李少翔等：连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响 ·203· 钢液热物性参数及连铸工艺参数见表2. A糊状区系数较小时，过热的钢液从浸入式水口注 表2钢液热物性参数及模拟参数列表 入到结晶器后，在结晶器上部区域快速冷却，钢液过 Table 2 Thermophysical properties and simulation conditions in this 热在水口附近完全耗散，糊状区范围很大，几乎没有 study 纯液相.对于方案B,糊状区系数为1×10kg·m-3. 参数名称 数值 s时，糊状区范围减小，但仍然可观察到明显的糊 结品器工作长度/mm 645 状区.从方案C、D、E看出，当糊状区系数增加到 铸坯断面/mm2 250×280 1×10'kgm3s1后，糊状区范围变得很窄，呈“带 拉速/(m'min-!) 1.05 状”分布在固相与液相之间，凝固前沿清晰可见，结 水口插入深度/mm 100 晶器内大部分为纯液相.图3给出了方案A与B的 水口内径/mm 40 液相等温线和固相等温线，以及方案C、D和E液相 水口外径/mm 90 分率的局部放大图.可以看出，随着糊状区系数的 钢液比热容/(Jkg1·K1) 680 增加，结晶器区域的糊状区范围明显缩小.当糊状 钢液导热系数/(Wm1K) 29 区系数大于1×10'kgm-3s-时，糊状区仅呈“带 钢液黏度/(kg·m·s1) 0.006 状”分布于固液相之间.此外，随着糊状区系数的增 钢液密度/(kg·m3) 7020 加，“带状”糊状区的范围进一步变窄，但差异越来 固相线温度/K 1718 越小 液相线温度/K 1766 为了定量分析糊状区系数对糊状区范围的影 凝固潜热/（小kg) 270000 响，图4给出了采用不同的糊状区系数时，结晶器出 热膨胀系数/K1 1×10-4 口处(Z=0.645m)铸坯横截面上的液相分率分布 过热度/K 30 云图.其中，液相分率为0.3处视为凝固前沿，图中 可见，当糊状区系数为1×105kg·m-3·s-1时，糊状 区范围很大，宽度约为48mm.当糊状区系数为1× 3计算结果与讨论 10kg·m3s时，糊状区范围减小，但仍有一定的 图2为采用不同的糊状区系数时，结晶器宽面 宽度，约为16.5mm.当糊状区系数增加到1×107 中心对称面(X=0m)上的液相分率分布情况，为显 kg·m3·s'后，糊状区宽度变得很窄且变化不再明 示清晰，沿拉坯方向取1.2m.图中可见，对于方案 显，但随着糊状区系数的增加，糊状区的宽度仍有变 0 0- 0 0- 液相分率 01 0.1- 0.1 0.1 01 ■0.95 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.90 0.85 0.3- 0.3 0.3 0.3 0.80 0.4 0.4- 04 075 0.70 0.65 0.5- 05 0.5 05 0.60 号0.6 50.61 06 0.6- 0.55 0.50 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.45 0.40 0.8 0.8- 0.8 0.8 0.35 0.30 0.9 0.9 0.9 0.9 838 1.0 1.0 1.0- 1.0 1.0 1.1 1.1 1.1 1.1 0.05 01 00.1 0.1 0.1 0. 0.1 00.1 0.1 0.1 Y/m m Y/m Y/m Y/m (a) (b) d 图2不同糊状区系数下结品器宽面中心对称面上的液相分率分布.(a)1×103kgm3s1:(b)1×10kgm3s1:(c)1×102kg m3sl:(d)1×103kgm3s1:(e)5×103kgm3s1 Fig.2 Distributions of liquid fraction on central symmetry plane of strand under different cases:(a)1x105 kg-m3.s;(b)Ix106 kgm3. s-1;(c)1x107 kg.m-3.s-1;(d)1x108 kg.m-3.s-1;(e)5x108 kg.m-3.s-1李少翔等: 连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响 钢液热物性参数及连铸工艺参数见表 2. 