D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.09.038 第29卷第9期 北京科技大学学报 Vol.29 No.9 2007年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep·2007 旋转流水口对结晶器钢水温度场影响的数值模拟 卢金雄张晨)胡会军)陈艳艳) 张炯明) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)宝山钢铁股份有限公司，上海201900 摘要采用数值模拟的方法研究了不同旋转流水口工艺条件对结晶器内温度场的影响·结果表明：结晶器旋流水口会稍微 增加水口两侧高温区的不对称性，但能提高弯月面处钢水的温度，使弯月面处钢水温度更均匀一传统水口从水口到弯月面 处温降约为15℃左右，而旋流水口仅为10℃。增加拉速或降低旋流片高度，会增加钢水弯月面处的温度；旋流片角度为120° 或旋流片距水口底部390mm时，钢水弯月面处温度最高 关键词结晶器：旋转流水口：温度场：数值模拟 分类号TF777.2 在钢水连铸过程中，钢水从中间包浸入式水口 内钢水温度分布的影响，从而优化出合理的水口工 的两个出口流出时会产生周期性的波动或脉动现 艺参数，为改善铸坯质量提供依据 象·这会导致结晶器内的钢水面产生波动，使气泡 被捕获、保护渣卷入钢中，导致板坯产生针孔等质量 1数值计算方法 缺陷3].其中保护渣的卷入和卷入后保护渣的再 采用商业软件CFX5.7对装有旋流水口的结晶 次上浮过程与结晶器内钢水的流动状态有很直接的 器内钢水流场及温度场进行计算，选择不同旋流片 关系，主要与从结晶器水口出口的射流过大，造成钢 角度、不同旋流片高度、不同拉速、不同宽度，来计算 水向上回流过强有关，因此，研究者设想如果出口 结晶器浸入式水口和结晶器内钢水的温度场，具体 射流的分量由以前的两个方向变为三个方向，将可 工艺条件如表1所示， 能减少卷渣的几率.基于此设想提出了旋流水口的 表1计算用水口的工艺条件 概念，旋流水口是在普通的浸入式水口内部安装了 Table 1 Technical parameters of submerged nozzles 特殊设计的螺旋形状的叶片，使钢水发生旋流，产生 序旋转角旋流片高结晶器宽拉速/旋流片底距水 离心力，这使水口两侧出口的钢水均匀分布，和传 号度/()度/mm度/mm(mmin-l)口底部距离/mm 统的水口相比，旋流水口的最大出口速度可减小 0 一 1400 1.4 390 50%.旋流水口比传统浸入式水口需要增加的成本 1 120 80 1400 1.4 390 很少，却能提高连铸机的生产率和质量，这种水口 2 120 100 1400 1.4 390 的原始设想是日本技术研究院和大阪大学合作研究 3 120 120 1400 1.4 390 的成果]，研究开发成功后己在住友金属和歌山 4 120 150 1400 1.4 390 厂投入使用.使用后，拉速提高了30%，而成品钢卷 5 90 100 1400 1.4 390 的缺陷比例明显减少，为使用传统水口时的1/4. 6 150 1400 390 宝钢在生产高级冷轧板产品时，由于结晶器钢 180 00 1400 1.4 390 水卷渣造成冷轧板表面也存在起皮缺陷，因此有必 8 120 100 1600 1.2 390 要开展相关技术研究·由于采用结晶器旋流水口 9 120 100 900 1.6 390 后，无法测定结晶器内部钢水的流动状态，很难定量 10 120 100 1100 1.5 390 描述结晶器内钢水各位置的温度，因此，本文采用 11 120 100 1900 1.0 390 数值模拟的方法，对结晶器内钢水的温度分布进行 12 120 80 1400 1.4 440 定量计算，分析旋流水口的不同工艺参数对结晶器 13 120 80 1400 1.4 340 收稿日期：2006-04-20修回日期：2006-09-13 作者简介：卢金雄(1960一)，男，高级工程师，博士研究生：张炯明 由于结晶器内实际液体流动是十分复杂的，因 (1964一)，男，教授，博士 此需要进行系统假设：
旋转流水口对结晶器钢水温度场影响的数值模拟 卢金雄1） 张 晨2） 胡会军2） 陈艳艳1） 张炯明1） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 宝山钢铁股份有限公司上海201900 摘 要 采用数值模拟的方法研究了不同旋转流水口工艺条件对结晶器内温度场的影响．结果表明：结晶器旋流水口会稍微 增加水口两侧高温区的不对称性但能提高弯月面处钢水的温度使弯月面处钢水温度更均匀———传统水口从水口到弯月面 处温降约为15℃左右而旋流水口仅为10℃．增加拉速或降低旋流片高度会增加钢水弯月面处的温度；旋流片角度为120° 或旋流片距水口底部390mm 时钢水弯月面处温度最高． 关键词 结晶器；旋转流水口；温度场；数值模拟 分类号 TF777∙2 收稿日期：2006-04-20 修回日期：2006-09-13 作者简介：卢金雄（1960—）男高级工程师博士研究生；张炯明 （1964—）男教授博士 在钢水连铸过程中钢水从中间包浸入式水口 的两个出口流出时会产生周期性的波动或脉动现 象．这会导致结晶器内的钢水面产生波动使气泡 被捕获、保护渣卷入钢中导致板坯产生针孔等质量 缺陷［1—3］．