李天衣等：基于反算热流的结晶器内流动一传热一凝固耦合模拟 ·499 型计算初生凝壳的生长过程，结果如图7和图8所示 图6中也可以观察到类似结果，宽面1/4至距窄面200 图7给出结晶器内不同高度上铸坯液相率的分布状 mm范围内坯壳的表面温度较高，局部高温的薄弱坯 况.。可以看出，角部坯壳因二维冷却的作用，相同高度 壳易引发纵裂等缺陷.基于以上结果，通过反算热流 上坯壳生长速度更快，结晶器下口处的坯壳厚度也最 得到不均匀的钢液流场和坯壳凝固状态，可以为进 一 大.由于内、外弧热流密度并不对称，特别是在结晶器 步研究纵裂、表面裂纹的形成及其在线预测提供重要 中上部的高热流区，因此液相率等值线略有倾斜，外弧 线索 较低的热流致使坯壳生长相对缓慢，液相率等值线倒 16 向外弧一侧.可以看出，在距离液面100~400mm的 14 范围内，主流股和上环流钢液对铸坯凝固具有显著的 12 影响，不同高度断面上液相率分布及其纵向变化都十 10 分明显.沿浇铸方向，随气隙和坯壳厚度的增加，热流 快速下降，在下环流区钢液大范围逆向流动的作用下， h ·内弧中心线 ·内弧1/4宽面 内外弧换热差异被缩小，中下部的等值线逐渐趋向于 外孤中心线 中心对称.钢液冲刷使液面下400mm窄面中心的坯 外1/4宽面 壳略有减薄，与图6相同，但在600mm以下这种影响 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 不再明显，窄面坯壳重新趋于均匀生长 距弯月面距离/m 图8结品器内铸坯宽面不同位置的坯壳厚度 Fig.8 Thickness of shells at different locations of the slab wide side in the mold 0.15 0 -0.2 3 结论 0.05 以板坯结晶器为对象，建立了描述结晶器内钢液 0.10 Z=-0.4 流动、传热及凝固过程的三维耦合数学模型.以实测 0.0 0 温度和结晶器传热反问题模型计算出的热流为边界条 0.15 件，模拟和分析结晶器内钢液的流动、传热和凝固特 0.10 =-0.6 0.05 征 (1)结晶器内钢液的流动行为决定其温度分布， 0.15 受主流股钢液冲击回流的影响，距窄面200m范围的 0.10 Z=-0.9 0.05 温度和热流均较高，弯月面水口附近钢液的温度则相 对较低.在整个结晶器高度范围内，铸坯沿宽面方向 图7结品器内钢液不同高度的液相率分布 分布的不均匀性显著 Fig.7 Liquid fraction at different heights (2)在铸坯1/4宽度至窄面的区域，中心线和近 图8示出结晶器内不同位置铸坯凝壳的生长情 内、外弧铜板钢液的湍动能均较高，液面波动大，且这 况.总的来看，由于反算热流在同一宽面的不均匀性 一区域铸坯温度分布的不均匀性也较为明显，熔渣的 较为明显，两宽面热流并不对称，因此计算出的坯壳厚 流入和消耗易受干扰，在浇铸易产生凹陷和纵裂的钢 度也呈现不均匀分布的特点.在结晶器出口处，内弧 种时，应予以重视 与外弧坯壳的平均厚度为分别为15.2mm和14.5 (3)在距液面1.5m以下，传热和凝固基本不再 mm,相差4.6%，两宽面反算热流均值的差异为 受钢液流动的影响.宽面表面温度分布与主流股迹线 5.4%,热流与坯壳厚度的总体趋势一致.在弯月面至 大致吻合，宽面和窄面坯壳的初生位置和生长过程并 其以下200mm的高热流区，坯壳生长速度明显较快， 不同步，在浇铸宽度较窄的断面时，钢液对坯壳的冲刷 在200mm的位置坯壳的平均厚度达到6mm;在高热 作用值得关注 流区以下，坯壳生长随热流的降低逐渐放缓；距结晶器 (4)在距离液面100~400mm的范围内，内、外弧 液面400mm以下的区域，气隙的出现使热流大幅下 热流密度的差异使液相率等值线略有倾斜，外弧的热 降，不同位置处坯壳的生长速度进一步降低.结晶器 流和坯壳厚度均较小.铸坯凝固的均匀性受热流分布 出口处，内弧中心和1/4宽面的坯壳相对均匀，分别为 与钢液流动的双重影响，热流数值决定结晶器出口处 15.4mm和15.0mm:外弧坯壳的均匀性则较差，中心 的坯壳厚度.