板坯连铸结晶器内钢液流动的数值模拟

第36卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.36 Suppl.1 2014年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2014 板坯连铸结晶器内钢液流动的数值模拟 杨静波2)，李京社”，张江山，高向宙”，杨树峰)四 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)河北钢铁集团唐钢公司，唐山063016 ☒通信作者，E-mail:yangshufeng(@usth.cdu.cn 摘要利用Fluent软件对l650mm×220mm板坯结晶器建立了三维稳态数学模型，对三种方案条件下结晶器内钢液流动进 行模拟.结果表明，结晶器的宽度对结晶器表面速度分布影响显著，随着结晶器宽度的增加，结晶器表面的速度分布越来越不 均匀.表面的最大速度受到多种参数的影响，包括浸入式水口入口钢液的速度、水口出口角度和水口浸入深度等，其中入口钢 液的速度影响最为显著.最优方案为：铸坯宽度1100mm,底部结构为山形和出口角度向下30°的水口，水口浸入深度120mm, 流量为11.6m3h,入口速度为0.8384ms 关键词连铸；板坯：结晶器；数值模拟 分类号TF777.1 Simulation on fluid flow in a slab continuous casting mould YANG Jing-bo,LI Jing-she,ZHANG Jiang-shan,GAO Xiang-zhou,YANG Shufeng 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Tangshan Iron and Steel Branch of Hebei Iron and Steel Group,Tangshan 063016,China Corresponding author,E-mail:yangshufeng@ustb.edu.cn ABSTRACT A 3D steady numerical model of 1650 mm x 220 mm slab mould was built,which was used to simulate the molten steel flow in the mould for with 3 schemes.The results showed that the width of the mould played an important role on the mould surface ve- locity.The velocity distribution became more and more non-uniform with the width increasing.The surface maximum velocity was af- fected by many factors,including the molten steel velocity at nozzle,nozzle angle,and the immersion depth of the nozzle,of which the molten steel velocity at nozzle had the most influence.The optimum scheme is as follows:mould width of 1100mm,immersion depth of 120 mm,construction bottom structure of "E-lie-down"shape,nozzle outlet angle of 30,flow rate of 11.6mh,and inlet velocity of0.8384m*s1. KEY WORDS continuous casting:slab:mould:numerical simulation 结晶器是连铸机的“心脏”，也是控制钢水洁净 面波动减小：而当水口张角由大变小时，会加剧弯月 度的最后环节，其内部钢液流动特性和自由液面的 面波动，引起表面卷渣.马范军等回通过对板坯连 波动行为越来越成为研究者所关注的焦点.优化浸 铸结晶器内流体流动的数值计算，分析了结晶器内 入式水口结构和结晶器操作参数对提高铸坯质量具 钢流对窄面冲击压力和液面紊动能的分布状态及浸 有重要作用 入式水口结构尺寸和工艺参数对连铸过程的影响， 近年来国内外冶金界对结晶器内流场做了大量 并对结晶器操作工艺参数和浸入式水口结构进行了 的数值模拟研究.雷洪等口通过水模型实验研究了 优化.此外，张炯明可、雷方、朱苗勇等也都采 铸坯宽度和浸入式水口的张角、浸入深度对结晶器 用数值模拟对结晶器流场做了大量研究. 弯月面波动的影响，并用数值模拟方法对结晶器流 本文利用Fluent软件对结晶器内钢液流动进行 场和实验结果进行了分析，发现铸坯宽度增加，弯月 了模拟，重点研究了板坯断面、水口浸入深度，水口 收稿日期：2013-1101 基金项目：中央高校基础科研业务费专项资金资助项目(FRF-TP-13OO4A) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.s1.019:http://joumals.ustb.edu.cn

