相 的动 量方 程只 需把 角标换成 p . 连续方程 : 网格加密 区 刁 , 、 一 , , 了 、 。 , 币了甘尹 a-)t v ` 甘私aU ) = 以m 哪一 m 同 出口 同时满 足 : r +a 饰 = 1 (2 )均相流 模型 控制 方程 . 两相 流的 均相 模 型 ( H o m o g e n e o u s M o d e l ) , 即 考 虑两相是 作为一 个整 体的均匀混 合物 , 相 间 没有相 对速度 , 只 有一个速度场和 压力场 , 适 用于 两相 间存 在强 祸合 的场合 , 如液滴在气体 中形 成 的 悬浮 体 、 泡 沫或气体在 液体上 的分 层 流动 . 本 模型 中 , 采用 此模型 模拟结 晶器 自 由表 面 , 因此在 两相 交界处控制 方程变形 为 : 动 量 方程 : D , _ * ~ , _ , _ _ , , 一 _ , , ~ , , 、 。 、 一 亩切功+ , 切抛 -U 风 , oU +( , a)U 仍 一 , 夕 , 9 . 其中 , p 二 艺 , 。 , 户二 Z r 声 。 . a 相 的连 续方程 为 : 影、 一+) ? · .(r · aU , 一 0 p相 的连 续方 程 形式与 上 式相 似 . 假 设 除 相 界 面处外 r 。 一 1或 O , 同 样也 满足 : r +a 今 = 1 . 以上 各式 中 , 各相 的 有效粘 度系数 从 。 由 SP al id gn 等人 提 出 的 k 一 : 双方程 确 定 . 本模型 采用 k 一 : 模 型及 is m lP e 算法 . 1 .3 边界 条件 ( 1) 入 口边 界条件 . 入 口 定义在浸 入 式水 口 入 口 处 ( 图 1 ) . 在入 口 处根据 拉速计算 出所 需 流量 , 从而确定入 口 处 的速度 , 同时 定 义各相 的 相 分 数 , 在 本模型 中 场 = 1 . 另外 , 水 口 壁处 定 义 为 固 体壁面 , 处 理方式 与结 晶器壁 相 同 . (2 )结 晶器壁 . 在结晶器壁 处 , 垂 直于 结 晶器 壁 的 速度分量 为零 , 而平行于 结晶 器壁 的 分量 采用 无滑移 边 界条件 , 即粘度设 为无 穷大 . 在靠 图 1 模型 的几何造型和 网格划分 F啥 . 1 G eo m e t yr a n d g r id d in g d iv is it o n o f t h e b a s ed m o d e l 量 设 为零 . (4 )结 晶器液面 . 结晶器液 面设为 自由表面 . 在初始 时刻将交 界面 上部区 域的钢液相 分数设 为零 , 下 部 区域 的钢 液相 分数设 为 1 . ( 5) 出 口 边 界 条件 . 模型 出 口 定义在 结 晶器 底 部 . 以往 的结 晶器流场模型 出 口 , 把 出 口 处理 为均 匀分布 且等 于 拉速 , 或法 向微 商处理为零 . 在薄板坯结晶器 中 , 由于 拉 速 高且铸 坯薄 , 在 结 晶 器高度范 围 内 , 速度还没 有 充分发展 , 所 以本 模型 不 采用 以上处 理方法 , 采 用质量边界条件 , 即 出 口 处 与入 口 处质 量守恒 , L 4 计算方法 确立好 模型控制方 程及边 界条件后 , 应用 C F X 软 件进 行计算 . 计 算步骤如 下 : ( 1) 前处 理 . 建立模 型 的 几何造型 、 划 分 网格 ( 图 1) 、 编写 命 令 文 件及输入边界 条件 . 另 外 , 进行两相 流模拟 还 需给定相 分数初始分布 , 所 以用 F o 川rL a n P ow er S at io n .4 0 软件对初 始场进行 了 定义 . ( 2) 求解 . 通过控制求解精度及迭代步骤 , 调 节松 弛因子 , 达到收敛 的结果 . 收敛 的判定标准 为各变 量残 差 < 1 0 一 , . 求解 在 Pe n t i um 1114 5 0 计算机上进 行 , 计 算时 间约 为 60 m in . (3) 后 处 理 . 将 计 算结果 进 行 可视化 处理 . 2 结果及分析 2 . 1 典型流场 典型 流 场如 图 2 所 示