其中保护渣的卷入和卷入后保护渣的再 次上浮过程与结晶器内钢水的流动状态有很直接的 关系主要与从结晶器水口出口的射流过大造成钢 水向上回流过强有关．因此研究者设想如果出口 射流的分量由以前的两个方向变为三个方向将可 能减少卷渣的几率．基于此设想提出了旋流水口的 概念．旋流水口是在普通的浸入式水口内部安装了 特殊设计的螺旋形状的叶片使钢水发生旋流产生 离心力这使水口两侧出口的钢水均匀分布．和传 统的水口相比旋流水口的最大出口速度可减小 50％．旋流水口比传统浸入式水口需要增加的成本 很少却能提高连铸机的生产率和质量．这种水口 的原始设想是日本技术研究院和大阪大学合作研究 的成果［4—8］研究开发成功后已在住友金属和歌山 厂投入使用．使用后拉速提高了30％而成品钢卷 的缺陷比例明显减少为使用传统水口时的1／4． 宝钢在生产高级冷轧板产品时由于结晶器钢 水卷渣造成冷轧板表面也存在起皮缺陷因此有必 要开展相关技术研究．由于采用结晶器旋流水口 后无法测定结晶器内部钢水的流动状态很难定量 描述结晶器内钢水各位置的温度．因此本文采用 数值模拟的方法对结晶器内钢水的温度分布进行 定量计算分析旋流水口的不同工艺参数对结晶器 内钢水温度分布的影响从而优化出合理的水口工 艺参数为改善铸坯质量提供依据． 1 数值计算方法 采用商业软件 CFX5∙7对装有旋流水口的结晶 器内钢水流场及温度场进行计算．选择不同旋流片 角度、不同旋流片高度、不同拉速、不同宽度来计算 结晶器浸入式水口和结晶器内钢水的温度场具体 工艺条件如表1所示． 表1 计算用水口的工艺条件 Table1 Technical parameters of submerged nozzles 序 号 旋转角 度／（°） 旋流片高 度／mm 结晶器宽 度／mm 拉速／ （m·min —1） 旋流片底距水 口底部距离／mm 0 — — 1400 1∙4 390 1 120 80 1400 1∙4 390 2 120 100 1400 1∙4 390 3 120 120 1400 1∙4 390 4 120 150 1400 1∙4 390 5 90 100 1400 1∙4 390 6 150 100 1400 1∙4 390 7 180 100 1400 1∙4 390 8 120 100 1600 1∙2 390 9 120 100 900 1∙6 390 10 120 100 1100 1∙5 390 11 120 100 1900 1∙0 390 12 120 80 1400 1∙4 440 13 120 80 1400 1∙4 340 由于结晶器内实际液体流动是十分复杂的因 此需要进行系统假设： 第29卷 第9期 2007年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．9 Sep．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．09．038
.938 北京科技大学学报 第29卷 (1)把整个结晶器内的流体按均相介质处理， 研究旋流水口以及其各种工艺参数对上保护渣熔化 利用均相两相流模型进行计算，但气液两相区及周 的影响，因此取结晶器一侧上表面的六条线，如图2 围的循环区域均有不同的密度； 所示.线1紧挨水口外侧，其他线依次相隔100mm. (2)不计气液两相间的相间阻力： 温度K (3)不计结晶器弯月面的表面波动，忽略重力 (Contour)a传统水口 (b)旋转流水口 1.803×10P 的影响； 1,797×10 (4)流体的流动是由纯液相的初始速度和气液 1.791×10 1.785×103 两相的密度差来驱动； 1779×109 1.774×10° (5)忽略结晶器内凝固壳的存在 1.768×10° 采用流动与传热耦合方法对结晶器及旋流水口 1.762×103 1.756×103 内钢水的温度场进行计算，其流动与传热的方程如 1750×10 下： a 0 司0x +s (1) aT十Pav ay 工十Pn0az T 图1传统水口(a)与旋转流水口(b)温度场分布 Fig.1 Temperature fields of a traditional nozle (a)and a swirling nozzle (b) (2) zx 0n=p[1-B(T-Tf)] (3) 1线5 其中，中代表三个方向速度、湍动能、湍动能耗散；T 线1线2线3线 线6 代表结晶器及旋流水口内钢水的温度，℃；入代表结 晶器及旋流水口内钢水的导热系数，Jm1.℃-一1；p 为钢液的密度，kgm3;u、v和w分别为x、y和z 方向的速度，ms;下标ij分别表示气相和液相： 代表有效黏性系数，kgs1m1;S表示动量源 图2结晶器上表面六条线的定位 项，Nm-3;p代表压强，Pa,相应的边界条件见参 Fig.2 Location of 6 lines on the surface of the mold 考文献[610] 以线3为例（其他位置情况雷同），传统水口与 2计算结果及讨论 旋流水口对结晶器钢水弯月面温度分布的影响如 2.1传统水口与旋转流水口对温度场影响比较 图3所示，由图可见，旋流片能够提高钢水在弯月 图1(a)为使用传统浸入式水口（表1中No.0) 面处的温度，一般比传统水口钢水弯月面温度高 时，结晶器温度场的分布情况，从图中可以看到，水 5~6℃.传统水口钢水由水口入口到弯月面温降约 口内部的温度变化不大：结晶器上部温度较高，尤其 为14~15℃，而旋流水口温降约为10℃左右.