第 36 卷 增刊 1 2014 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 Suppl． 1 Apr． 2014 板坯连铸结晶器内钢液流动的数值模拟 杨静波1，2) ，李京社1) ，张江山1) ，高向宙1) ，杨树峰1)  1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 河北钢铁集团唐钢公司，唐山 063016 通信作者，E-mail: yangshufeng@ ustb． edu． cn 摘 要 利用 Fluent 软件对 1650 mm × 220 mm 板坯结晶器建立了三维稳态数学模型，对三种方案条件下结晶器内钢液流动进 行模拟． 结果表明，结晶器的宽度对结晶器表面速度分布影响显著，随着结晶器宽度的增加，结晶器表面的速度分布越来越不 均匀． 表面的最大速度受到多种参数的影响，包括浸入式水口入口钢液的速度、水口出口角度和水口浸入深度等，其中入口钢 液的速度影响最为显著． 最优方案为: 铸坯宽度 1100 mm，底部结构为山形和出口角度向下 30°的水口，水口浸入深度 120 mm， 流量为 11. 6 m3 ·h － 1 ，入口速度为 0. 8384 m·s － 1 ． 关键词 连铸; 板坯; 结晶器; 数值模拟 分类号 TF777. 1 Simulation on fluid flow in a slab continuous casting mould YANG Jing-bo 1，2) ，LI Jing-she 1) ，ZHANG Jiang-shan1) ，GAO Xiang-zhou1) ，YANG Shu-feng1)  1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Tangshan Iron and Steel Branch of Hebei Iron and Steel Group，Tangshan 063016，China Corresponding author，E-mail: yangshufeng@ ustb． edu． cn ABSTＲACT A 3D steady numerical model of 1650 mm × 220 mm slab mould was built，which was used to simulate the molten steel flow in the mould for with 3 schemes． The results showed that the width of the mould played an important role on the mould surface ve￾locity． The velocity distribution became more and more non-uniform with the width increasing． The surface maximum velocity was af￾fected by many factors，including the molten steel velocity at nozzle，nozzle angle，and the immersion depth of the nozzle，of which the molten steel velocity at nozzle had the most influence． The optimum scheme is as follows: mould width of 1100 mm，immersion depth of 120 mm，construction bottom structure of“E-lie-down”shape，nozzle outlet angle of 30°，flow rate of 11. 6 m3 ·h － 1 ，and inlet velocity of 0. 8384 m·s － 1 ． KEY WOＲDS continuous casting; slab; mould; numerical simulation 收稿日期: 2013--11--01 基金项目: 中央高校基础科研业务费专项资金资助项目( FＲF--TP--13--004A) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． s1． 