第12期 唐娜娜等：小方还连铸过程温度场和流场的实时模拟 ·1639· 表1X70钢的部分热物理性能 Table 1 Some thermophysical properties of X70 steel 温度/ 比热容/ 热导率/ 运动黏度/ 温度/ 比热容/ 热导率/ 运动黏度/ ℃ (Jkg-1.K-1) (W.m-1.K-1) (m2.s1) ℃ (小kg1k) (Wm1.K-1) (m2s1) 0 388.0 40.0 700 904.5 32.3 7.71×1011 50 410.7 41.5 750 904.5 30.6 7.72×101 100 434.8 43.0 800 904.5 25.4 7.70×101 200 487.3 42.0 860 904.5 26.0 7.72×1011 300 546.2 41.0 1450 1081.5 31.4 8.06×1011 400 612.1 40.0 1470 1067.5 40.0 1.60×10-5 500 686.1 39.0 1520 1067.5 200 8.03×10-7 600 768.9 35.5 2000 1067.5 200 3.27×10- 模拟过程中没有考虑结晶器与铸坯之间的空气 后将被切割，该切割面设为绝热边界条件.连铸全 层，铸坯与结晶器之间的换热、铸坯与冷却水之间的 过程铸造速度取为l.2m·min,壁面设为无滑移边 换热、铸坯与空气之间的换热选择来自某钢厂的经 界条件，随着钢液的凝固，速度边界条件从壁面的零 验值，该换热系数是距离弯液面距离的函数，部分换 速度逐渐转变为铸造速度，固液界面考虑了由于速 热系数经验值列于表2.二冷水温度取为定值 度不同而引起的界面摩擦，关于界面摩擦参见前面 100℃，对称轴处的热流设为零.铸坯在经过水平段 的数学模型部分的阐述 表2模拟所用部分换热系数 Table 2 Partial heat transfer coefficient used in this study 距弯液面 换热系数/ 距弯液面 换热系数/ 距弯液面 换热系数/ 距弯液面 换热系数/ 距离/m (Wm2·K1) 距离/m (Wm2·K-l) 距离/m (Wm2·K1) 距离/m (Wm2·Kl) 0.100 5800 1.171 7800 1.309 7800 1.466 6550 0.300 4800 1.172 700 1.310 700 1.467 700 0.400 3900 1.202 700 1.354 700 1.509 700 0.500 3100 1.203 60 1.355 60 1.510 60 1.100 2400 1.224 60 1.379 60 1.534 60 1.101 700 1.225 700 1.380 700 1.147 700 1.284 700 1.438 700 1.148 7800 1.285 7800 1.439 6550 2.2模拟结果与讨论 放使得温度下降缓慢，在降低到固相线以下的温 2.2.1温度场模拟 度后，温度下降较快 图2为连铸全过程中铸坯表面及心部两个监 铸坯坯壳的形成过程可由铸坯的固相分数分 控点1、2处温度随时间的变化曲线，两个监控点 布图表示.图3为铸坯垂直段不同时刻的固相分 的具体位置如图1计算模型所示.从图中可以看 数，最下端蓝色区域为引锭头.由图可以看出，随 出，结晶器内（曲线ab段）的冷却强度最大，表面 着拉锭的进行，铸坯表面逐渐形成凝壳，而且随着 温度在结晶器内下降最快，在结晶器出口（点b) 时间的增加，凝固壳厚度逐渐增大，但是铸坯在 处，由于冷却强度的降低出现了明显的温度回升.120s和150s时的固相分数分布几乎没有区别，这 之后，由于钢水凝固结晶潜热的释放量小于喷水表明垂直段铸坯的凝固行为在120s以后己经达 冷却的强度，温度又出现了下降.在二冷区（曲线 到了稳态.图4为120s和150s时铸坯垂直段不 bc段)结束后，冷却方式变为空冷，冷却强度低，所 同位置处的固相分数分布.坯壳的厚度也就是固 以温度又出现了回升.心部温度开始时由于处在 相分数等于1所对应的x方向的长度.由图可以 固相线以上的温度范围，钢水凝固结晶潜热的释 看出，坯壳厚度从y=0m到y=-2m是逐渐增大第 12 期 唐娜娜等: 小方坯连铸过程温度场和流场的实时模拟 表 1 X70 钢的部分热物理性能 Table 1 Some thermophysical properties of X70 steel 温度/ ℃ 比热容/ ( J·kg － 1·K － 1 ) 热导率/ ( W·m － 1·K － 1 ) 运动黏度/ ( m2 ·s － 1 ) 0 388. 