旋流 是水口出口处的温度最高；在结晶器下部，温度逐渐 水口使得结晶器上表面的温度更加均匀一致，避免 降低，由于回流的作用，结晶器下中部温度最低；温 1795 旋流水口 1794 度场基本是对称的，结晶器内钢水温度相差最大为 1793 30℃左右.图1(b)是装有旋转流水口(No.1)的结 兰1792 晶器内部温度场的分布情况.与传统水口相比，旋 1791 则 流水口使得结晶器上部区域的温度更高，温度扩散 1790 普通水口 1789 更好，在水口出口附近处显得略微不对称，但不对称 1788 程度很低，在结晶器的下部和结晶器弯月面处基本 -0.10-0.0500.050.100.15 还是对称的 距离m 结晶器内钢水弯月面的温度分布对保护渣熔 化，特别是对熔渣层厚度有一定影响，由于结晶器 图3结晶器表面线3处的温度分布 内部温度场可以近似看作是对称的，为了更清楚地 Fig.3 Temperature distribution at Line 3 of the mold
（1） 把整个结晶器内的流体按均相介质处理 利用均相两相流模型进行计算但气液两相区及周 围的循环区域均有不同的密度； （2） 不计气—液两相间的相间阻力； （3） 不计结晶器弯月面的表面波动忽略重力 的影响； （4） 流体的流动是由纯液相的初始速度和气液 两相的密度差来驱动； （5） 忽略结晶器内凝固壳的存在． 采用流动与传热耦合方法对结晶器及旋流水口 内钢水的温度场进行计算．其流动与传热的方程如 下： ρ ∂（ ui●j） ∂xj ＝— ∂p ∂xi ＋ ∂ ∂xj μe ∂●i ∂xj ＋S （1） ρn u ∂T ∂x ＋ρn v ∂T ∂y ＋ρn w ∂T ∂z ＝ ∂ ∂x λ ∂T ∂x ＋ ∂ ∂y λ ∂T y ＋ ∂ z x λ ∂T ∂z （2） ρn＝ρ［1—β（ T— Tref）］ （3） 其中●代表三个方向速度、湍动能、湍动能耗散；T 代表结晶器及旋流水口内钢水的温度℃；λ代表结 晶器及旋流水口内钢水的导热系数J·m —1·℃—1 ；ρ 为钢液的密度kg·m —3 ；u、v 和 w 分别为 x、y 和 z 方向的速度m·s —1 ；下标 i、j 分别表示气相和液相； μe 代表有效黏性系数kg·s —1·m —1 ；S 表示动量源 项N·m —3 ；p 代表压强Pa．相应的边界条件见参 考文献［6—10］． 2 计算结果及讨论 2∙1 传统水口与旋转流水口对温度场影响比较 图1（a）为使用传统浸入式水口（表1中 No．0） 时结晶器温度场的分布情况．从图中可以看到水 口内部的温度变化不大；结晶器上部温度较高尤其 是水口出口处的温度最高；在结晶器下部温度逐渐 降低由于回流的作用结晶器下中部温度最低；温 度场基本是对称的结晶器内钢水温度相差最大为 30℃左右．图1（b）是装有旋转流水口（No．1）的结 晶器内部温度场的分布情况．与传统水口相比旋 流水口使得结晶器上部区域的温度更高温度扩散 更好在水口出口附近处显得略微不对称但不对称 程度很低在结晶器的下部和结晶器弯月面处基本 还是对称的． 结晶器内钢水弯月面的温度分布对保护渣熔 化特别是对熔渣层厚度有一定影响．由于结晶器 内部温度场可以近似看作是对称的为了更清楚地 研究旋流水口以及其各种工艺参数对上保护渣熔化 的影响因此取结晶器一侧上表面的六条线如图2 所示．线1紧挨水口外侧其他线依次相隔100mm． 图1 传统水口（a）与旋转流水口（b）温度场分布 Fig．1 Temperature fields of a traditional nozzle （a） and a swirling nozzle （b） 图2 结晶器上表面六条线的定位 Fig．2 Location of6lines on the surface of the mold 以线3为例（其他位置情况雷同）传统水口与 旋流水口对结晶器钢水弯月面温度分布的影响如 图3 结晶器表面线3处的温度分布 Fig．3 Temperature distribution at Line3of the mold 图3所示．由图可见旋流片能够提高钢水在弯月 面处的温度一般比传统水口钢水弯月面温度高 5～6℃．传统水口钢水由水口入口到弯月面温降约 为14～15℃而旋流水口温降约为10℃左右．旋流 水口使得结晶器上表面的温度更加均匀一致避免 ·938· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第9期 卢金雄等：旋转流水口对结晶器钢水温度场影响的数值模拟 .939 了宽面附近温度较低；而没有装旋流片的结晶器上 场几乎是对称的：而旋流片角度为90°，150°，180° 表面温度变化较大，因此，旋流水口对结晶器保护 时，两个水口出口温度处（高温区）分布的对称程度 渣的熔化，对保证一定量的熔渣层厚度，防止结晶器 有所降低，并且高温区只局限在水口出口处 钢水卷入保护渣有一定的作用. 以结晶器上表面线2为例，图5是旋流片旋转 2,2拉速对结晶器温度场的影响 角度对温度分布的影响，从图中可以看到，旋流片 由于拉速通常与结晶器宽度有关，通常来说结 旋转120°时上表面温度最高，并且在结晶器厚度方 晶器宽度越大拉速越小，在保证旋流片高度和旋流 向上温度变化也相对要均匀些；而旋流片旋转90°， 片角度不变情况下，分析讨论结晶器宽度、拉速对结 150°，180°时，结晶器上表面温度依次降低，相差1℃ 晶器内钢水流动的影响，具体工艺参数见表1中 左右，因此，旋流片角度对结晶器内钢水弯月面的 No.2、No.8~11,结果表明，拉速小，结晶器宽度相 温度影响不大，总体上来说，旋流片角度在120°时， 对大，结晶器上部温度扩散缓慢，高温区只集中在水 结晶器内保护渣熔化效果要比其他的好些， 口出口处，而随着结晶器宽度减小，拉速相应地增 1792 120° 大，高温区充满了整个结晶器上部.