019; http: / /journals． ustb． edu． cn 结晶器是连铸机的“心脏”，也是控制钢水洁净 度的最后环节，其内部钢液流动特性和自由液面的 波动行为越来越成为研究者所关注的焦点． 优化浸 入式水口结构和结晶器操作参数对提高铸坯质量具 有重要作用． 近年来国内外冶金界对结晶器内流场做了大量 的数值模拟研究． 雷洪等［1］通过水模型实验研究了 铸坯宽度和浸入式水口的张角、浸入深度对结晶器 弯月面波动的影响，并用数值模拟方法对结晶器流 场和实验结果进行了分析，发现铸坯宽度增加，弯月 面波动减小; 而当水口张角由大变小时，会加剧弯月 面波动，引起表面卷渣． 马范军等［2］通过对板坯连 铸结晶器内流体流动的数值计算，分析了结晶器内 钢流对窄面冲击压力和液面紊动能的分布状态及浸 入式水口结构尺寸和工艺参数对连铸过程的影响， 并对结晶器操作工艺参数和浸入式水口结构进行了 优化． 此外，张炯明［3］、雷方［4］、朱苗勇［5］等也都采 用数值模拟对结晶器流场做了大量研究． 本文利用 Fluent 软件对结晶器内钢液流动进行 了模拟，重点研究了板坯断面、水口浸入深度，水口

增刊1 杨静波等：板坯连铸结晶器内钢液流动的数值模拟 ·99· 底部结构及水口出口角度等工艺参数对结晶器内钢 度系数式u为有效黏度，p为密度，g为重力加速 液流速的影响，并找到了优化结晶器流场的最佳 度，，“(i,j=1,2,3)分别为笛卡尔坐标坐标系下 方案 的三个速度分量，p为压强，F为体积力 1数学模型的建立 湍动能方程： 1.1基本假设 oa=品(+台)盖)+6-ne:6) ax, 在实际的生产过程中连铸结晶器内钢液的流动 耗散率方程： 十分复杂，在进行数值计算时，根据其流动特征和研 究目的可对结晶器内的流动作以下假设：(1)结晶 ae)-是(4+台)）+c6+cp: 器内钢液的流动是不可压缩的稳定流动：(2)忽略 (4) 结晶器弯月面的表面波动及保护渣对流动的影响： (3)结晶器内钢液按均相介质处理：(4)不考虑结晶 式中，G=-p4w,=pC. 仁：各系数分别取值 器振动及锥度等因素的影响；(5)忽略钢渣界面和 如下：C1=1.44,C2=1.92,0k=1.0,C4=0.09, 钢渣内部的化学反应：(6)忽略传热对流动的影响. 0=1.3. 1.2控制方程 1.3结晶器几何模型及边界条件 连续性方程： 结晶器几何模型，边界条件及网格划分如图1 a=0: 所示 dx (1) 入口：从浸入式水口计算结果中导入出口的速 动量守恒方程(Navier-stoke方程)： 度(u,山，u),湍动能(k),耗散率（ε）作为结晶器 a(pu:）,a(pu:4） 入口边界条件 at dx; 出口：压力出口，Pgag,meue=0. 是+（完+器]+： 结晶器表面采用自由表面，x,y,z方向黏性切应 (2) 力为0. 式中，μ=4。+u,为分子黏度系数，以，为湍流黏 1/2结晶器模型对称面：法向速度及速度梯度 自由液面 (b) 水口 0 出口 对称面 04 0.2 -2.0 出口 0.0500 图1结品器几何模型及网格分布.()计算区域：(b)网格 Fig.1 Geometry model and mesh ofmould:(a)calculation zone:(b)mesh

增刊 1 杨静波等: 板坯连铸结晶器内钢液流动的数值模拟 底部结构及水口出口角度等工艺参数对结晶器内钢 液流速的影响，并找到了优化结晶器流场的最佳 方案． 1 数学模型的建立 1. 1 基本假设 在实际的生产过程中连铸结晶器内钢液的流动 十分复杂，在进行数值计算时，根据其流动特征和研 究目的可对结晶器内的流动作以下假设: ( 1) 结晶 器内钢液的流动是不可压缩的稳定流动; ( 2) 忽略 结晶器弯月面的表面波动及保护渣对流动的影响; ( 3) 结晶器内钢液按均相介质处理; ( 4) 不考虑结晶 器振动及锥度等因素的影响; ( 5) 忽略钢渣界面和 钢渣内部的化学反应; ( 6) 忽略传热对流动的影响． 图 1 结晶器几何模型及网格分布 . ( a) 计算区域; ( b) 网格 Fig． 1 Geometry model and mesh ofmould: ( a) calculation zone; ( b) mesh 1. 2 控制方程 连续性方程: ui xi = 0; ( 1) 动量守恒方程( Navier--stoke 方程) : ( ρui ) t + ( ρuiuj ) xj = － p xi +  x [j μeff ( ui xj + uj x ) ] i + Fi ; ( 2) 式中，μeff = μo + μt，μ0为分子黏度系数，μt为湍流黏 度系数式，μeff为有效黏度，ρ 为密度，g 为重力加速 度，ui，uj ( i，j = 1，2，3) 分别为笛卡尔坐标坐标系下 的三个速度分量，p 为压强，F 为体积力． 