0 40. 0 — 50 410. 7 41. 5 — 100 434. 8 43. 0 — 200 487. 3 42. 0 — 300 546. 2 41. 0 — 400 612. 1 40. 0 — 500 686. 1 39. 0 — 600 768. 9 35. 5 — 温度/ ℃ 比热容/ ( J·kg － 1·K － 1 ) 热导率/ ( W·m － 1·K － 1 ) 运动黏度/ ( m2 ·s － 1 ) 700 904. 5 32. 3 7. 71 × 1011 750 904. 5 30. 6 7. 72 × 1011 800 904. 5 25. 4 7. 70 × 1011 860 904. 5 26. 0 7. 72 × 1011 1450 1081. 5 31. 4 8. 06 × 1011 1470 1067. 5 40. 0 1. 60 × 10 － 5 1520 1067. 5 200 8. 03 × 10 － 7 2000 1067. 5 200 3. 27 × 10 － 7 模拟过程中没有考虑结晶器与铸坯之间的空气 层，铸坯与结晶器之间的换热、铸坯与冷却水之间的 换热、铸坯与空气之间的换热选择来自某钢厂的经 验值，该换热系数是距离弯液面距离的函数，部分换 热系数 经 验 值 列 于 表 2． 二冷水温度取为定值 100 ℃，对称轴处的热流设为零． 铸坯在经过水平段 后将被切割，该切割面设为绝热边界条件． 连铸全 过程铸造速度取为 1. 2 m·min － 1，壁面设为无滑移边 界条件，随着钢液的凝固，速度边界条件从壁面的零 速度逐渐转变为铸造速度，固液界面考虑了由于速 度不同而引起的界面摩擦，关于界面摩擦参见前面 的数学模型部分的阐述． 表 2 模拟所用部分换热系数 Table 2 Partial heat transfer coefficient used in this study 距弯液面 距离/m 换热系数/ ( W·m － 2·K － 1 ) 0. 100 5800 0. 300 4800 0. 400 3900 0. 500 3100 1. 100 2400 1. 101 700 1. 147 700 1. 148 7800 距弯液面 距离/m 换热系数/ ( W·m － 2·K － 1 ) 1. 171 7800 1. 172 700 1. 202 700 1. 203 60 1. 224 60 1. 225 700 1. 284 700 1. 285 7800 距弯液面 距离/m 换热系数/ ( W·m － 2·K － 1 ) 1. 309 7800 1. 310 700 1. 354 700 1. 355 60 1. 379 60 1. 380 700 1. 438 700 1. 439 6550 距弯液面 距离/m 换热系数/ ( W·m － 2·K － 1 ) 1. 466 6550 1. 467 700 1. 509 700 1. 510 60 1. 534 60 2. 2 模拟结果与讨论 2. 2. 1 温度场模拟 图 2 为连铸全过程中铸坯表面及心部两个监 控点 1、2 处温度随时间的变化曲线，两个监控点 的具体位置如图 1 计算模型所示． 从图中可以看 出，结晶器内( 曲线 ab 段) 的冷却强度最大，表面 温度在结晶器内下降最快，在结晶器出口( 点 b) 处，由于冷却强度的降低出现了明显的温度回升． 之后，由于钢水凝固结晶潜热的释放量小于喷水 冷却的强度，温度又出现了下降． 在二冷区( 曲线 bc 段) 结束后，冷却方式变为空冷，冷却强度低，所 以温度又出现了回升． 心部温度开始时由于处在 固相线以上的温度范围，钢水凝固结晶潜热的释 放使得温度下降缓慢，在降低到固相线以下的温 度后，温度下降较快． 铸坯坯壳的形成过程可由铸坯的固相分数分 布图表示． 图 3 为铸坯垂直段不同时刻的固相分 数，最下端蓝色区域为引锭头． 由图可以看出，随 着拉锭的进行，铸坯表面逐渐形成凝壳，而且随着 时间的 增 加，凝 固 壳 厚 度 逐 渐 增 大，但 是 铸 坯 在 120 s 和 150 s 时的固相分数分布几乎没有区别，这 表明垂直段铸坯的凝固行为在 120 s 以后已经达 到了稳态． 图 4 为 120 s 和 150 s 时铸坯垂直段不 同位置处的固相分数分布． 坯壳的厚度也就是固 相分数等于 1 所对应的 x 方向的长度． 由图可以 看出，坯壳厚度从y = 0 m到 y = － 2 m 是逐渐增大 · 9361 ·