连铸板坯结晶器内钢液吹氩行为的数值模拟

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2003.03.032 第25卷第3期 北京科技大学学报 Vol.25 No.3 2003年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2003 连铸板坯结晶器内钢液吹氩行为的数值模拟 于会香 朱国森王新华张炯明王万军 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要以宝钢一连铸板坯结晶器为研究对象，采用多相流模型计算了吹氩后结晶器内钢 液的流场、温度场及氩气分布，结果表明：吹氩后，结晶器内上回流区钢液的流动强度增大， 下回流区变小：钢液的温度梯度减小，温度分布均匀：氩气的分布不均匀，上回流区钢液的含 气率大大高于下回流区 关键词连铸；结晶器；吹氢：数值模拟 分类号TF777.1 浸入式水口吹氩保护浇铸技术是指在浸人(4)不考虑结晶器振动及锥度等因素的影响；（⑤） 式水口中，通过塞棒吹入氩气防止空气吸人的技 氩气泡尺寸均匀一致，氩气温度与钢液的温度相 术.该技术不仅能够有效防止水口堵塞，而且能 同：(6)水口人口处氩气分布均匀. 强化搅拌，均匀钢水成分和温度，促进夹杂物上浮 1.2多相流模型 以及改善铸坯质量.但是吹人氩气也会带来负面 在多相流模型中，每一相有自己的一套求解 影响，如导致保护渣卷入、钢水的裸露氧化及皮 方程，各相的传输量通过相间传输项发生联系. 下缺陷等.因此，研究水口吹氩后结晶器内的钢 对于气液两相流，气相和液相分别有自己的质量 液的行为十分必要. 守恒方程、N—S方程、能量守恒方程以及x一ε双 近年来许多学者采用商业软件CFX和数值 方程，两相的速度和温度通过相间力和热传递项 模拟法对这一问题进行了大量研究.对于结 产生联系.其方程如下： 晶器内的液相，建立质量守恒、动量守恒和K一￡ 0i(r.p.0.)+V-[r.(p.U..-r.Vo.)]- 双方程，在动量守恒方程中加人氩气泡的浮力 项；对于结晶器内的气相，只求解质量守恒方程， rS.+cd0r-0.)+(m.D,-m.D.) 认为气泡一进入计算区域，便在垂直方向上达到 其中，c(D。-中)为a,B相之间中的相间传输，c。= 0,Cog=Caa 了其稳态的最终速度，该方法与实际情况相比简 13计算条件 化较大.本文则采用多相流模型对吹氩后钢液的 (1)边界条件.①模型的入口设在浸入式水口 行为进行模拟，即为液相和气相分别建立一套求 的人口处，其速度值根据入口与出口的质量守恒 解方程，各相的传输量通过相间传输项发生联 计算得出，温度T=1803K.②模型的出口设在结 系. 晶器下方的出口处，采用质量边界条件，即出口 1数学模型 处与入口处质量守恒，③模型的壁面设为达到但 不包括糊状区的位置，即壁面处的温度设为恒定 1.1模型假设 的温度1775K:壁面采用无滑移边界条件. 在建立多相流模型时本文采用了以下假设： (2)其他参数.计算所用工艺参数为：板坯断 (1)结晶器内钢液的流动为稳态粘性不可压缩流 面尺寸1200mm×250mm,拉坯速度1.3m/min,水 动；(2)结晶器液面设置为自由面，氩气完全由月 口侧孔倾角-15°，水口浸人深度220mm,氩气泡 由表面逸出：（③）不考虑结晶器内凝固壳的存在； 直径3mm,水口人口处的含气率4%. 钢水和氩气的物理参数见表1· 收稿日期200206-21于会香女，24岁，助教

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 连铸板坯结晶器 内钢液吹氨行为 的数值模拟 于 会 香 朱 国 森 王 新 华 张 炯 明 王 万 军 北 京科技大学 冶金 学 院 ， 北 京 摘 要 以 宝 钢一 连 铸板 坯结 晶器 为 研究对象 ， 采 用 多相 流模 型 计算 了 吹 氨后 结 晶器 内钢 液的流 场 、 温度场 及 氢气 分布 ， 结果 表 明 吹 氢后 ， 结 晶器 内上 回流 区 钢液 的流动强 度增大 ， 下 回 流 区 变 小 钢 液 的温度梯度 减小 ， 温度 分布均 匀 氢 气的分 布不 均匀 ， 上 回流 区 钢 液 的含 气率大 大 高于下 回流 区 关 键词 连 铸 结 晶器 吹氢 数值模拟 分 类 号 浸 人 式 水 口 吹 氢 保 护 浇 铸 技 术 是 指 在 浸 人 式水 口 中 ， 通 过 塞棒 吹人氢 气 防止 空气 吸人 