湍动能方程:  xi ( ρkui ) =  x ( ( j μ0 + μt σ ) k k x )j + Gk － ρε; ( 3) 耗散率方程:  xi ( ρεui ) =  x ( ( j μ0 + μt σ ) k ε x )j + C1 ε k Gk + C2 ρ ε 2 k ; ( 4) 式中，Gk = － ρ u' iu' j uj xi ，μt = ρCu k 2 ε ; 各系数分别取值 如下: C1 = 1. 44，C2 = 1. 92，σk = 1. 0，Cμ = 0. 09， σε = 1. 3． 1. 3 结晶器几何模型及边界条件 结晶器几何模型，边界条件及网格划分如图 1 所示． 入口: 从浸入式水口计算结果中导入出口的速 度( ux，uy，uz ) ，湍动能( k) ，耗散率( ε) 作为结晶器 入口边界条件． 出口: 压力出口，pgauge，pressure = 0． 结晶器表面采用自由表面，x，y，z 方向黏性切应 力为 0． 1 /2 结晶器模型对称面: 法向速度及速度梯度 ·99·

·100 北京科技大学学报 第36卷 均为0. 表2结品器数学模拟实验方案 Table 2 Studied cases in numerical simulation 2模型验证 断面水口浸水口 水口出 水口入口 流量/ 在数值模拟过程中，选取断面宽度为1650mm 方案 宽度/入深度/底部 口角度/ 速度/ (m3h1) mmmm结构(o) (ms1) 的结晶器作为验证对象，其水模实验及数学模型参 方案1 1650140山形 25 13.00.9432 数见表1. 方案2 1250 200 凹形 20 9.9 0.7146 表1断面宽度为1650mm的结品器水模型及数学模型参数 方案3 1100 120 山形 30 11.60.8384 Table 1 Water model and numerical model parameters of the mould of 1650 mm in width 最大速度出现在距离水口0.4m处.高速流体从水 参数 1:1水模实验 数学模型 口出口流出，冲击结晶器窄面后流体被分为2个部 水口出口角度/() 向下25 向下25 分，一部分向上运动至弯月面流向水口再沿着水口 75mm(高)× 75mm(高)× 水口出口面积 臂向下流动形成一个上部回旋区，另一部分流体沿 45mm(宽) 45mm(宽) 着结晶器窄面向下运动形成一个下部回旋区.由于 水口浸入深度（结晶器液 140 140 结晶器宽度较大，在靠近水口中心处出现另外一个 面到水口中心距离)/mm 流量/(m3h1) 13.0 13.0 小的回旋区，在结晶器下部出现2个回旋区. 结品器宽度/mm 1650 1650 由图4可知高速流体冲击结晶器窄面位置，在 结晶器厚度/mm 距离钢液表面0.45m处的垂直速度为0，以此为分 220 220 结品器高度/mm 1600 1040 界点流体分为向上和向下两个方向.在距离钢液表 面0.28m处向上运动的流体速度达到最大值，然后 图2所示为两个点的速度测量结果和模拟结果 逐渐减小流向弯月面.随着距液面垂直距离的增 的对比，可以看出距离水口中心线0.77m处结果吻 加，向下流动的流体速度逐渐增大，在距离钢液表面 合比较好，测量点速度0.042m·s1,模拟速度为 0.67m处达到最大：然后部分流体开始向上回流， 0.045ms1;距离水口0.20m处结果吻合程度不 垂直速度逐渐变小. 大，测量结果上限为0.028m·s-,模拟速度的误差 如图5所示，方案2中结晶器表面最大速度为 下限为0.030ms1.总体来看，弯月面位置处数值 0.16ms1,最大速度出现在水口和结晶器窄面之 模拟的实验结果与水模拟的实验结果吻合较好，而 间，距离水口中心0.31m处，结晶器表面速度分布 靠近水口处水模拟的检测结果有偏差. 较均匀.高速流体冲击结晶器窄面位置在距离钢液 表面0.41m处.图6表明在距钢液表面0.28m处 0.14 向上运动的流体速度达到最大值，然后速度逐渐减 0.12 “一计算结果 ·测量结果 小并流向弯月面.结晶器下部靠近水口中心处的循 0.10 环区区域消失，结晶器内上下2个区域分别形成一 0.08 个回旋区：向下流动的流体速度随距离液面的垂直 0.06 距离的增加而增加，在距离结晶器0.51m处达到最 0.40 大；然后部分流体开始向上回流，垂直速度逐渐 02 变小. 0.1 0.2030.40.50.6070.8 图7表明方案3中结晶器表面最大速度为 距离水口距离m 0.14ms1,最大速度出现在水口和结晶器窄面之 图2结品器表面中心线流速结果对比 间，距离水口中心0.30m处，结晶器表面钢液流速 Fig.2 Flow velocity comparison atmould surface center line 整体较小而且分布较均匀，高速流体冲击结晶器窄 面位置在距离钢液表面0.39m处.图8表明在距离 3 数值计算结果分析 钢液表面0.25m处向上运动的流体速度达到最大 本文对3种方案结晶器内流场进行数值模拟， 值，然后逐渐减小流向弯月面.随着距液面垂直距 具体方案见表2. 离的增加，向下流动的流体速度逐渐增大，在距离结 图3所示为方案1中结晶器表面的速度分布，速 晶器0.52m处达到最大值，然后部分流体开始向上 度在整个液面的分布不均匀，最大速度为0.18ms1,， 回流，垂直速度逐渐变小