拉速1.6 1791 mmin1、宽度900mm的结晶器中高温区几乎占满 90 兰1790 150° 了整个结晶器.仅从结晶器宽度和拉速相配合这一 180° 角度来说，既要防止宽断面的保护渣熔化不好、熔渣 装国9 层厚度不够，又要防止窄断面钢水弯月面处温度过 1788 高、熔渣层厚度过大所造成传热的不均匀， 图4为不同拉速下线1处所取得的温度数据， 1783.15-0.i100.0500.050.100.15 距离m 从图中可以看到，拉速越大（相应的结晶器宽度越 图5旋流片旋转角度对结晶器上表面线2温度分布的影响 小)，结晶器钢水弯月面的温度越高；无论拉速如何 Fig.5 Effect of blade swirling angle on the temperature distribu- 变化，装有旋流水口的结晶器钢水弯月面的温度在 tion at Line 2 of the mold 结晶器厚度方向变化都较均匀，并且随着拉速的增 加，结晶器弯月面温度依次降低2~4℃，拉速由1.0 2,4旋流片高度对结晶器温度场的影响 mmin增加到1.6mmin1,结晶器弯月面的温 旋流片高度依次为80,100,120,150mm,其他 度由1513℃变化到1523℃，增加了10℃左右，且 工艺条件不变，见表1中No1~No,4.由得到的结 温度基本上随拉速呈线性变化 晶器温度场分布情况可知，随着旋流片高度的增加， 1797 结晶器出口处铸坯厚度方向的速度分量减少，宽度 1795 1.6 m.min 和高度方向分量增加，造成结晶器上部的温度扩散 1.5 m.min-! 1793 得较好，高温区域越来越大，同时使结晶器上部的温 兰 1791 1.4 m.min 度场分布的对称性略有变差，各种旋流片造成结晶 则 1789 1.2 m-min-! 器上部温度区的温差可达到5~7℃左右 1787 1 m.min- 图6是高度对结晶器上表面线6的温度分布的 1795 178150.10-0.05 00.050.10 0.15 1794 80mm 距离m 1793 图4拉速对结晶器表面线1温度分布的影响 兰1792 Fig.4 Effect of casting speed on the temperature distribution at 型 1791 Line 1 of the mold 100mm 1790 120mm 1789 2.3旋流片旋转角度对结晶器温度场的影响 150 mm 研究了旋流片角度分别为90°，120°，150°，180° 11路5 -0.10-0.0500.050.100.15 距离m 而其他工艺参数相同（见表1中No.2、No.5~7) 时，旋流水口与结晶器内钢液的温度场分布情况， 图6旋流片高度对结晶器上表面线6温度分布的影响 结果显示，旋流片旋转120°时，结晶器上部的温度 Fig.6 Effect of blade height on the temperature distribution at 扩散较好，几乎整个上部区域都是高温区，并且温度 Line 6 of the mold
了宽面附近温度较低；而没有装旋流片的结晶器上 表面温度变化较大．因此旋流水口对结晶器保护 渣的熔化对保证一定量的熔渣层厚度防止结晶器 钢水卷入保护渣有一定的作用． 2∙2 拉速对结晶器温度场的影响 由于拉速通常与结晶器宽度有关通常来说结 晶器宽度越大拉速越小．在保证旋流片高度和旋流 片角度不变情况下分析讨论结晶器宽度、拉速对结 晶器内钢水流动的影响具体工艺参数见表1中 No．2、No．8～11．结果表明拉速小结晶器宽度相 对大结晶器上部温度扩散缓慢高温区只集中在水 口出口处．而随着结晶器宽度减小拉速相应地增 大高 温 区 充 满 了 整 个 结 晶 器 上 部．拉 速 1∙6 m·min —1、宽度900mm 的结晶器中高温区几乎占满 了整个结晶器．仅从结晶器宽度和拉速相配合这一 角度来说既要防止宽断面的保护渣熔化不好、熔渣 层厚度不够又要防止窄断面钢水弯月面处温度过 高、熔渣层厚度过大所造成传热的不均匀． 图4为不同拉速下线1处所取得的温度数据． 从图中可以看到拉速越大（相应的结晶器宽度越 小）结晶器钢水弯月面的温度越高；无论拉速如何 变化装有旋流水口的结晶器钢水弯月面的温度在 结晶器厚度方向变化都较均匀并且随着拉速的增 加结晶器弯月面温度依次降低2～4℃拉速由1∙0 m·min —1增加到1∙6m·min —1结晶器弯月面的温 度由1513℃变化到1523℃增加了10℃左右且 温度基本上随拉速呈线性变化． 图4 拉速对结晶器表面线1温度分布的影响 Fig．4 Effect of casting speed on the temperature distribution at Line1of the mold 2∙3 旋流片旋转角度对结晶器温度场的影响 研究了旋流片角度分别为90°120°150°180° 而其他工艺参数相同（见表1中 No．2、No．5～7） 时旋流水口与结晶器内钢液的温度场分布情况． 结果显示旋流片旋转120°时结晶器上部的温度 扩散较好几乎整个上部区域都是高温区并且温度 场几乎是对称的；而旋流片角度为90°150°180° 时两个水口出口温度处（高温区）分布的对称程度 有所降低并且高温区只局限在水口出口处． 