的技 术 该技术 不 仅 能够 有 效 防止 水 口 堵塞 ， 而 且 能 强 化搅拌 ，均 匀钢 水成 分 和 温度 ，促 进 夹 杂 物上 浮 以 及 改善铸坯 质量 但是 吹人 氢气 也会带来 负面 影 响 ， 如 导致保 护渣 卷人 、 钢 水 的裸 露 氧 化 及 皮 下 缺 陷等 因此 ， 研 究水 口 吹氢 后 结 晶器 内的钢 液 的行 为十分必要 近 年来许 多学 者采 用 商业 软件 和数值 模拟法 对 这一 问题进 行 了大量研究 卜 对 于结 晶器 内 的液相 ， 建立 质 量 守 恒 、 动 量 守 恒 和 双 方 程 ， 在 动 量 守 恒 方 程 中加 人 氢 气 泡 的 浮力 项 对 于结 晶器 内的气相 ， 只求解 质量 守恒 方程 ， 认 为气泡 一 进 人计算 区域 ， 便在 垂 直 方 向上 达 到 了其稳态 的最 终速度 该方 法 与实 际情况 相 比简 化较 大 本 文则 采 用 多相 流模 型对 吹氢后 钢 液 的 行 为进行模 拟 ， 即 为液相 和 气相 分别 建立 一 套求 解 方 程 ， 各 相 的传输 量 通 过 相 间传 输项 发 生 联 系 不 考 虑 结 晶器振 动及 锥 度 等 因素的影 响 氢气泡 尺 寸均 匀一 致 ， 氢 气温 度 与钢 液 的温度相 同 水 口 人 口 处 氢 气 分布均 匀 多相 流 模 型 在 多相 流模 型 中 ， 每一 相 有 自己 的一 套求解 方 程 ， 各相 的传输 量 通 过 相 间传输 项 发 生 联 系 对 于气 液 两相 流 ， 气相 和 液相 分别有 自己 的质量 守恒方程 、 萍一 方程 、 能量 守 恒 方 程 以 及 双 方程 ， 两相 的速度 和 温 度通 过 相 间力 和 热传递项 产 生 联 系 其 方程 如 下 景 。 ， 。 。 · 。 。 二 成一 甲 。 数 学模 型 模 型假 设 在 建立 多相 流模 型 时本 文 采用 了 以下 假设 结 晶器 内钢 液 的流 动 为稳 态 粘性 不 可 压缩 流 动 结 晶器 液 面设 置 为 自由面 ， 氢 气 完 全 由 自 由表 面逸 出 不 考 虑 结 晶器 内凝 固壳 的存 在 收 稿 日期 刁 于 会香 女 ， 岁 ， 助 教 呱嗯以呜一 叫噜 鸿 一 ，叫 其 中 ， 试妈一 叭 为 渭相 之 间 必 的 相 间 传 输 ， 。 ， 叨 · 计 算 条 件 边 界条件 ①模 型 的人 口 设 在 浸 人式水 口 的人 口 处 ， 其速度值根据人 口 与 出 口 的质量 守恒 计算得 出 ， 温度 ②模 型 的 出 口 设在结 晶器 下 方 的 出 口 处 ， 采 用 质量 边 界 条 件 ， 即 出 口 处 与人 口 处 质量 守恒 ③模 型 的壁 面设 为达 到但 不 包括糊 状 区 的位 置 ， 即壁 面处 的温度设 为恒定 的温 度 壁 面采 用 无 滑 移 边 界 条 件 其 他参数 计算所用 工 艺参数 为 板 坯 断 面尺 寸 ， 拉坯速度 ， 水 口 侧孔 倾 角 一 ， 水 口 浸 人深 度 ， 氢气 泡 直径 ， 水 口 人 口 处 的含 气率 钢 水 和氢气 的物 理参数见 表 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．03．032

·216· 北京科技大学学报 2003年第3期 表1物性参数 Table 1 Physical parameters 材料 密度/(kgm) 分子粘性系数/(kgm's)导热系数(WmK)恒压热容/kgK) 钢水 7020 5.5×103 34 680 氩气 0.56 7.42×10-5 0.017 523.38 1.4数值求解 表面上温度很高，自由表面活跃；温度场的不对 采用英国AEA公司提供的CFX4.3商业软 称性有所增加. 件，对上述模型进行了计算.求解在PentiumⅢ 23水口吹氩后结晶器内氩气分布的基本特征 -550计算机上进行，计算时间约为300min,迭代 图3为吹氩时水口与结晶器内钢液含气率的 1.6×10次以后，计算达到收敛，质量残差为10 分布情况.可见，水口内钢液含气率的分布情况 为：水口内钢液含气率较高，在4.4%以上；水口 2计算结果与讨论 出口上半部分钢液的含气率最高，最大值达 13.27%;水口底部的“凹”形区内，含气率几乎为 21水口吹氩后结晶器内钢液流场的基本特征 图1(a,b)分别为不吹氩和吹氩时结晶器内 0.结晶器内钢液含气率的分布情况为：氩气主要 集中在水口出口上半部分，上表面靠近水口壁面 钢液的流场.