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 均为 0． 2 模型验证 在数值模拟过程中，选取断面宽度为 1650 mm 的结晶器作为验证对象，其水模实验及数学模型参 数见表 1． 表 1 断面宽度为 1650 mm 的结晶器水模型及数学模型参数 Table 1 Water model and numerical model parameters of the mould of 1650 mm in width 参数 1∶ 1水模实验 数学模型 水口出口角度/( °) 向下 25 向下 25 水口出口面积 75 mm( 高) × 45 mm( 宽) 75 mm( 高) × 45 mm( 宽) 水口浸入深度( 结晶器液 面到水口中心距离) /mm 140 140 流量/( m3 ·h － 1 ) 13. 0 13. 0 结晶器宽度/mm 1650 1650 结晶器厚度/mm 220 220 结晶器高度/mm 1600 1040 图 2 所示为两个点的速度测量结果和模拟结果 的对比，可以看出距离水口中心线 0. 77 m 处结果吻 合比较好，测量点速度 0. 042 m·s － 1 ，模拟速度为 0. 045 m·s － 1 ; 距离水口 0. 20 m 处结果吻合程度不 大，测量结果上限为 0. 028 m·s － 1 ，模拟速度的误差 下限为 0. 030 m·s － 1 ． 总体来看，弯月面位置处数值 模拟的实验结果与水模拟的实验结果吻合较好，而 靠近水口处水模拟的检测结果有偏差． 图 2 结晶器表面中心线流速结果对比 Fig． 2 Flow velocity comparison atmould surface center line 3 数值计算结果分析 本文对 3 种方案结晶器内流场进行数值模拟， 具体方案见表 2． 图3 所示为方案 1 中结晶器表面的速度分布，速 度在整个液面的分布不均匀，最大速度为0. 18 m·s －1 ， 表 2 结晶器数学模拟实验方案 Table 2 Studied cases in numerical simulation 方案 断面 宽度/ mm 水口浸 入深度/ mm 水口 底部 结构 水口出 口角度/ ( °) 流量/ ( m3 ·h －1 ) 水口入口 速度/ ( m·s － 1 ) 方案 1 1650 140 山形 25 13. 0 0. 9432 方案 2 1250 200 凹形 20 9. 9 0. 7146 方案 3 1100 120 山形 30 11. 6 0. 8384 最大速度出现在距离水口 0. 4 m 处． 高速流体从水 口出口流出，冲击结晶器窄面后流体被分为 2 个部 分，一部分向上运动至弯月面流向水口再沿着水口 臂向下流动形成一个上部回旋区，另一部分流体沿 着结晶器窄面向下运动形成一个下部回旋区． 由于 结晶器宽度较大，在靠近水口中心处出现另外一个 小的回旋区，在结晶器下部出现 2 个回旋区． 由图 4 可知高速流体冲击结晶器窄面位置，在 距离钢液表面 0. 45 m 处的垂直速度为 0，以此为分 界点流体分为向上和向下两个方向． 在距离钢液表 面 0. 28 m 处向上运动的流体速度达到最大值，然后 逐渐减小流向弯月面． 随着距液面垂直距离的增 加，向下流动的流体速度逐渐增大，在距离钢液表面 0. 67 m 处达到最大; 然后部分流体开始向上回流， 垂直速度逐渐变小． 如图 5 所示，方案 2 中结晶器表面最大速度为 0. 16 m·s － 1 ，最大速度出现在水口和结晶器窄面之 间，距离水口中心 0. 31 m 处，结晶器表面速度分布 较均匀． 高速流体冲击结晶器窄面位置在距离钢液 表面 0. 41 m 处． 图 6 表明在距钢液表面 0. 28 m 处 向上运动的流体速度达到最大值，然后速度逐渐减 小并流向弯月面． 结晶器下部靠近水口中心处的循 环区区域消失，结晶器内上下 2 个区域分别形成一 个回旋区; 向下流动的流体速度随距离液面的垂直 距离的增加而增加，在距离结晶器 0. 51 m 处达到最 大; 然后部分流体开始向上回流，垂 直 速 度 逐 渐 变小． 图 7 表 明 方 案 3 中结晶器表面最大速度为 0. 14 m·s － 1 ，最大速度出现在水口和结晶器窄面之 间，距离水口中心 0. 30 m 处，结晶器表面钢液流速 整体较小而且分布较均匀，高速流体冲击结晶器窄 面位置在距离钢液表面 0. 39 m 处． 图 8 表明在距离 钢液表面 0. 25 m 处向上运动的流体速度达到最大 值，然后逐渐减小流向弯月面． 随着距液面垂直距 离的增加，向下流动的流体速度逐渐增大，在距离结 晶器 0. 52 m 处达到最大值，然后部分流体开始向上 回流，垂直速度逐渐变小． ·100·

