·890 工程科学学报，第37卷，第7期 冷却水水质、水温、水压等条件直接相关.目前有关结 长及其对传热的影响： 晶器内的流动一传热模型的研究重点多集中于结晶器 (⑤)忽略结晶器弧度和锥度的影响，简化为直 内流场分布，包括浸入式水口结构和电磁搅拌对流场 板型. 的影响.这些模型的热边界条件一般多为热流边界， 基于上述假设，可认为铸坯在中心纵截面上具有 基本不考虑冷却水水温对传热的影响.很少有模型考 传热对称性，计算区域取过结晶器中轴线并垂直于侧 虑到结晶器冷却水的入口温度会对计算结果和产品质 弧面的1/2截面.由于边部离水口更近，该截面上流动 量产生何种差别.在实际的生产过程中，不少企业都 对传热和坯壳生长的影响比过中轴线的对角线界面上 反映结晶器冷却水的入口温度对产品质量（尤其是脱 的流动影响更显著，进而对铜管热面和冷面的温度的 方和角部裂纹等)和设备寿命”有明显的影响，并在 影响更大.因此选择该截面为计算区域，并建立如图1 对冷却水的入口温度作了规定后，铸坯的质量确有改 所示的几何模型 善P习，也有部分文献指出水温与裂纹等缺陷的关 3010 系四，但是没有从传热和受力的机理上进行解释 本文以杭州钢铁集团转炉炼钢厂4小方坯连铸 机结晶器为原型，结合该厂的一冷工艺条件，建立了同 时考虑到钢液流动和凝固、铜板导热以及冷却水的流 动和传热的耦合模型，系统研究结晶器冷却水的水温 和流量（流速）等参数对铜管温度、结晶器热流及坯壳 厚度和温度等参数的影响，阐明上述工艺参数影响铸 单位：m 一钢液人门 坯质量的原因 2一绝热周定表而 8503一浸入式水口 1结晶器参数和冷却工艺 4一钢液 5一坯壳和两相区 杭钢4机产品为断面150mm×150mm的小方坯. 6一铜管 该铸机的结晶器为弧形管式结晶器，长度1m,铜管厚 7一水缝 8一钢液出口 度0.010m,水缝宽度0.004m.浸入式水口的内径 9一冷却水入门 0.030m,外径0.080m,浸入深度50~100mm,浇钢时 10一冷郑水出口 液面离结晶器出口0.850m.冷却水入口温度293~ 9 313K,结晶器冷却水的回水管压力0.5~0.6MPa. 图1模型计算区域示意图 计算选用的钢种为40Cr,各工艺参数的取值见 Fig.1 Schematic diagram of the calculation field 表1. 2.2材料的物理参数 表1浇注工艺参数取值 水导热系数设置为303K下的固定值.铜管（按 Table 1 Casting parameters 纯铜计算)和40C钢的导热系数均为分段线性函数. 参数 取值 40Cr钢的各项物理参数使用商用软件Procast根据成 结品器水量/(m3h1) 110.6,115.2,119.8,124.4,129.0 分进行计算.水、铜管和钢的比热容、密度和黏度的取 结品器水流速/(ms) 11.7,12.2,12.7,13.2,13.7 值见表2.钢液的潜热L为272kJ·kg,液相率按下 拉速，pe/(mmin-l) 2.2 式计算，固相线T,和液相线T,分别为1713K和1778K. 浇注温度/K 1803 T-T 人=T,-T (1) 2.3控制方程 2模型的建立 Fluent并不对固液分界面进行追踪，而是采用焓一 2.1假设条件和模型求解区域 孔隙度公式.两相区被认作多孔区域.孔隙率即为液 (1)结晶器液面无波动，为一个稳定的绝热水 相率，表示每个单元中液相体积的比例.每次迭代都 平面： 要根据能量守恒计算液相率。钢液在结晶器内的流动 (2)钢液和冷却水均为不可压缩流体： 是复杂的湍流过程，可以用标准k一ε湍流模型模拟. (3)采用等效平均热阻处理保护渣膜和气隙区的 考虑到凝固形成的固相结构对液相流动产生的阻尼作 热阻变化，不考虑镀层对传热的影响： 用，需要在动量守恒和湍动能方程组中引入达西衰 (4)用Fluent内置的凝固与熔化模型分析坯壳生 减项5-工程科学学报，第 37 卷，第 7 期 冷却水水质、水温、水压等条件直接相关． 目前有关结 晶器内的流动--传热模型的研究重点多集中于结晶器 内流场分布，包括浸入式水口结构和电磁搅拌对流场 的影响． 