以结晶器上表面线2为例图5是旋流片旋转 角度对温度分布的影响．从图中可以看到旋流片 旋转120°时上表面温度最高并且在结晶器厚度方 向上温度变化也相对要均匀些；而旋流片旋转90° 150°180°时结晶器上表面温度依次降低相差1℃ 左右．因此旋流片角度对结晶器内钢水弯月面的 温度影响不大总体上来说旋流片角度在120°时 结晶器内保护渣熔化效果要比其他的好些． 图5 旋流片旋转角度对结晶器上表面线2温度分布的影响 Fig．5 Effect of blade swirling angle on the temperature distribution at Line2of the mold 2∙4 旋流片高度对结晶器温度场的影响 旋流片高度依次为80100120150mm其他 工艺条件不变见表1中 No．1～No．4．由得到的结 晶器温度场分布情况可知随着旋流片高度的增加 结晶器出口处铸坯厚度方向的速度分量减少宽度 和高度方向分量增加造成结晶器上部的温度扩散 得较好高温区域越来越大同时使结晶器上部的温 度场分布的对称性略有变差各种旋流片造成结晶 器上部温度区的温差可达到5～7℃左右． 图6 旋流片高度对结晶器上表面线6温度分布的影响 Fig．6 Effect of blade height on the temperature distribution at Line6of the mold 图6是高度对结晶器上表面线6的温度分布的 第9期 卢金雄等： 旋转流水口对结晶器钢水温度场影响的数值模拟 ·939·
.940 北京科技大学学报 第29卷 影响，从结晶器水口出口的速度分布可知，随着旋 器浸入式水口内壁底部440mm时，结晶器钢水弯 流片高度的减小，结晶器出口处厚度方向速度增大， 月面温度居中，从钢水弯月面温度分布角度来看， 造成结晶器内钢水弯月面活跃，且均匀，相应的钢水 旋流片距结晶器浸入式水口内壁底部390mm较为 弯月面温度也有所增高，也就是说旋流片高度降低 合适，有利用结晶器内保护渣的熔化， 会使钢水弯月面温度增高，在旋流片高度为80mm 时，整个钢水弯月面平均温度在1521℃左右；而在 3结论 旋流片高度为100mm时，整个钢水弯月面平均温 (1)结晶器旋流水口会稍微增加水口两侧高温 度降到1518℃左右；旋流片高度为150mm时，钢 区的不对称性，但能提高弯月面处钢水的温度，使弯 水弯月面温度最低，为1516℃.换句话说，旋流片 月面处钢水温度更均匀，传统水口从水口到弯月面 高度由80mm增加到l50mm,钢水弯月面温度平均 处温降约为15℃左右，而旋流水口仅为10℃. 降低了约5℃. (2)增加拉速或降低旋流片高度，会增加钢水 2.5旋流片位置对结晶器温度场的影响 弯月面处的温度：旋流片角度为120°或旋流片距水 旋流片底部距结晶器浸入式水口内壁底部分别 口底部390mm时，钢水弯月面处温度最高， 为340mm(下移50mm),390mm(正常位置)， 440mm(上移50mm),其他工艺参数相同，具体见 参考文献 表1中No.1、No.12~13.旋流片在正常位置和下 [1]蔡开科，潘毓淳，赵家贵-连续铸钢500问.北京：冶金工业 移50mm时，结晶器内钢水的温度分布很相近，而 出版社，1994.145 [2]雷洪，朱苗勇.板坯连铸结晶器流场优化.炼钢，2000,16 在旋流片上移50mm时，结晶器水口右边的高温区 (3):29 域减小，表现为不对称，这一结果与相应的速度分布 [3]于会香，张炯明，王万军.板坯连铸浸入式水口出口速度对结 有关.在旋流片上移50mm时，水口出口厚度方向 晶器流场影响的数值模拟.北京科技大学学报，2002,24(5)： 的速度有明显的减小，从而造成旋流效果变差 492 图7是旋流片位置对结晶器上表面线5的温度 [4]Yokoya S,TakagiS.Iguchi M.Swirling flow effect in immersion nozzle on flow in slab continuous casting mold.ISIJ Int.2000. 分布的影响，由图可见，旋流片底部距水口内壁底 40(6):578 部390mm时，结晶器内钢水弯月面处温度最高，平 [5]Yokoya S.Takagi S.Iguchi M.Swirling flow control in immer- 均温度在1521℃左右；旋流片距结晶器浸入式水口 sion nozzle for continuous casting process.ISIJ Int,2001.41 内壁底部340mm时，结晶器内钢水弯月面处温度 (Suppl):S47 最低，平均温度在1515℃左右；旋流片底部距结晶 [6]Yokoya S.Takagi S.Tada K,et al.Swirling flow effect in bot- 1795 tomless immersion nozzle on bulk flow in high throughput slab 1794 正常位置 continuous casting mold.ISIJ Int,2001.41(10):1201 1793 [7]Yokoya S,Takagi S,Otani S,et al.Swirling flow effect in sub- 兰1792 merged entry nozzle on bulk flow in high throughput slab continu 到1791 1790叶 下移50mm ous casting mold.ISIJ Int.2001.41(10):1208 [8]Yokoya S,Takagi S.Control of heat and mass transport in con- 1789 上移50mm tinuous casting mold through swirling flow in immersion nozle 1788 中国钢铁年会论文集.