增刊1 杨静波等：板坯连铸结晶器内钢液流动的数值模拟 ·101· 03 02m8 00.020.040.060.080.100.120.140.160.18020 0 0.2 0.4 0.6 0.8 x/m (a -0.6 05 -0.8 速度ms 速度八1s) -10 1.4 1.2 2 1 H00 -1.2 8胎 .4 0. 8 w1t1111111t- 0.3 .2 09 16 0 020.40.60.8 1.0 0 020.4 0.6 0.8 1.0 xlm x/m (b) (e) 图3方案1中结晶器内钢液速度分布.(a)结品器表面速度：(b)结品器宽面中心面速度：()速度云图及流线图 Fig.3 Velocity distribution of scheme 1:(a)flow velocity at mould surface:(b)flow velocity at central plane of mould wide-side:(c)contour of velocity and streamline 0 浸入式水口入口钢液的速度、水口角度和水口浸 入深度，其中入口钢液的速度影响最显著，其次是 02 水口角度：浸入式水口入口钢液的速度越大，结晶 0.4 器表面最大速度越大；水口角度越向上倾斜，表面 0.6 最大流速越大.窄面冲击点位置主要与浸入深度 0.8 和水口角度有关，浸入深度越深窄面冲击点的位 置越低，向下的水口角度越小，窄面冲击点的位置 1.0 越低。 1 -0.10 0.05 0 0.05 0.10 垂直速度《m,、 4结论 图4方案1中距离结品器窄面2mm处垂直速度分布 采用数值模拟计算了宽面宽度为1100~1650 Fig.4 Vertical velocity distribution at 2 mm away from mould narrow- mm,窄面宽度为220mm的连铸结晶器内的钢液流 edge in scheme I 动行为，得到如下结论： 通过以上分析可知，随着结品器宽度的增加， (1)结晶器的宽度对结晶器表面速度分布影响 结晶器表面的速度分布越来越不均匀，方案1中 显著，随着结晶器宽度的增加，结晶器表面的速度分 宽度为1650mm时结晶器表面速度分布最不均 布越来越不均匀. 匀.而表面的最大速度受到多种参数的影响，包括 (2)结晶器表面的最大速度受到多种参数的影

增刊 1 杨静波等: 板坯连铸结晶器内钢液流动的数值模拟 图 3 方案 1 中结晶器内钢液速度分布 . ( a) 结晶器表面速度; ( b) 结晶器宽面中心面速度; ( c) 速度云图及流线图 Fig． 3 Velocity distribution of scheme 1: ( a) flow velocity at mould surface; ( b) flow velocity at central plane of mould wide-side; ( c) contour of velocity and streamline 图 4 方案 1 中距离结晶器窄面 2 mm 处垂直速度分布 Fig． 4 Vertical velocity distribution at 2 mm away from mould narrow￾edge in scheme 1 通过以上分析可知，随着结晶器宽度的增加， 结晶器表面的速度分布越来越不均匀，方案 1 中 宽度为 1650 mm 时结晶器表面速度分布最不均 匀． 而表面的最大速度受到多种参数的影响，包括 浸入式水口入口钢液的速度、水口角度和水口浸 入深度，其中入口钢液的速度影响最显著，其次是 水口角度; 浸入式水口入口钢液的速度越大，结晶 器表面最大速度越大; 水口角度越向上倾斜，表面 最大流速越大． 窄面冲击点位置主要与浸入深度 和水口角度有关，浸入深度越深窄面冲击点的位 置越低，向下的水口角度越小，窄面冲击点的位置 越低． 4 结论 采用数值模拟计算了宽面宽度为 1100 ～ 1650 mm，窄面宽度为 220 mm 的连铸结晶器内的钢液流 动行为，得到如下结论: ( 1) 结晶器的宽度对结晶器表面速度分布影响 显著，随着结晶器宽度的增加，结晶器表面的速度分 布越来越不均匀． ( 2) 结晶器表面的最大速度受到多种参数的影 ·101·

