第36卷第12期 北京科技大学学报 Vol.36 No.12 2014年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2014 小方坯连铸过程温度场和流场的实时模拟 唐娜娜，李宏祥⑧，张济山，庄林忠 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:hxli@skL.usth.cdu.cm 摘要为了寻求在瞬态下仍然有效的实时模拟模型，以便模拟连铸的全过程，基于任意拉格朗日一欧拉(ALE)方法和Lam一 Bremhorst低雷诺数ke方程，建立了考虑湍流的传热和流体流动的实时模拟模型.该模型有效地实现了移动计算域下的动态 网格扩展，可以模拟从拉坯到切割坯连铸全过程的温度场与流场的变化.作为实例，X70钢小方坯的模拟效果与实验验证吻 合很好 关键词连铸：小方坯：温度场：流场：有限元法：实时模拟 分类号TG249.7 Real-time simulation of temperature field and flow field for a billet in continuous casting TANG Na-na,LI Hong-xiang,ZHANG Ji-shan,ZHUANG Lin-zhong State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:hxli@skl.ustb.edu.cn ABSTRACT To develop a real-time mathematical model which can be valid ever at a transient state for simulating full continuous casting processes,a real-time simulation mathematical model of heat transfer and fluid flow was constructed considering turbulent flow on the basis of the arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE)algorithm and the Lam-Bremhorst low-Reynolds number formulation.By using this model,dynamic grids expansion under moving computational domains could be realized and the temperature field and fluid flow field could be simulated for the full process of steel continuous casting.As an example,the simulation results of X70 steel are in accordance with experimental measurements. KEY WORDS continuous casting:billets;temperature field;flow field:finite element method;real-time simulation 因为成本低、能耗低且效率高，连铸己经成为生 优势，因此国内外钢铁研究的学者已经开展了很多 产方坯和板坯主要的手段：但其技术复杂，合理控制 工作1.Liu等四比较了紧凑式带钢生产(CSP)和 方坯或者板坯的温度场和流场分布无疑是关注的重 可变薄板坯连铸TSC两种工艺下结晶器中的流场 点之一.不合理的温度分布与流体流动，不但影响 与温度场，发现水口结构对流动模式、熔体过热量的 钢水的凝固和夹杂物的去除，诱发鼓肚缺陷，而且与 耗散以及凝固坯壳的均匀生长影响比较大.Zhu 铸坯裂纹、偏析等表面及内部质量密切相关，严重时 等回研究了铸造速度、水口设计和水口插入深度对 还易导致漏钢等事故的发生.计算机数值模拟作为 漏斗形结晶器流场和温度场的影响，为连铸工艺优 经济、省力且高效的研究手段，在优化温度场和流场 化提供了依据.Zhang等同则通过建立二维有限点 分布，寻求最佳连铸工艺参数等方面展示出明显的 无孔模型模拟了连铸结晶器内的传热和凝固.除了 收稿日期：201309-17 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-TD-12001):教有部博士学科点专项科研基金资助项目(20120006110019)：新 金属材料国家重点实验室开放课题(2012Z-13) DOI:10.13374/j.issnl1001-053x.2014.12.010:http://journals.ustb.edu.cn第 36 卷 第 12 期 2014 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 12 Dec． 2014 小方坯连铸过程温度场和流场的实时模拟 唐娜娜，李宏祥，张济山，庄林忠 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: hxli@ skl． ustb． edu． cn 摘 要 为了寻求在瞬态下仍然有效的实时模拟模型，以便模拟连铸的全过程，基于任意拉格朗日--欧拉( ALE) 方法和Lam-- Bremhorst 低雷诺数 k-ε 方程，建立了考虑湍流的传热和流体流动的实时模拟模型． 该模型有效地实现了移动计算域下的动态 网格扩展，可以模拟从拉坯到切割坯连铸全过程的温度场与流场的变化． 作为实例，X70 钢小方坯的模拟效果与实验验证吻 合很好． 关键词 连铸; 小方坯; 温度场; 流场; 有限元法; 实时模拟 分类号 TG249. 7 Ｒeal-time simulation of temperature field and flow field for a billet in continuous casting TANG Na-na，LI Hong-xiang ，ZHANG Ji-shan，ZHUANG Lin-zhong State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: hxli@ skl． ustb． edu． cn ABSTＲACT To develop a real-time mathematical model which can be valid ever at a transient state for simulating full continuous casting processes，a real-time simulation mathematical model of heat transfer and fluid flow was constructed considering turbulent flow on the basis of the arbitrary Lagrangian--Eulerian ( ALE) algorithm and the Lam--Bremhorst low-Ｒeynolds number k-ε formulation． By using this model，dynamic grids expansion under moving computational domains could be realized and the temperature field and fluid flow field could be simulated for the full process of steel continuous casting． As an example，the simulation results of X70 steel are in accordance with experimental measurements． KEY WOＲDS continuous casting; billets; temperature field; flow field; finite element method; real-time simulation 收稿日期: 2013--09--17 基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( FＲF--TD--12--001) ; 教育部博士学科点专项科研基金资助项目( 20120006110019) ; 新 金属材料国家重点实验室开放课题( 2012Z--13) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 12． 010; http: / /journals． ustb． edu． cn 因为成本低、能耗低且效率高，连铸已经成为生 产方坯和板坯主要的手段; 但其技术复杂，合理控制 方坯或者板坯的温度场和流场分布无疑是关注的重 点之一． 不合理的温度分布与流体流动，不但影响 钢水的凝固和夹杂物的去除，诱发鼓肚缺陷，而且与 铸坯裂纹、偏析等表面及内部质量密切相关，严重时 还易导致漏钢等事故的发生． 计算机数值模拟作为 经济、省力且高效的研究手段，在优化温度场和流场 分布，寻求最佳连铸工艺参数等方面展示出明显的 优势，因此国内外钢铁研究的学者已经开展了很多 工作［1--6］． Liu 等［1］比较了紧凑式带钢生产( CSP) 和 可变薄板坯连铸 FTSC 两种工艺下结晶器中的流场 与温度场，发现水口结构对流动模式、熔体过热量的 耗散以及凝固坯壳的均匀生长影响比较大． Zhu 等［2］研究了铸造速度、水口设计和水口插入深度对 漏斗形结晶器流场和温度场的影响，为连铸工艺优 化提供了依据． Zhang 等［3］则通过建立二维有限点 无孔模型模拟了连铸结晶器内的传热和凝固． 除了