异型坯连铸结晶器内流场.pdf_大学文库

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