Vol.22 No.5 包燕平等：薄板坯连转结品器内流场的三维数值模拟 411, 大.流股在冲击到结晶器窄边后，一部分上升形 成上回流，一部分下旋形成下回流 (2)随着拉速的增大，下回流逐步发展.表现 为：下回流旋涡区域增大，速度增大。 (③)拉速增大时，在靠近结晶器窄边处，上升 流股及下降流股速度均随之增大，表现为照片 中流线轨迹更长，计算结果中速度箭头增长.这 将增大对窄边的冲击，不利于初生坯壳的凝固 和生长.同时在结晶器上部液位差增大，容易形 成驻波，导致保护渣更容易卷入到钢液中， 2.3水口角度的影响 图2典型流场的计算结果（拉速5m/m) 从流场照片及计算结果对比分析，可以发 Fig.2 The calculational reault of typicnl fluid flow 现以下规律： 22拉速的影响 (1)当水口倾角的下倾增大时，流股出口角 图3为数学模型计算结果和通过水力学模 度逐步下倾，流股的冲击深度增加：(2)随着水口 型试验流场照片验证，可以得到如下的结果. 倾角下倾增人，上回流涡心位置逐步移向窄边 ()在拉速较低时，上回流涡心位置靠近水 处，减少了结晶器内钢液面的波动：(3)出口角度 口，冲击流股在到达结晶器窄边之前分散.而当 在向上15°时，冲击流股在到达结晶器窄边前就 拉速增大时，上回流涡心位置逐步向结晶器窄 开始分散.而出口倾角为向下15°时，流股在与 边移动，并且流股不易分散，导致冲击力明显增 结晶器窄边壁碰撞后才分散，因此在结晶器出 b (c) 图3拉速对结昌器内流场的影响.上图流场照片，下图计算结果.(a)4m/m山：(b)5m/mi山：(c)6m/min Fig-3 The effect of the casting speed on the fluid flow fluid in the mool

…412 北泉科技大学学报 2000年第5期 口倾角在+15°~-15°的范围内，随结晶器出口下 或调整出口角度，都是为了改变了水口出口处 倾角的增大，钢液对窄边冲击强度逐步增大. 钢液的速度大小和分布，因此，利用本模型对水 2.4水口出口处钢液速度分布的影响 口出口处速度分布对结晶器内流场的影响，如 从上面的研究结果可知，无论是改变流速 图4所示： (a) 图4水口出口倾角对结晶最内速度分布的影响.上图流场照片，下图计算结果，(。)15°：（心0：（何-15° Fig.4 Effect of the por angle of nozzle on the velocity distribudion in the mould 图5给出了在同一拉速下，相同水口出口 可以看出：出口倾角对出流流股的流向窄面的 处断面，在不同出口倾角条件下的z向（拉速方 速度分布影响较小：而对流向结晶器底部方向 向)和y向（冲击窄边方向）速度分布，由上图可 的速度影响较大，出口角度越下倾，流向z向的 0.14 0.14 0.12 0.12 0.10 ---0° 向上15° 0.10 向下15° 0.08 一·向上15° 一向下15° 0.08 0.06 0.06 0.04 0.04 0.02 0.02 0.00 0.0 0.00 0.501.001.502.00 0.000.501.001.502.002.50 va/mn-min w/m.min 图5水口出口断面处的速度分布 Fig.5 The velocity distribution of the cros ection of the nozle outlet

Vol.22N0.5 包燕平等：薄板坯连铸结晶器内流场的三维数值模拟 ·413· 速度的最大值相应增大，并且水口下部的速度 边处，减少了结晶器内钢液面的波动 值增大.因此，Z向平均速度随水口出口倾角的 (4)本模型计算了水口出口处流动速度的分 下倾而增大.这也就是钢液的冲击深度及强度 布，对结晶器内速度分布的影响，计算结果表 随结晶器出口倾角的下倾增加而增大的原因. 明，结晶器出口倾角的变化，主要对流向结晶器 底部方向的流速有较大的影响，而对流向结晶 3结论 器窄面的流速影响不大.因此，在同一拉速条件 下，随倾角的下倾，钢液的冲击深度及强度 (1)针对薄板坯连铸结晶器中钢液的紊流流 增大， 动特征，本文利用商业软件C℉X4,建立了一个 三维有限差分模型，通过计算这一限定空间射 参考文献 流的紊流时均场，并采用均相流模型，模拟了结 1 McDAVID R M,Thomas B G.Flow Behavior of the Top 晶器内钢液液面形状及速度场，并应用水力学 Surface Flux/Powder Layers in Continuous Casting Mol- ds.Metall Mater Trans B,1996,27B(8):672 模型对计算结果进行了验证. 