·102 北京科技大学学报 第36卷 02 0.2ms 00.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20 0. 0.2 0.4 0.6 x/m (a) 0.6 0.5ms 0.8 速度m8) 12 -1.6 0.2 0.4 0.6 x/m 02 0.4 0.6 0.8 x/m (c) 图5方案2中结品器内钢液速度分布.(a)结品器表面速度：(b)结品器宽面中心面速度：（©）速度云图及流线图 Fig.5 Velocity distribution of scheme 2:(a)flow velocity at the mould surface:(b)flow velocity at central plane of mould wide-side:(c)contour of velocity and streamline 响，包括浸入式水口入口钢液的速度、水口角度和水 0.2 口浸入深度等，其中浸入式水口的入口速度影响最 显著，其次是水口角度，入口钢液速度越大，结晶器 表面最大速度越大，水口角度越向上倾斜，表面最大 0.6 流速越大. 0.8 (3)本研究三个方案中，方案3优于其他两个 1.0 方案，具体参数为：断面1100mm、浸入深度120mm、 1.2 -0.04 0 0.04 底部结构为山形、水口出口角度向下30°、流量11.6 垂直速度m:、) m3.h-1,入口速度0.8384ms-1. 图6方案2中距离结品器窄面2mm处垂直速度分布 Fig.6 Vertical velocity distribution at 2mm away from mould narrow edge in scheme 2

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 5 方案 2 中结晶器内钢液速度分布． ( a) 结晶器表面速度; ( b) 结晶器宽面中心面速度; ( c) 速度云图及流线图 Fig． 5 Velocity distribution of scheme 2: ( a) flow velocity at the mould surface; ( b) flow velocity at central plane of mould wide-side; ( c) contour of velocity and streamline 图 6 方案 2 中距离结晶器窄面 2 mm 处垂直速度分布 Fig． 6 Vertical velocity distribution at 2 mm away from mould narrow￾edge in scheme 2 响，包括浸入式水口入口钢液的速度、水口角度和水 口浸入深度等，其中浸入式水口的入口速度影响最 显著，其次是水口角度，入口钢液速度越大，结晶器 表面最大速度越大，水口角度越向上倾斜，表面最大 流速越大． ( 3) 本研究三个方案中，方案 3 优于其他两个 方案，具体参数为: 断面 1100 mm、浸入深度 120 mm、 底部结构为山形、水口出口角度向下 30°、流量 11. 6 m3 ·h － 1 ，入口速度 0. 8384 m·s － 1 ． ·102·

增刊1 杨静波等：板坯连铸结晶器内钢液流动的数值模拟 ·103· 0.5ms 00.020.040.060.080.100.120.140.160.18020 0.1 0.1 03 0.4 x/m (a) 0.8 0.8 0.5m 1.0 =0 速度m,s 速度ms 2 日-12 1.0 号-1.2 1。。, 09 =14 -1 05 0.2 0.1 -.6 -1.6 0.5 0.5 x/m x/m (b) e 图7方案3结晶品器内钢液速度分布.()结品器表面速度：(b)结晶器宽面中心面速度：(c)速度云图及流线图 Fig.7 Velocity distribution of scheme3:(a)flow velocity at the mould surface:(b)flow velocity at central plane of mould wide-side:(e)contour of velocity and streamline (雷洪，朱苗勇，王文忠，等.水口吹氩对结品器弯月面波动的 影响.中国有色金属学报，1998,8(2)：468) 02 2]Ma F J.Wen G H,Li G.Numerical simulation of on fluid flow in mould for slab continuous casting.Acta Metall Sin,2000,36(4):399 04 (马范军，文光华，李刚.板坯连铸结品器内钢液流动数值模 拟.金属学报，2000,36(4)：399) 08 B] Zhang J M.Simulation Study on Transfer Process in Casting Mould [Dissertation].Shenyang:Northeastern University,1996 1.0 (张炯明.