这些模型的热边界条件一般多为热流边界， 基本不考虑冷却水水温对传热的影响． 很少有模型考 虑到结晶器冷却水的入口温度会对计算结果和产品质 量产生何种差别． 在实际的生产过程中，不少企业都 反映结晶器冷却水的入口温度对产品质量( 尤其是脱 方和角部裂纹等) 和设备寿命［1］有明显的影响，并在 对冷却水的入口温度作了规定后，铸坯的质量确有改 善［2 － 3］． 也有部分文献指出水温与裂纹等缺陷的关 系［4］，但是没有从传热和受力的机理上进行解释． 本文以杭州钢铁集团转炉炼钢厂 4# 小方坯连铸 机结晶器为原型，结合该厂的一冷工艺条件，建立了同 时考虑到钢液流动和凝固、铜板导热以及冷却水的流 动和传热的耦合模型，系统研究结晶器冷却水的水温 和流量( 流速) 等参数对铜管温度、结晶器热流及坯壳 厚度和温度等参数的影响，阐明上述工艺参数影响铸 坯质量的原因． 1 结晶器参数和冷却工艺 杭钢 4# 机产品为断面 150 mm × 150 mm 的小方坯． 该铸机的结晶器为弧形管式结晶器，长度 1 m，铜管厚 度 0. 010 m，水 缝 宽 度 0. 004 m． 浸 入 式 水 口 的 内 径 0. 030 m，外径 0. 080 m，浸入深度 50 ～ 100 mm，浇钢时 液面离结晶器出口 0. 850 m． 冷却水入口温度 293 ～ 313 K，结晶器冷却水的回水管压力 0. 5 ～ 0. 6 MPa． 计算选用的钢种为 40Cr，各工艺参数的取值见 表 1． 表 1 浇注工艺参数取值 Table 1 Casting parameters 参数 取值 结晶器水量/( m3 ·h － 1 ) 110. 6，115. 2，119. 8，124. 4，129. 0 结晶器水流速/( m·s － 1 ) 11. 7，12. 2，12. 7，13. 2，13. 7 拉速，vcast /( m·min － 1 ) 2. 2 浇注温度/K 1803 2 模型的建立 2. 1 假设条件和模型求解区域 ( 1) 结晶器 液 面 无 波 动，为 一 个 稳 定 的 绝 热 水 平面; ( 2) 钢液和冷却水均为不可压缩流体; ( 3) 采用等效平均热阻处理保护渣膜和气隙区的 热阻变化，不考虑镀层对传热的影响; ( 4) 用 Fluent 内置的凝固与熔化模型分析坯壳生 长及其对传热的影响; ( 5) 忽略结晶器弧度和锥度的影响，简 化 为 直 板型． 基于上述假设，可认为铸坯在中心纵截面上具有 传热对称性，计算区域取过结晶器中轴线并垂直于侧 弧面的 l /2 截面． 由于边部离水口更近，该截面上流动 对传热和坯壳生长的影响比过中轴线的对角线界面上 的流动影响更显著，进而对铜管热面和冷面的温度的 影响更大． 因此选择该截面为计算区域，并建立如图 1 所示的几何模型． 图 1 模型计算区域示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the calculation field 2. 2 材料的物理参数 水导热系数设置为 303 K 下的固定值． 铜管( 按 纯铜计算) 和 40Cr 钢的导热系数均为分段线性函数． 40Cr 钢的各项物理参数使用商用软件 Procast 根据成 分进行计算． 水、铜管和钢的比热容、密度和黏度的取 值见表 2． 钢液的潜热 L 为 272 kJ·kg － 1，液相率 fl按下 式计算，固相线 Ts和液相线 Tl分别为1713 K 和1778 K． fl = T － Ts Tl － Ts ． ( 1) 2. 3 控制方程 Fluent 并不对固液分界面进行追踪，而是采用焓-- 孔隙度公式． 两相区被认作多孔区域． 孔隙率即为液 相率，表示每个单元中液相体积的比例． 每次迭代都 要根据能量守恒计算液相率． 钢液在结晶器内的流动 是复杂的湍流过程，可以用标准 k--ε 湍流模型模拟． 考虑到凝固形成的固相结构对液相流动产生的阻尼作 用，需要在动量守恒和湍动能方程组中引入达西衰 减项［5 － 8］． · 098 ·