北京：冶金工业出版社，2003：330 1787L 6.15-0.10-0.0500.050.100.15 [9]陶文铨.数值传热学.西安：西安交通大学出版社，1989,65 距离m [10]Launder B E.Spading D B.The numerical calculation of turbu- lent flows.Comput Method Appl Mech Eng.1974.15(3): 图7旋流片位置对结晶器上表面线5温度分布的影响 269 Fig.7 Effect of blade position on the temperature distribution at Line 5 of the mold Numerical simulation on the effect of swirling nozzles on the temperature field in a continuous casting mold LU Jinxiong,ZHANG Chen2,HU Huijun),CHEN Yanyan,ZHANG Jiongming 1)Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China
影响．从结晶器水口出口的速度分布可知随着旋 流片高度的减小结晶器出口处厚度方向速度增大 造成结晶器内钢水弯月面活跃且均匀相应的钢水 弯月面温度也有所增高也就是说旋流片高度降低 会使钢水弯月面温度增高．在旋流片高度为80mm 时整个钢水弯月面平均温度在1521℃左右；而在 旋流片高度为100mm 时整个钢水弯月面平均温 度降到1518℃左右；旋流片高度为150mm 时钢 水弯月面温度最低为1516℃．换句话说旋流片 高度由80mm 增加到150mm钢水弯月面温度平均 降低了约5℃． 2∙5 旋流片位置对结晶器温度场的影响 旋流片底部距结晶器浸入式水口内壁底部分别 为340mm （下移 50mm ）390mm （正常位置） 440mm（上移50mm）其他工艺参数相同具体见 表1中 No．1、No．12～13．旋流片在正常位置和下 移50mm 时结晶器内钢水的温度分布很相近而 在旋流片上移50mm 时结晶器水口右边的高温区 域减小表现为不对称这一结果与相应的速度分布 有关．在旋流片上移50mm 时水口出口厚度方向 的速度有明显的减小从而造成旋流效果变差． 图7是旋流片位置对结晶器上表面线5的温度 分布的影响．由图可见旋流片底部距水口内壁底 部390mm 时结晶器内钢水弯月面处温度最高平 均温度在1521℃左右；旋流片距结晶器浸入式水口 内壁底部340mm 时结晶器内钢水弯月面处温度 最低平均温度在1515℃左右；旋流片底部距结晶 图7 旋流片位置对结晶器上表面线5温度分布的影响 Fig．7 Effect of blade position on the temperature distribution at Line5of the mold 器浸入式水口内壁底部440mm 时结晶器钢水弯 月面温度居中．从钢水弯月面温度分布角度来看 旋流片距结晶器浸入式水口内壁底部390mm 较为 合适有利用结晶器内保护渣的熔化． 3 结论 （1） 结晶器旋流水口会稍微增加水口两侧高温 区的不对称性但能提高弯月面处钢水的温度使弯 月面处钢水温度更均匀传统水口从水口到弯月面 处温降约为15℃左右而旋流水口仅为10℃． （2） 增加拉速或降低旋流片高度会增加钢水 弯月面处的温度；旋流片角度为120°或旋流片距水 口底部390mm 时钢水弯月面处温度最高． 参 考 文 献 ［1］ 蔡开科潘毓淳赵家贵．连续铸钢500问．北京：冶金工业 出版社1994：145 ［2］ 雷洪朱苗勇．板坯连铸结晶器流场优化．炼钢200016 （3）：29 ［3］ 于会香张炯明王万军．板坯连铸浸入式水口出口速度对结 晶器流场影响的数值模拟．北京科技大学学报200224（5）： 492 ［4］ Yokoya STakagi SIguchi M．Swirling flow effect in immersion nozzle on flow in slab continuous casting mold．ISIJ Int2000 40（6）：578 ［5］ Yokoya STakagi SIguchi M．Swirling flow control in immersion nozzle for continuous casting process．ISIJ Int200141 （Suppl）：S47 ［6］ Yokoya STakagi STada Ket al．Swirling flow effect in bottomless immersion nozzle on bulk flow in high throughput slab continuous casting mold．ISIJ Int200141（10）：1201 ［7］ Yokoya STakagi SOtani Set al．