2王朕增，张国滨，连铸结晶器中钢液流速解析，钢 (2)数学模型计算结果表明，随着拉速的提 铁，1993,28(12：28 高，上回流涡心位置逐步向结晶器窄边移动，在 3 Thomas B G.Application of Mathematical Models to the 上部容易形成驻波，并且流股不易分散，导致冲 Continuous Slabing Casting Mold.in:Steelmaking Con- 击力明显增大；同时下回流逐步发展，下回流旋 ference Proceeding,1989,423 4 Dharmendra Gupta,Lahiri A K.Water-Modeling Study of 涡区域增大，速度增大，不利于初生坯壳的凝固 the Surface Disturbances in Continuous Slab Caster.Met- 和生长. all Mater Trans B,1994,25B(4):227 (3)当水口倾角下倾增加时，流股出口角度 5 Gupta D,Lahiri A K.A Water Model Study of the Flow 逐步下倾，流股的冲击深度增加.同时，随着水 Asymmetry Inside a Continous Slab Casting Mold.Meta- 口倾角下倾增大，上回流涡心位置逐步移向窄 llurgical and Materials Transactions B,1996,27B(8):757 Three-dimension Mathematical Model Study on Fluid Flow in Thin Slab Continuous Caster Mold BAO Yanping,ZHU Jianqiang,ZHANG Tao,TIAN Naiyuan,XU Baomei Metallurgy School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT By using the commercial code CFX,the three-dimensional finite-difference model to simulate the fluid flow in thin slab continuous caster mold has been set up.By using this model,the effects of the SEN variables and casting speed on surface turbulence and velocity fields in the thin slab mould are studied.The effect of the velocity distribution of nozzle outlet on the flow fluid in the mould is also studied. KEY WORDS thin slab continuous caster mold;fluid flow;mathematical model

V b l . 2 2 N o . 5 包燕 平 等 : 薄板 坯连 铸结 晶器 内流 场 的三维 数值 模拟 . 4 1 3 - 速 度的 最 大值相 应 增大 , 并 且 水 口 下 部 的速度 值 增大 . 因 此 ,Z 向平 均速度 随水 口 出 口 倾 角的 下倾 而 增大 . 这也 就 是 钢 液 的冲击深度及 强 度 随结 晶 器 出 口 倾 角 的下 倾增 加 而 增 大 的原 因 . 边处 , 减少 了 结晶 器 内钢 液面 的 波动 . 3 结论 ( 1) 针对薄板坯连铸结 晶器 中钢 液 的紊流流 动 特 征 , 本 文利用 商业软件 C F X 4 , 建立 了 一 个 三维 有 限差分 模型 , 通过计算 这一 限定 空 间 射 流 的紊流 时均场 , 并采用均相流模型 , 模拟 了结 晶器 内钢 液液 面形状 及速度场 , 并应用 水力学 模 型 对计算 结果 进行 了 验证 . (2 ) 数学模型 计 算结果 表 明 , 随 着拉速 的 提 高 , 上回流涡 心 位 置逐步 向结 晶 器窄边移动 , 在 上部容易 形成 驻波 , 并 且流股 不 易分 散 , 导 致冲 击力 明显 增大 ; 同 时 下 回 流逐步发展 , 下 回 流旋 涡 区 域增大 , 速 度增大 , 不 利于 初生 坯壳 的凝 固 和 生长 . (3 )当水 口 倾角 下 倾增加 时 , 流股 出 口 角度 逐步 下 倾 , 流股 的冲 击深度增 加 , 同 时 , 随 着水 口 倾 角下 倾增大 , 上 回流 涡 心 位置 逐 步移 向窄 布 , 对 结 晶器 内速度分布 的影 响 , 计 算结果表 明 , 结 晶器 出 口 倾角 的 变化 , 主 要 对流 向结 晶器 底部 方 向的 流速 有较大 的影 响 , 而对 流 向结 晶 器窄 面 的 流速影 响不 大 . 因 此 ,在 同 一 拉速条件 下 , 随 倾角 的 下 倾 , 钢 液 的冲击 深度 及 强 度 增 大 . 