D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.09.038 第29卷第9期 北京科技大学学报 Vol.29 No.9 2007年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep·2007 旋转流水口对结晶器钢水温度场影响的数值模拟 卢金雄张晨)胡会军)陈艳艳) 张炯明) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)宝山钢铁股份有限公司，上海201900 摘要采用数值模拟的方法研究了不同旋转流水口工艺条件对结晶器内温度场的影响·结果表明：结晶器旋流水口会稍微 增加水口两侧高温区的不对称性，但能提高弯月面处钢水的温度，使弯月面处钢水温度更均匀一传统水口从水口到弯月面 处温降约为15℃左右，而旋流水口仅为10℃。增加拉速或降低旋流片高度，会增加钢水弯月面处的温度；旋流片角度为120° 或旋流片距水口底部390mm时，钢水弯月面处温度最高 关键词结晶器：旋转流水口：温度场：数值模拟 分类号TF777.2 在钢水连铸过程中，钢水从中间包浸入式水口 内钢水温度分布的影响，从而优化出合理的水口工 的两个出口流出时会产生周期性的波动或脉动现 艺参数，为改善铸坯质量提供依据 象·这会导致结晶器内的钢水面产生波动，使气泡 被捕获、保护渣卷入钢中，导致板坯产生针孔等质量 1数值计算方法 缺陷3].其中保护渣的卷入和卷入后保护渣的再 采用商业软件CFX5.7对装有旋流水口的结晶 次上浮过程与结晶器内钢水的流动状态有很直接的 器内钢水流场及温度场进行计算，选择不同旋流片 关系，主要与从结晶器水口出口的射流过大，造成钢 角度、不同旋流片高度、不同拉速、不同宽度，来计算 水向上回流过强有关，因此，研究者设想如果出口 结晶器浸入式水口和结晶器内钢水的温度场，具体 射流的分量由以前的两个方向变为三个方向，将可 工艺条件如表1所示， 能减少卷渣的几率.基于此设想提出了旋流水口的 表1计算用水口的工艺条件 概念，旋流水口是在普通的浸入式水口内部安装了 Table 1 Technical parameters of submerged nozzles 特殊设计的螺旋形状的叶片，使钢水发生旋流，产生 序旋转角旋流片高结晶器宽拉速/旋流片底距水 离心力，这使水口两侧出口的钢水均匀分布，和传 号度/()度/mm度/mm(mmin-l)口底部距离/mm 统的水口相比，旋流水口的最大出口速度可减小 0 一 1400 1.4 390 50%.旋流水口比传统浸入式水口需要增加的成本 1 120 80 1400 1.4 390 很少，却能提高连铸机的生产率和质量，这种水口 2 120 100 1400 1.4 390 的原始设想是日本技术研究院和大阪大学合作研究 3 120 120 1400 1.4 390 的成果]，研究开发成功后己在住友金属和歌山 4 120 150 1400 1.4 390 厂投入使用.使用后，拉速提高了30%，而成品钢卷 5 90 100 1400 1.4 390 的缺陷比例明显减少，为使用传统水口时的1/4. 6 150 1400 390 宝钢在生产高级冷轧板产品时，由于结晶器钢 180 00 1400 1.4 390 水卷渣造成冷轧板表面也存在起皮缺陷，因此有必 8 120 100 1600 1.2 390 要开展相关技术研究·由于采用结晶器旋流水口 9 120 100 900 1.6 390 后，无法测定结晶器内部钢水的流动状态，很难定量 10 120 100 1100 1.5 390 描述结晶器内钢水各位置的温度，因此，本文采用 11 120 100 1900 1.0 390 数值模拟的方法，对结晶器内钢水的温度分布进行 12 120 80 1400 1.4 440 定量计算，分析旋流水口的不同工艺参数对结晶器 13 120 80 1400 1.4 340 收稿日期：2006-04-20修回日期：2006-09-13 作者简介：卢金雄(1960一)，男，高级工程师，博士研究生：张炯明 由于结晶器内实际液体流动是十分复杂的，因 (1964一)，男，教授，博士 此需要进行系统假设：旋转流水口对结晶器钢水温度场影响的数值模拟 卢金雄1） 张 晨2） 胡会军2） 陈艳艳1） 张炯明1） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院‚北京100083 2） 宝山钢铁股份有限公司‚上海201900 摘 要 采用数值模拟的方法研究了不同旋转流水口工艺条件对结晶器内温度场的影响．