D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.05.005 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 薄板坯连铸结晶器内流场的三维数值模拟 包燕平朱建强蒋伟张涛 田乃媛徐宝美 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要针对薄板坯连铸结晶器中钢液的素流流动特征，利用商业软件C℉X4.2,建立了一个三 维有限差分模型，计算这一限定空间射流的紊流时均场，并采用均相流模型，模拟了结晶器内 钢液液面形状及速度场.通过计算，分析了浸入式水口形状、拉速等工艺参数对薄板坯连铸结 晶器流场的影响，同时，研究了结晶器出口处速度分布对结晶器内钢液流动的影响， 关键词薄板坯结晶器：流场：数值模拟 分类号TF777.7 文献标识码：A 薄板坯连铸连轧技术由于具有缩短工艺流 以及结晶器的开口形状等因素对结晶器内钢液 程，降低生产成本和节约过程能耗等优点，在世 流场的影响，并用水力学模型对数学模型计算 界范围内得到了迅速的发展，已建成了多条工 的结果进行了验证，研究结果为薄板坯连铸高 业化的薄板坯连铸连轧生产线，在技术和经济 拉速下的生产提供了理论基础. 上都取得了巨大成功. 随着我国治金工业技术的不断进步，薄板 1薄板还结晶器的流动数学模型 坯连铸连轧技术受到了国内冶金界的广泛关 在薄板坯连铸结晶器中，结晶器的液面波 注，列入了国家“八五”、“九五”重大科研攻关项 动对产品的质量和生产的顺行是至关重要的， 目，珠江钢厂的CSP生产线已经建成投产，并 因为它决定了保护渣的熔化和卷入情况.液面 有多条生产线正在建设或计划建设过程中.因 过于平静，不能提供足够的热量来熔化保护渣， 此建立数学模型对薄板坯结晶器流场进行模 不能提供足够的液态保护渣来减弱已凝固坯壳 拟、优化，对我国薄板坯连铸连轧生产线的建 与结晶器壁之间的摩擦及改善它们之间的传 立、生产都具有重要的现实参考和指导意义， 热：液面波动剧烈，同样不能提供足够的液态保 结晶器内钢液流动是典型的受限空间紊流 护渣，尤其是在结晶器的宽面中部，同时容易把 流动，对连铸结晶器内钢液的流动进行了很多 保护渣卷入钢液中，形成夹杂物，导致产品质量 的研究.但是对于薄板坯连铸工艺，由于铸坯厚 问题.所以本模型通过引入均相流模型(Hoo- 度薄，为达到经济产量必须提高拉速，因此其拉 geneous Model),计算结晶器流场自由表面的形 速远远大于一般的板坯连铸机.再有薄板坯结 状，从而考虑各因素对液面的影响.同时，通过 晶器由于开口度小，浸入式水口加入后严重影 分析速度场、冲击位置来衡量出口射流对坯壳 响了结晶器中钢液流动，一方面恶化了传热和 的冲击情况. 化渣条件，另一方面由于紊流强度的加大，增加 1.1基本假设 了保护渣进入钢液的可能性，因而限制了拉速 为便于建模，本模型进行以下假设：结晶器 的提高.因此，为进一步提高拉速，必须对结晶 内钢液流动为恒温稳态粘性不可压缩流动：液 器流场的影响因素进行分析，以优化高拉速下 固界面为无滑移边界，即在壁面处速度为0，且 的结晶器流场.本文通过建立钢液流动的数学 k=0,ε=0；不考虑表面保护渣的影响，把液 模型，在高拉速(6.0m/min)条件下，深入研究了 面处设成两相流（钢液和大气）的交界面：实际 水口出口面积比、水口出口角度、水口浸入深度 薄板坯结晶器锥度较小，为方便建立模型，忽略 2000-03-29收稿包燕平男，36岁，副教授 结晶器锥度的影响；忽略结晶器内已凝固坯壳 *国家”九五”重点攻关项目No.95-525-03-03) 对流动的影响：忽略因密度变化而引起的自然第 卷 第 期 5 22 年 月 0 0 0 0 1 2 北 京 科 技 大 学 学 报 O J u n r a l o f U n v i e i s y t r o f s c i e e e n n a d r 介 c h o n l o y g B e i j i n g V 匕 1 . N 2 2 0 . 5 o e 0 00 2 L 薄板坯连铸结 晶器 内流场 的三维数值模拟 包燕平 朱建强 蒋 伟 张 涛 田 乃媛 徐宝 美 北京科技大学冶金学院 , 北京 r0 0 83 摘 要 针对 薄板坯 连 铸结 晶器 中钢液 的紊 流流 动特 征 , 利 用商 业 软件 C FX .4 2 , 建 立 了一 个三 维有 限差 分模 型 , 计算 这一 限定 空 间射流 的紊流 时均 场 , 并采 用均 相流 模 型 , 模 拟 了结 晶器 内 钢液 液面 形状 及速 度场 . 