可见，吹氩前后结晶器内钢液的流 附近，水口底部外壁，上下回流区的涡心处；结晶 动相似，基本特征为：(1)钢液从水口流出后，形 器下方钢液的含气率很低，在10数量级. 成一股很强的射流，撞击到结晶器窄面后，分成 向上和向下两股钢流.(2)向上的流股在自由表面 附近形成两个较强回流，向下的流股也形成与上 部回流方向相反、范围更大的两个回流，其强度 在向下延伸过程中逐渐减弱.但是，吹氩后结晶 器内钢液的上回流强度增强，下回流强度明显减 噻 弱，下回流的涡心明显上移，下回流区减小.主要 原因是氩气在吹入结晶器后对钢液有提升作用， 致使钢液向下的速度减小，向上的速度增加. yu=1.3236 Ven=1.3376 (a)不吹氩(b)水口入口处含气率为4% 图2不吹氩与吹氮时结晶器内钢液的温度场图 Fig.2 Simulated temperature fields without and with argon injection 662是 (a)不吹氩 b)水口入口处含气率为4% 图1不吹氩与吹氩时结晶器内钢液的流场图 774720 Fig.1 Simulated velocity fields without and with argon in- jection 22水口吹盒后结晶器内钢液温度场的基本特征 图2(a,b)分别为不吹氩四和吹氩时结晶器内 钢液的温度场.可见，与不吹氩时相比，吹氩后结 图3吹氩时漫入式水口与结晶器内含气率的分布图 晶器内钢液的温度场发生了较大的变化：钢液的 Fig.3 Gas distribution in the submerged entry nozzle and 温度普遍增高，温度梯度小，分布趋于均匀；自由 mold when argon injection

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 表 物 性 参 数 材料 钢 水 氢气 密度 伙 · 一 分子 粘性 系 数 · 一 ’ 一 ’ 导 热 系数 · 一 ’ 一 ‘ 恒 压热 容 · 一 ’ 一 ， 一， 数 值 求解 采 用 英 国 公 司提供 的 商业 软 件 ， 对 上 述模 型进 行 了计算 求解 在 一 计算机上 进行 ， 计算 时 间约 为 ， 迭 代 、 次 以后 ， 计算达 到 收敛 ， 质 量 残 差 为 一 计 算结 果 与 讨论 水 口 吹 盔后 结 晶器 内钢 液流 场 的基 本 特 征 图 分别 为不 吹氢 ‘，” 和 吹 氢 时结 晶器 内 钢液 的 流场 可 见 ， 吹 氢 前后 结 晶器 内钢 液 的 流 动相 似 ， 基本 特征 为 钢液从水 口 流 出后 ， 形 成 一 股很强 的射 流 ， 撞击 到 结 晶器 窄 面后 ， 分 成 向上 和 向下 两股钢 流 向上 的流股在 自由表 面 附近形成两 个较强 回 流 ， 向下 的 流股也形成 与上 部 回 流 方 向相 反 、 范 围更 大 的两 个 回流 ， 其 强 度 在 向下 延 伸过程 中逐渐减 弱 但是 ， 吹氢 后 结 晶 器 内钢 液 的上 回流 强 度增 强 ， 下 回流 强 度 明显 减 弱 ，下 回流 的涡 心 明显 上 移 ， 下 回流 区减 小 主要 原 因是 氢气 在 吹人 结 晶器后 对钢 液 有 提 升作用 ， 致使钢 液 向下 的速度 减 小 ， 向上 的速度 增 加 表 面 上 温 度很 高 ， 自由表 面 活跃 温 度 场 的不 对 称性 有 所增 加 水 口 吹 氛后 结 晶器 内氨 气 分 布 的基 本特 征 图 为吹氢 时水 口 与结 晶器 内钢液含气率的 分 布情 况 可 见 ， 水 口 内钢 液 含气率 的分 布情况 为 水 口 内钢 液 含气 率 较 高 ， 在 以 上 水 口 出 口 上 半 部 分 钢 液 的 含 气 率 最 高 ， 最 大 值 达 水 口 底 部 的 “ 凹 ” 形 区 内 ， 含气 率几 乎 为 结 晶器 内钢 液含 气率 的分布情况 为 氢气主要 集 中在 水 口 出 口 上 半 部 分 ，上 表 面靠近 水 口 壁 面 附近 ， 水 口 底 部 外壁 ， 上 下 回流 区 的涡 心 处 结 晶 器下 方 钢 液 的含 气率很 低 ， 在 一 数量 级 卜卜 泪刀力 潜吸肠脚缓 脚朋加用蒯 蓄 象蓄备誉哥蜜誉聋考鑫象参象吞戴苏爹潇蓄 澡健落滋罐通准通灌健落姜蓄略 噜滚展傲蓉赘探灌壤灌落噶礴鹰凄着蘑 孰 、、 、 乐 一介 少 价 、 阵 ‘ 厂 一 雄摧黔 “ 丫愧衡 一 不 吹 氢 水 口 人 口 处 含气率为 图 不 吹 鼠 与吹 盗 时 结 晶 器 内钢液 的温 度 场 图 一门 了 〔 曰 临 盯 之 曰 亡 ， 了 巴 鬓麒一攫 创 … 」勺 图 矽交矛 甲甲，岁女，冷亨亏个兮七令丫‘亏卜告今杏，老俐今卜，护， 犷 、，宁心‘才 、资平，‘ ‘石咨，孕念， 勺俄斤啥李，牛才心不于今今奋甲十卜令‘ ‘飞 ，冲︺，平侮琳喻丫凌哈甲叹去壬毒，小守争争之奋少启七今心几 母瑞﹂卜 不 吹氢 水 口 人 口 处含气率 为 图 不 吹 盘 与吹 盘 时结 晶器 内钢 液的流 场 图 啥 · 。 