Swirling flow effect in submerged entry nozzle on bulk flow in high throughput slab continuous casting mold．ISIJ Int200141（10）：1208 ［8］ Yokoya STakagi S．Control of heat and mass transport in continuous casting mold through swirling flow in immersion nozzle∥ 中国钢铁年会论文集．北京：冶金工业出版社2003：330 ［9］ 陶文铨．数值传热学．西安：西安交通大学出版社1989：65 ［10］ Launder B ESpading D B．The numerical calculation of turbulent flows．Comput Method Appl Mech Eng197415（3）： 269 Numerical simulation on the effect of swirling nozzles on the temperature field in a continuous casting mold LU Jinxiong 1）ZHA NG Chen 2）HU Huijun 2）CHEN Y anyan 1）ZHA NG Jiongming 1） 1） Metallurgical and Ecological Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ·940· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第9期 卢金雄等：旋转流水口对结晶器钢水温度场影响的数值模拟 .941. 2)Baoshan Iron Steel Co.Ltd.Shanghai.Shanghai 201900.China ABSTRACI The effect of swirling nozzles with different processing parameters on the flow field in a mold is studied using numerical simulation.The results show that the high temperature dissymmetry in the upper mold is increased a little by using a swirling nozzle,but the meniscus temperature and its uniformity are increased. The temperature difference between nozzle inner and meniscus is 15C for a traditional nozzle and 10C for a swirling nozzle.Increasing the casting speed or decreasing the blade height can increase the temperature at meniscus.When the swirling angle is 120or the distance between blade and nozzle bottom is 390mm,the tem- perature of molten steel is the highest at meniscus. KEY WORDS mold;swirling nozzle:temperature field;numerical simulation (上接第919页) Precise analysis method for cubic system material texture YIN Xiandong,YOU Qinglei),JIA NG Qiwu2),KANG Yonglin) 1)Materials Science and Engineering School.Beijing Science and Technology University,Beijing 100083.China 2)Angang Steel Co.Ltd.Cold-rolling Silicon Steel Mill.Anshan 114002.China ABSTRACI The two-step method of calculating ODF (orientation distribution function)from pole figure as the basic principle was used to precisely analyze cubic system material texture.The Euler space was divided by1 minimum unit.All of the divided spot's orientation density were calculated all over the orientation space.In ad- dition,the corresponding analysis system was established.By means of the analysis system the textures of cold- rolled and annealed IF steel