连铸结品器传输过程的模拟研究[学位论文].沈 12 阳：东北大学，1996) .2 -0.1 0 0.1 垂直速度m,少 4]Lei F,He J C.Li B K.Numerical analysis of fluid flow inside a 图8方案3中距离结品器窄面2mm处垂直速度分布 mold of continuous slab-casting machine.J Northeastern Unir, Fig.8 Vertical velocity distribution at 2 mm away from mould narrow- 1995,16(4):409 edge in scheme 3 (雷方，赫冀成，李宝宽.板坯连铸机结品器内钢液流动的数 值分析.东北大学学报（自然科学版），1995,16(4)：409) 参考文献 [5]Zhu M Y,Liu J Q,Xiao Z Q.Simulation of molten steel flow in [Lei H,Zhu M Y,Wang W Z,et al.The influence of argon blo- slab continuous casting mould.Iron Steel,1996,31(8):23 wing at nozzle to mould meniscus fluctuation.Chin J Nonferrous (朱苗勇，刘家奇，肖泽强。板坯连铸结品器内钢液流动过程 Mt,1998,8(s):468 的模拟仿真.钢铁，1996,31(8)：23)

增刊 1 杨静波等: 板坯连铸结晶器内钢液流动的数值模拟 图 7 方案 3 结晶器内钢液速度分布． ( a) 结晶器表面速度; ( b) 结晶器宽面中心面速度; ( c) 速度云图及流线图 Fig． 7 Velocity distribution of scheme 3: ( a) flow velocity at the mould surface; ( b) flow velocity at central plane of mould wide-side; ( c) contour of velocity and streamline 图 8 方案 3 中距离结晶器窄面 2 mm 处垂直速度分布 Fig． 8 Vertical velocity distribution at 2 mm away from mould narrow￾edge in scheme 3 参 考 文 献 ［1］ Lei H，Zhu M Y，Wang W Z，et al． The influence of argon blo￾wing at nozzle to mould meniscus fluctuation． Chin J Nonferrous Met，1998，8( s) : 468 ( 雷洪，朱苗勇，王文忠，等． 水口吹氩对结晶器弯月面波动的 影响． 中国有色金属学报，1998，8( 2) : 468) ［2］ Ma F J，Wen G H，Li G． Numerical simulation of on fluid flow in mould for slab continuous casting． Acta Metall Sin，2000，36( 4) : 399 ( 马范军，文光华，李刚． 板坯连铸结晶器内钢液流动数值模 拟． 金属学报，2000，36( 4) : 399) ［3］ Zhang J M． Simulation Study on Transfer Process in Casting Mould ［Dissertation］． Shenyang: Northeastern University，1996 ( 张炯明． 连铸结晶器传输过程的模拟研究［学位论文］． 沈 阳: 东北大学，1996) ［4］ Lei F，He J C，Li B K． Numerical analysis of fluid flow inside a mold of continuous slab-casting machine． J Northeastern Univ， 1995，16( 4) : 409 ( 雷方，赫冀成，李宝宽． 板坯连铸机结晶器内钢液流动的数 值分析． 东北大学学报( 自然科学版) ，1995，16( 4) : 409) ［5］ Zhu M Y，Liu J Q，Xiao Z Q． Simulation of molten steel flow in slab continuous casting mould． Iron Steel，1996，31( 8) : 23 ( 朱苗勇，刘家奇，肖泽强． 板坯连铸结晶器内钢液流动过程 的模拟仿真． 钢铁，1996，31( 8) : 23) ·103·