综合反算热流与钢液流动的铸坯传热、 和1/4宽面位置的厚度分别为15.1mm和13.9mm,从 凝固行为研究，对于进一步考察纵裂及其他缺陷具有李天衣等: 基于反算热流的结晶器内流动--传热--凝固耦合模拟 型计算初生凝壳的生长过程，结果如图 7 和图 8 所示． 图 7 给出结晶器内不同高度上铸坯液相率的分布状 况． 可以看出，角部坯壳因二维冷却的作用，相同高度 上坯壳生长速度更快，结晶器下口处的坯壳厚度也最 大． 由于内、外弧热流密度并不对称，特别是在结晶器 中上部的高热流区，因此液相率等值线略有倾斜，外弧 较低的热流致使坯壳生长相对缓慢，液相率等值线倒 向外弧一侧． 可以看出，在距离液面 100 ～ 400 mm 的 范围内，主流股和上环流钢液对铸坯凝固具有显著的 影响，不同高度断面上液相率分布及其纵向变化都十 分明显． 沿浇铸方向，随气隙和坯壳厚度的增加，热流 快速下降，在下环流区钢液大范围逆向流动的作用下， 内外弧换热差异被缩小，中下部的等值线逐渐趋向于 中心对称． 钢液冲刷使液面下 400 mm 窄面中心的坯 壳略有减薄，与图 6 相同，但在 600 mm 以下这种影响 不再明显，窄面坯壳重新趋于均匀生长． 图 7 结晶器内钢液不同高度的液相率分布 Fig． 7 Liquid fraction at different heights 图 8 示出结晶器内不同位置铸坯凝壳的生长情 况． 总的来看，由于反算热流在同一宽面的不均匀性 较为明显，两宽面热流并不对称，因此计算出的坯壳厚 度也呈现不均匀分布的特点． 在结晶器出口处，内弧 与外 弧 坯 壳 的 平 均 厚 度 为 分 别 为 15. 2 mm 和 14. 5 mm，相 差 4. 6% ，两宽面反算热流均值的差异为 5. 4% ，热流与坯壳厚度的总体趋势一致． 在弯月面至 其以下 200 mm 的高热流区，坯壳生长速度明显较快， 在 200 mm 的位置坯壳的平均厚度达到 6 mm; 在高热 流区以下，坯壳生长随热流的降低逐渐放缓; 距结晶器 液面 400 mm 以下的区域，气隙的出现使热流大幅下 降，不同位置处坯壳的生长速度进一步降低． 结晶器 出口处，内弧中心和 1 /4 宽面的坯壳相对均匀，分别为 15. 4 mm 和 15. 0 mm; 外弧坯壳的均匀性则较差，中心 和 1 /4 宽面位置的厚度分别为 15. 1mm 和 13. 9 mm，从 图 6 中也可以观察到类似结果，宽面 1 /4 至距窄面 200 mm 范围内坯壳的表面温度较高，局部高温的薄弱坯 壳易引发纵裂等缺陷． 基于以上结果，通过反算热流 得到不均匀的钢液流场和坯壳凝固状态，可以为进一 步研究纵裂、表面裂纹的形成及其在线预测提供重要 线索． 图 8 结晶器内铸坯宽面不同位置的坯壳厚度 Fig． 8 Thickness of shells at different locations of the slab wide side in the mold 3 结论 以板坯结晶器为对象，建立了描述结晶器内钢液 流动、传热及凝固过程的三维耦合数学模型． 以实测 温度和结晶器传热反问题模型计算出的热流为边界条 件，模拟和分析结晶器内钢液的流动、传热和凝固特 征． ( 1) 结晶器内钢液的流动行为决定其温度分布， 受主流股钢液冲击回流的影响，距窄面 200 mm 范围的 温度和热流均较高，弯月面水口附近钢液的温度则相 对较低． 在整个结晶器高度范围内，铸坯沿宽面方向 分布的不均匀性显著． ( 2) 在铸坯 1 /4 宽度至窄面的区域，中心线和近 内、外弧铜板钢液的湍动能均较高，液面波动大，且这 一区域铸坯温度分布的不均匀性也较为明显，熔渣的 流入和消耗易受干扰，在浇铸易产生凹陷和纵裂的钢 种时，应予以重视． ( 3) 在距液面 1. 5 m 以下，传热和凝固基本不再 受钢液流动的影响． 宽面表面温度分布与主流股迹线 大致吻合，宽面和窄面坯壳的初生位置和生长过程并 不同步，在浇铸宽度较窄的断面时，钢液对坯壳的冲刷 作用值得关注． ( 4) 在距离液面 100 ～ 400 mm 的范围内，内、外弧 热流密度的差异使液相率等值线略有倾斜，外弧的热 流和坯壳厚度均较小． 铸坯凝固的均匀性受热流分布 与钢液流动的双重影响，热流数值决定结晶器出口处 的坯壳厚度． 综合反算热流与钢液流动的铸坯传热、 凝固行为研究，对于进一步考察纵裂及其他缺陷具有 · 994 ·