水 口 吹 盆后 结 晶器 内钢 液温度 场 的基本特 征 图 ， 分别 为不 吹 氢 ‘川 和 吹 氢 时结 晶器 内 钢液 的温度 场 可 见 ， 与不 吹氢 时相 比 ， 吹氢 后 结 晶器 内钢液 的温度场发生 了 较 大 的变 化 钢液 的 温度普遍 增 高 ， 温度 梯度小 ， 分布趋 于均匀 自由 吹 益 时浸 入 式 水 口 与 结 晶 器 内含气 率 的分 布 图 卜

Vol.25 No.3 于会香等：连铸板坏结晶器内钢液吹氩行为的数值模拟 ·217· 3结论 in a continuous slab casting mold [A].Steelmaking Con- ference Proceedings [C].America,1993.273 (1)将大型商业软件C℉X4.3应用于冶金领 4 Bai Hua,Thomas B G.Effect of clogging,argon injection 域，采用多相流模型(multi-phase flow model)模拟 and casting conditions on flow rate and air aspiration in 计算了水口吹氩时结晶器内钢液的流场、温度场 submerged entry nozzles [A].Steelmaking Conference 及氩气分布. Proceedings [C].America,2000.183 (2)吹氩后结晶器内钢液流场与温度场的基 5 Li Baokuan,Okane Toshimitsu,Umeda Takateru.Model- 本特征为：流场由上下四个回流区组成，上回流 ing of molten metal flow in a continuous casting process considering the effects of argon gas injection and static 的流动强度增强，下回流强度减弱，下回流区域 magnetic-field application[J].Metall Mater Trans B,2000, 减小.温度梯度减小，分布均匀. 31B:1491 (3)吹氩后含气率分布的基本特征为：氩气分 6 Zhang Jiongming,Wang Wanjun,He Jicheng.Effect of 布不均匀，主要分布在水口出口上半部分、壁面 gas injection on fluid flow in mold [J],J Univ Sci Technol 附近、底部壁面附近和结晶器上下回流区的涡心 Beijing.I998,5(1):16 处；水口底部“凹”槽中和结晶器下方钢液的含气 7 Xu D,Jones WK Jr,Evans J W.Experimental investiga- 率很低 tion of the argon bubble behavior in the mold during con- tinuous casting of steel-A water model study [A].Steel- 参考文献 making Conference Proceedings [C].America,1999.155 1 Bai Hua,Thomas B G.Turbulent flow of liquid steel and 8于会香，张炯明，王万军，等.板坯连铸浸入式水口 argon bubbles slide-gate tundish nozzles:Part I Model de- 出口速度对结晶器流场的数值模拟[J刀.北京科技大 velopment and validation [J].Metall Mater Trans B. 学学报，2002,245：492 2001,32B:253 9马范军，文光华，李刚.