specimens produced by Angang were calculated and were compared those with the sophisticated ODF calculation system by the Euler angle 5minimum unit.The results show that the analysis system by the Euler angle 1minimum unit can more exactly express the texture distribution than by the 5min- imum unit. KEY WORDS texture;cubic system:analysis of ODF;IF steel sheet
2） Baoshan Iron ＆ Steel Co．Ltd．ShanghaiShanghai201900China ABSTRACT The effect of swirling nozzles with different processing parameters on the flow field in a mold is studied using numerical simulation．The results show that the high-temperature dissymmetry in the upper mold is increased a little by using a swirling nozzlebut the meniscus temperature and its uniformity are increased． The temperature difference between nozzle inner and meniscus is15℃ for a traditional nozzle and 10℃ for a swirling nozzle．Increasing the casting speed or decreasing the blade height can increase the temperature at meniscus．When the swirling angle is120°or the distance between blade and nozzle bottom is390mmthe temperature of molten steel is the highest at meniscus． KEY WORDS mold；swirling nozzle；temperature field；numerical simulation （上接第919页） Precise analysis method for cubic system material texture Y IN Xiandong 1）Y OU Qinglei 2）JIA NG Qiw u 2）KA NG Yonglin 1） 1） Materials Science and Engineering SchoolBeijing Science and Technology UniversityBeijing100083China 2） Angang Steel Co．Ltd．Cold-rolling Silicon Steel MillAnshan114002China ABSTRACT The two-step method of calculating ODF （orientation distribution function） from pole figure as the basic principle was used to precisely analyze cubic system material texture．The Euler space was divided by1° minimum unit．All of the divided spot’s orientation density were calculated all over the orientation space．In additionthe corresponding analysis system was established．By means of the analysis system the textures of coldrolled and annealed IF steel specimens produced by Angang were calculated and were compared those with the sophisticated ODF calculation system by the Euler angle5°minimum unit．The results show that the analysis system by the Euler angle1°minimum unit can more exactly express the texture distribution than by the5°minimum unit． KEY WORDS texture；cubic system；analysis of ODF；IF steel sheet 第9期 卢金雄等： 旋转流水口对结晶器钢水温度场影响的数值模拟 ·941·