表 2 钢液热物性参数及模拟参数列表 Table 2 Thermophysical properties and simulation conditions in this study 参数名称 数值 结晶器工作长度/ mm 645 铸坯断面/ mm 2 250 伊 280 拉速/ (m·min - 1 ) 1郾 05 水口插入深度/ mm 100 水口内径/ mm 40 水口外径/ mm 90 钢液比热容/ (J·kg - 1·K - 1 ) 680 钢液导热系数/ (W·m - 1·K - 1 ) 29 钢液黏度/ (kg·m - 1·s - 1 ) 0郾 006 钢液密度/ (kg·m - 3 ) 7020 固相线温度/ K 1718 液相线温度/ K 1766 凝固潜热/ (J·kg - 1 ) 270000 热膨胀系数/ K - 1 1 伊 10 - 4 过热度/ K 30 图 2 不同糊状区系数下结晶器宽面中心对称面上的液相分率分布 郾 (a) 1 伊 10 5 kg·m - 3·s - 1 ; (b) 1 伊 10 6 kg·m - 3·s - 1 ; ( c) 1 伊 10 7 kg· m - 3·s - 1 ; (d) 1 伊 10 8 kg·m - 3·s - 1 ; (e) 5 伊 10 8 kg·m - 3·s - 1 Fig. 2 Distributions of liquid fraction on central symmetry plane of strand under different cases: (a) 1 伊 10 5 kg·m - 3·s - 1 ; (b) 1 伊 10 6 kg·m - 3· s - 1 ; (c) 1 伊 10 7 kg·m - 3·s - 1 ; (d) 1 伊 10 8 kg·m - 3·s - 1 ; (e) 5 伊 10 8 kg·m - 3·s - 1 3 计算结果与讨论 图 2 为采用不同的糊状区系数时,结晶器宽面 中心对称面(X = 0 m)上的液相分率分布情况,为显 示清晰,沿拉坯方向取 1郾 2 m. 图中可见,对于方案 A 糊状区系数较小时,过热的钢液从浸入式水口注 入到结晶器后,在结晶器上部区域快速冷却,钢液过 热在水口附近完全耗散,糊状区范围很大,几乎没有 纯液相. 对于方案 B,糊状区系数为1 伊 10 6 kg·m - 3· s - 1时,糊状区范围减小,但仍然可观察到明显的糊 状区. 从方案 C、D、E 看出,当糊状区系数增加到 1 伊 10 7 kg·m - 3·s - 1后,糊状区范围变得很窄,呈“带 状冶分布在固相与液相之间,凝固前沿清晰可见,结 晶器内大部分为纯液相. 图 3 给出了方案 A 与 B 的 液相等温线和固相等温线,以及方案 C、D 和 E 液相 分率的局部放大图. 可以看出,随着糊状区系数的 增加,结晶器区域的糊状区范围明显缩小. 当糊状 区系数大于 1 伊 10 7 kg·m - 3·s - 1时,糊状区仅呈“带 状冶分布于固液相之间. 此外,随着糊状区系数的增 加,“带状冶糊状区的范围进一步变窄,但差异越来 越小. 为了定量分析糊状区系数对糊状区范围的影 响,图 4 给出了采用不同的糊状区系数时,结晶器出 口处(Z = 0郾 645 m)铸坯横截面上的液相分率分布 云图. 其中,液相分率为 0郾 3 处视为凝固前沿,图中 可见,当糊状区系数为 1 伊 10 5 kg·m - 3·s - 1时,糊状 区范围很大,宽度约为 48 mm. 当糊状区系数为 1 伊 10 6 kg·m - 3·s - 1时,糊状区范围减小,但仍有一定的 宽度,约为 16郾 5 mm. 当糊状区系数增加到 1 伊 10 7 kg·m - 3·s - 1后,糊状区宽度变得很窄且变化不再明 显,但随着糊状区系数的增加,糊状区的宽度仍有变 ·203·