结果表明：结晶器旋流水口会稍微 增加水口两侧高温区的不对称性‚但能提高弯月面处钢水的温度‚使弯月面处钢水温度更均匀———传统水口从水口到弯月面 处温降约为15℃左右‚而旋流水口仅为10℃．增加拉速或降低旋流片高度‚会增加钢水弯月面处的温度；旋流片角度为120° 或旋流片距水口底部390mm 时‚钢水弯月面处温度最高． 关键词 结晶器；旋转流水口；温度场；数值模拟 分类号 TF777∙2 收稿日期：2006-04-20 修回日期：2006-09-13 作者简介：卢金雄（1960—）‚男‚高级工程师‚博士研究生；张炯明 （1964—）‚男‚教授‚博士 在钢水连铸过程中‚钢水从中间包浸入式水口 的两个出口流出时会产生周期性的波动或脉动现 象．这会导致结晶器内的钢水面产生波动‚使气泡 被捕获、保护渣卷入钢中‚导致板坯产生针孔等质量 缺陷［1—3］．其中保护渣的卷入和卷入后保护渣的再 次上浮过程与结晶器内钢水的流动状态有很直接的 关系‚主要与从结晶器水口出口的射流过大‚造成钢 水向上回流过强有关．因此‚研究者设想如果出口 射流的分量由以前的两个方向变为三个方向‚将可 能减少卷渣的几率．基于此设想提出了旋流水口的 概念．旋流水口是在普通的浸入式水口内部安装了 特殊设计的螺旋形状的叶片‚使钢水发生旋流‚产生 离心力‚这使水口两侧出口的钢水均匀分布．和传 统的水口相比‚旋流水口的最大出口速度可减小 50％．旋流水口比传统浸入式水口需要增加的成本 很少‚却能提高连铸机的生产率和质量．这种水口 的原始设想是日本技术研究院和大阪大学合作研究 的成果［4—8］‚研究开发成功后已在住友金属和歌山 厂投入使用．使用后‚拉速提高了30％‚而成品钢卷 的缺陷比例明显减少‚为使用传统水口时的1／4． 宝钢在生产高级冷轧板产品时‚由于结晶器钢 水卷渣造成冷轧板表面也存在起皮缺陷‚因此有必 要开展相关技术研究．由于采用结晶器旋流水口 后‚无法测定结晶器内部钢水的流动状态‚很难定量 描述结晶器内钢水各位置的温度．因此‚本文采用 数值模拟的方法‚对结晶器内钢水的温度分布进行 定量计算‚分析旋流水口的不同工艺参数对结晶器 内钢水温度分布的影响‚从而优化出合理的水口工 艺参数‚为改善铸坯质量提供依据． 1 数值计算方法 采用商业软件 CFX5∙7对装有旋流水口的结晶 器内钢水流场及温度场进行计算．选择不同旋流片 角度、不同旋流片高度、不同拉速、不同宽度‚来计算 结晶器浸入式水口和结晶器内钢水的温度场‚具体 工艺条件如表1所示． 表1 计算用水口的工艺条件 Table1 Technical parameters of submerged nozzles 序 号 旋转角 度／（°） 旋流片高 度／mm 结晶器宽 度／mm 拉速／ （m·min —1） 旋流片底距水 口底部距离／mm 0 — — 1400 1∙4 390 1 120 80 1400 1∙4 390 2 120 100 1400 1∙4 390 3 120 120 1400 1∙4 390 4 120 150 1400 1∙4 390 5 90 100 1400 1∙4 390 6 150 100 1400 1∙4 390 7 180 100 1400 1∙4 390 8 120 100 1600 1∙2 390 9 120 100 900 1∙6 390 10 120 100 1100 1∙5 390 11 120 100 1900 1∙0 390 12 120 80 1400 1∙4 440 13 120 80 1400 1∙4 340 由于结晶器内实际液体流动是十分复杂的‚因 此需要进行系统假设： 第29卷 第9期 2007年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．9 Sep．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．09．038