D0I:10.13374/i.issm1001053x.2002.05.003 第24卷第5期 北京科技大学学报 Vol.24 No.5 2002年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2002 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 于会香” 张炯明D王万军”王新华)杨振亚)杨立新) 1)北京科技大学冶金学院，北京1000832)AET北京办事处 摘要以宝钢-一连铸板坯结晶器为研究对象，采用大型商业软件C℉X4.3,将模拟计算出的 浸入式水口的出口速度直接赋给结晶器作为入口条件，计算了结晶器内钢液的流动情况.结果 表明：速度矢量在水口出口截面分布不均匀、方向与水口倾角不一致.因此，有必要将水口计算 结果与结晶器模型结合起来以更好地反映钢液的流动情况 关键词结晶器；浸人式水口；流场；数值模拟 分类号TF777.1 随着连铸技术的迅速发展以及市场对高质 面为1200mm×250mm,拉坯速度为1.0m/min, 量、高纯净钢的需求不断提高，严格控制钢水成 钢液密度p=7020kgm3,分子粘性系数 分已变得尤为重要.结晶器作为控制钢水清洁 4=0.0055kgms. 度的最后环节，其内部钢液的流动情况便成了 人们关注的焦点.由于冶金过程是高温下极其 1浸入式水口内钢液流动数值模拟 复杂的过程，因此数值模拟对于钢液流场研究、 由质量守恒方程、动量守恒方程、湍动能方 定量了解其流动状态是一种行之有效的研究方 程和湍动能耗散方程联立求解可得水口内钢液 法. 的速度分布.水口的入口速度根据水口入口流 近年来许多人"对结晶器内钢液的流动状 量与结晶器底部出口流量相等计算得出.水口 态进行了研究.Thomas采用有限元法研究了 壁面采用无滑移边界条件，对壁面附近粘性支 板坯连铸操作和设计参数对结晶器内流场的影 层中的流体计算采用壁面函数法， 响.Bai和Thomas又将商业软件CFX应用于冶 金过程.在他们所做工作中，浸入式水口的出口 2 板还连铸结晶器内钢液流动的数 速度（即结晶器的人口速度），或是根据流量平 衡和水口倾角的公式计算得出（以下称之为直 值模拟 接赋值法)，或是由水模型试验测出，这都不能 2.1假设条件 精确地反映浸人式水口的出口速度.本文采用 本模型对结晶器内钢液的流动作了以下假 CFX商业软件先对浸入式水口内钢液的流动进 设：结晶器内钢液的流动为稳态粘性不可压缩 行了模拟计算，然后将水口出口处的速度赋给 流动；不计结晶器液面的波动，把液面设置为自 结晶器作为入口条件（以下称之为模拟结果赋 由面；不考虑结晶器内凝固壳的存在；忽略结晶 值法)，避免了因边界条件的不准确所造成的结 器振动及锥度等因素的影响 晶器流场模拟的误差，为实际生产提供了可靠 2.2数学模型 的理论依据.计算所用参数为：浸入式水口为双 对于稳态单相流动，P=常数，其微分方程 侧孔，其倾角分别为5°，0°和-15（其中“-”表示 有： 侧孔倾角向下)，浸人深度为220mm,结晶器截 (1)质量守恒方程 04=0 (1) 收稿日期200108-20于会香女，24岁，硕士第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 〕 一 。 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 于会香 ” 张炯 明 ‘， 王 万 军 ” 王新华 ” 杨振亚 ， 杨 立新 ， 北京科技大学冶金学院 ， 北京 北京办事处 摘 要 以宝钢一连铸板坯结 晶器为研究对象 ， 采用 大型 商业软件 ， 将模拟计算 出的 浸入式水 口 的 出 口 速度直接赋给结晶器作为入 口 条件 ， 计算 了结 晶器 内钢液 的流动情况 结果 表明 速度矢量在水 口 出 口 截面分布不均匀 、 方向与水 口 倾角不一致 因此 ， 有必要将水 口 计算 结果与结 晶器模型结合起来 以更好地反 映钢液 的流动情况 关键词 结晶器 浸人式水 口 流场 数值模拟 分类 号 随着连铸技术 的迅 速发展 以 及市场对高质 量 、 高纯净钢 的需求不断提高 ， 严格控制钢水成 分 已 变得尤 为重要 结 晶器作为控制钢水清洁 度 的最后 环 节 ， 其 内部钢液 的流 动情况便成 了 人们关注 的焦点 由于 冶金过程是高温下极其 复杂的过程 ， 因此数值模拟对于钢液流场研究 、 定量 了解其流动状态是一种行之有效的研究方 法 近年来许多人 一 对结 晶器 内钢液 的流动状 态 进行 了研究 ‘ 采用有 限元法研究 了 板坯连铸操作和设计参数对结 晶器 内流场 的影 响 和 〔，，又将商业软件 应用 于 冶 金过程 在他们所做工作 中 ， 浸入式水 口 的出 口 速 度 即结 晶器 的人 口 速度 ， 或是根据流量平 衡和水 口 倾角 的公式计算得 出 以下 称之为直 接赋值法 ， 或是 由水模型 试验测 出 ， 这都不能 精确地反 映浸 人式水 口 的 出 口 速度 本文采用 商业软件先对浸人式水 口 内钢液 的流动进 行 了模拟计算 ， 然后 将水 口 出 口 处 的速度 赋给 结 晶器作为入 口 条件 以下 称之为模拟结果赋 值法 ， 避免 了 因边界条件的不 准确所造成 的结 晶器流场模拟 的误差 ， 为实际生产提供 了可 靠 的理论依据 计算所用 参数为 浸人式水 口 为双 侧孔 ， 其倾角分别为 ， 和 一 “ 其 中 “ 一” 表示 侧孔倾角 向下 ， 浸人深度 为 ， 结 晶器截 面 为 们。 们 ， 拉坯 速度 为 岁 ， 钢 液 密 度 二 ’ 一 ， 分 子 粘 性 系 数 月 比 · 一 ’ · 一 ’ 浸入式水 口 内钢液流动数值模拟 由质量守恒方程 、 动量守恒方程 、 湍动能方 程和 湍动能耗散方程联立求解可得水 口 内钢 液 的速度分布 水 口 的人 口 速度 根据水 口 人 口 流 量 与结 晶器底部 出 口 流 量相 等计算得 出 水 口 壁 面 采用 无滑 移边界条件 ， 对壁 面 附近 粘性 支 层 中的流体计算采用壁面 函数法 板坯连铸结晶器 内钢液流动的数 值模拟 假设条件 本模型 对结 晶器 内钢液 的流 动作 了 以下假 设 结 晶器 内钢液 的流动 为稳态 粘性不 可压缩 流动 不计结 晶器液面 的波动 ， 把液面设置为 自 由面 不考虑结 晶器 内凝 固壳 的存在 忽 略结 晶 器振动及锥度等 因素 的影 响 数学模型 对于稳态单相流 动 ， 二 常数 ， 其微分方程 有 质量守恒方程 收稿 日期 刁 一 于会香 女 ， 岁 ， 硕士 巫 二 刁若 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．05．003