通过 计 算 , 分析 了浸 入式 水 口 形状 、 拉速 等工 艺参 数对 薄 板坯连 铸 结 晶器 流场 的影 响 , 同时 , 研 究 了结 晶器 出 口 处 速度分 布对 结 晶器 内钢 液流 动 的影 响 . 关键 词 薄板坯 结 晶器 ; 流 场 : 数 值模 拟 分 类号 T F 7 7 .7 文 献标 识码 : A 薄 板坯连铸连 轧 技术 由于 具有缩短 工 艺流 程 , 降低生 产成本和 节约 过程 能耗 等优 点 , 在世 界 范 围 内得 到了 迅速 的 发展 , 己 建 成 了多条 工 业化 的薄板坯连铸 连轧 生产线 , 在 技术和 经济 上 都取得 了 巨大 成功 . 随着 我 国冶金 工 业技术 的不 断 进步 , 薄板 坯 连 铸连 轧 技 术受 到 了 国 内冶 金 界 的广 泛 关 注 , 列 入 了 国家 “ 八 五 ” 、 “ 九五 ” 重大科研攻 关项 目 . 珠江钢 厂 的 C S P 生 产线 已 经 建成投产 , 并 有 多条生 产线 正 在建设 或计划 建 设过程 中 . 因 此 建 立数 学 模 型 对 薄 板坯 结 晶 器 流 场进 行 模 拟 、 优 化 , 对我 国薄板 坯连铸连 轧生 产线 的 建 立 、 生 产都具 有重 要 的现 实参考和 指 导意义 . 结晶 器 内钢 液流动 是 典型 的受 限 空 间紊流 流动 , 对 连铸结 晶器 内钢 液 的流 动 进行 了 很 多 的研究 . 但是 对于 薄板坯连铸工 艺 , 由于铸 坯厚 度薄 , 为达到经济产 量必 须 提 高拉速 , 因此 其拉 速远远大 于 一般 的板坯 连铸机 . 再 有薄板 坯结 晶器 由于 开 口 度小 , 浸入式水 口 加 入后 严 重影 响 了 结晶 器 中钢 液流动 , 一 方 面恶化 了传 热和 化渣条件 , 另 一 方面 由于 紊流 强度 的 加 大 , 增加 了保护渣进 入钢 液 的 可 能性 , 因 而 限制 了 拉 速 的提 高 . 因 此 , 为进 一 步提 高拉速 , 必 须对 结晶 器流场 的影 响因 素进行 分析 , 以优化高拉 速下 的结 晶器流 场 . 本 文 通过建立钢 液流动 的 数学 模 型 , 在高拉速 (6 . On 亡m in ) 条件 下 , 深 入研 究 了 水 口 出 口 面积 比 、 水 口 出 口 角度 、 水 口 浸入 深 度 以及 结 晶 器的 开 口 形状 等因 素对 结晶 器 内钢 液 流场 的影 响 , 并用 水力学模 型对 数学模 型计算 的 结 果 进行 了验证 . 研 究结果 为薄板坯连 铸高 拉速 下 的生 产提供 了理 论基础 . 2 0 0 0 一 03 一 29 收稿 包燕 平 男 , 36 岁 , 副教授 * 国家 ” 九五 ” 重 点攻 关项 目困 0 . 9 5 · 5 2 5 一 0 3 · 0 3 ) 1 薄板坯结 晶器 的流 动数学模型 在薄板 坯连铸结 晶器 中 , 结 晶 器 的液 面波 动 对产 品 的质量 和 生 产 的 顺行是 至关重 要 的 , 因 为它 决定 了保护渣 的 熔化和 卷入情 况 . 液面 过于 平静 , 不 能提供足够 的热量来熔化保护渣 , 不 能 提供足够 的液态保护渣来减 弱 已 凝 固坯壳 与 结 晶 器壁 之 间 的摩擦 及 改善 它们 之 间 的传 热 ; 液面波 动剧 烈 , 同样不 能提供足够 的液态保 护渣 , 尤其 是在结 晶器 的宽面 中部 , 同 时容易把 保护渣 卷入钢 液 中 , 形成夹杂物 , 导 致产 品质量 问题 . 所 以本 模型 通过 引入均 相 流模型 ( H o m o - ge en ou s M ed el ) , 计算结 晶器流场 自 由表面 的形 状 , 从而 考虑 各 因 素对液面 的 影响 . 同 时 , 通过 分析速度 场 、 冲击 位置来衡 量 出 口 射流 对坯 壳 的冲击情 况 . L l 基本假设 为便于 建模 , 本模型进行 以下 假 设 : 结晶器 内钢液 流动 为恒温 稳态粘性 不 可压缩流 动 ; 液 固界 面 为无滑移边 界 , 即 在壁面 处速度为 0 , 且 k = 0 , 。 = o ; 不 考 虑 表面保 护 渣 的影 响 , 把 液 面 处 设 成两 相 流 ( 钢 液和 大气 ) 的 交界面 ; 实际 薄板坯结 晶器锥度较小 , 为方便建立模型 , 忽 略 结 晶器 锥度 的影 响 ; 忽 略结 晶器 内已 凝 固坯 壳 对流动 的影 响 ; 忽 略 因 密度 变化而 引起 的 自然 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 05. 005