板坯连铸结晶器内吹入气体 2 Bai Hua,Thomas B G.Turbulent flow of liquid steel and 对钢液行为的影响[.炼钢，2000,16(3)：42 argon bubbles slide-gate tundish nozzles:Part II Effect of 10王妍，郑炜，朱苗勇.宝钢一炼钢厂连铸机结晶器浸 operation conditions and nozzle design [J].Metall Mater 人式水口吹氩的水模研究[].宝钢技术，2000,6：26 Trans B,2001,32B:269 11于会香.连铸板坯结晶器内浸入式水口的优化研究 3 Thomas B G,Huang X.Effect of argon gas on fluid flow [D1北京：北京科技大学，2002 Numerical Simulation of Fluid Behavior in Continuous Slab-Casting Mold with Argon Injection YU Huixiang,ZHU guosen,WANG Xinhua.ZHANG Jiongming,WANG Wanjun Metallurgical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Taking the mold of No.I continuous slab-casting machine in Baosteel as the object,a multi-phase model was applied to simulate the velocity,temperature fields and gas distribution of molten steel with argon injec- tion.The results indicate that the velocity of upward flow increases and the lower re-circulation region appears small,the gradient of temperature decreases.Argon bubbles distribute unevenly and the gas holdup of liquid steel in the upper region is far higher than that of the lower region. KEY WORDS continuous casting;mold;argon injection;numerical simulation

一 于会 香 等 连 铸 板 坯 结 晶器 内钢 液吹 氛 行 为 的数值 模拟 结 论 将 大 型 商业 软件 应 用 于 冶 金 领 曦 ， 采用 多相 流模 型 一 。 。 。 模 拟 计算 了水 口 吹氨 时结 晶器 内钢液 的流场 、 温度场 及 氨气 分 布 吹氢 后 结 晶器 内钢 液 流 场 与温 度 场 的基 本 特征 为 流 场 由上 下 四 个 回 流 区 组 成 ， 回 流 的流动 强 度增 强 ， 下 回流强 度 减 弱 ， 下 回流 区 域 减 小 温 度梯度 减小 ， 分 布均 匀 吹氢后 含气率分布 的基本特 征 为 氢气分 布不 均 匀 ， 主要 分 布在 水 口 出 口 上 半 部 分 、 壁 面 附近 、 底 部壁 面 附近 和结 晶器 上 下 回流 区 的涡 心 处 水 口 底 部 “ 凹 ” 槽 中和结 晶器下方 钢 液 的含气 率很 低 参 考 文 献 ， 一 」 ， ， ， 笔 一 【 ， ， ， 【 」 ， ， ， ， ， ， 一 ， ， ， 叭厄们 自 ， ， ， ， ， ， 一 【 ， 于 会香 ， 张炯 明 ， 王 万 军 ， 等 板坯连 铸浸 人 式水 口 出 口 速度 对结 晶器 流场 的数值模拟 北京科技大 学学 报 ， ， 马 范军 ， 文 光 华 ， 李 刚 板 坯 连 铸结 晶器 内吹 人 气体 对钢液 行 为的 影 响 炼钢 ， ， 王 妍 ， 郑炜 ， 朱苗勇 宝 钢 一 炼钢厂 连铸机结 晶器 浸 人 式水 口 吹氨 的水模研究 宝 钢技术 ， ， 于会香 连 铸板 坯结 晶器 内浸 入式 水 口 的优化研究 【 北 京 北 京 科技大学 ， 一 抚 ， 了 ， 洲刀 ， 只刃 ， 月匆刀 肠 嗯 ， ， ， 一 ， 一 ， 一