参 考 文 献 1 M e D A V ID R M , T h o m as B G . F l ow B e h a v i o r o f ht e oT P S u r fa e e F l u x/ Po w d e r L ay e sr in C o n tin u o u s C as t in g M o l - d s . M e at l l M aet r T r a n s B , 1 9 9 6 , 2 7B (8 ) : 672 2 王 联 增 , 张 国滨 . 连 铸 结 晶器 中钢 液流 速解 析 . 钢 铁 , 19 9 3 , 2 8 ( 1 2 ) : 2 8 3 hT o m as B G . A P Pl i e at i o n o f M aht e m at i c a l M o d e l s t o t h e C o nt i n u o u s S l a b i n g C a s ti n g M o ld . i n : S te e lm iak n g C o n - fe re n c e P r o e e e d i n g , 19 8 9 , 4 2 3 4 D h a r n l e n dr a G u Pat , L ha iir A K . W 自t e r 一 Mo d e li n g s ut dy o f ht e S u ir 触e e D i s l ur b an e e s i n C o n t in u o u s Sl ab C as t e .r M e t - a ll M at e r T r a n s B , 1 9 9 4 , 2 5 B (4 ) : 2 2 7 5 G uP at D , L ah iir A K . A 叭a/ t e r M o d e l s ut d y o f ht e F l o w A s y m m e ytr nI s id e a C o nt i n o u s S l ab C as t in g M o ld . M e at - 11 u 电i e a l an d M at e ir a l s rT an s ac t i o n s B , 1 9 9 6 , 2 7 B ( 8 ) : 7 5 7 T hr e e 一 d im e n s i o n M at h e m a t i e a l M o d e l S tu 勿 o n F l u i d F l o w i n T h i n S lab C o n t i n u o u s C a s t e r M o l d BA O aY nP i gn, Z H U j i a qn ia gn, IZ例刃 6 aT矶 7艾咬N N d iy u a n , J $ U B a o m e i M e alt l切嗯 y S e h o l , U S T B e ij in g , B e ij in g 10 0 0 8 3 , C h in a A B S T R A C T B y u s in g ht e e o r n 们。 e cr i a l e o d e C FX , ht e htr e e 一 d而e n s i o n a l if in t e 一 d i fe r e n e e m o d e l t o s而u l at e ht e if u id fl o w in t h l n s lab c o nt in uo u s e a s t e r m o ld h as b e e n s et uP . B y us in g ht i s m o d e l , ht e e fe e t s o f ht e S EN v iar a b l e s an d e a s t i n g sP e e d o n s u r af e e tL ir b u l e n e e an d v e l o e iyt if e ld s i n ht e ht i n s lab m o u ld ar e s ut d i e d . hT e e fe e t o f ht e v e l o e iyt d i s itr b ut i o n o f n o司 e o ut l e t o n ht e fl ow if u id in ht e m o u ld 1 5 a l s o s ut d i e d . K E Y W O R D S t h i n s lab e o lt in u o u s e a s t e r m o ld ; fl u id fl o w ; m a ht e m at i e a l m o d e l