D0I:10.13374/j.issn1001053x.2003.03.032 第25卷第3期 北京科技大学学报 Vol.25 No.3 2003年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2003 连铸板坯结晶器内钢液吹氩行为的数值模拟 于会香 朱国森王新华张炯明王万军 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要以宝钢一连铸板坯结晶器为研究对象，采用多相流模型计算了吹氩后结晶器内钢 液的流场、温度场及氩气分布，结果表明：吹氩后，结晶器内上回流区钢液的流动强度增大， 下回流区变小：钢液的温度梯度减小，温度分布均匀：氩气的分布不均匀，上回流区钢液的含 气率大大高于下回流区 关键词连铸；结晶器；吹氢：数值模拟 分类号TF777.1 浸入式水口吹氩保护浇铸技术是指在浸人(4)不考虑结晶器振动及锥度等因素的影响；（⑤） 式水口中，通过塞棒吹入氩气防止空气吸人的技 氩气泡尺寸均匀一致，氩气温度与钢液的温度相 术.该技术不仅能够有效防止水口堵塞，而且能 同：(6)水口人口处氩气分布均匀. 强化搅拌，均匀钢水成分和温度，促进夹杂物上浮 1.2多相流模型 以及改善铸坯质量.但是吹人氩气也会带来负面 在多相流模型中，每一相有自己的一套求解 影响，如导致保护渣卷入、钢水的裸露氧化及皮 方程，各相的传输量通过相间传输项发生联系. 下缺陷等.因此，研究水口吹氩后结晶器内的钢 对于气液两相流，气相和液相分别有自己的质量 液的行为十分必要. 守恒方程、N—S方程、能量守恒方程以及x一ε双 近年来许多学者采用商业软件CFX和数值 方程，两相的速度和温度通过相间力和热传递项 模拟法对这一问题进行了大量研究.对于结 产生联系.其方程如下： 晶器内的液相，建立质量守恒、动量守恒和K一￡ 0i(r.p.0.)+V-[r.(p.U..-r.Vo.)]- 双方程，在动量守恒方程中加人氩气泡的浮力 项；对于结晶器内的气相，只求解质量守恒方程， rS.+cd0r-0.)+(m.D,-m.D.) 认为气泡一进入计算区域，便在垂直方向上达到 其中，c(D。-中)为a,B相之间中的相间传输，c。= 0,Cog=Caa 了其稳态的最终速度，该方法与实际情况相比简 13计算条件 化较大.本文则采用多相流模型对吹氩后钢液的 (1)边界条件.①模型的入口设在浸入式水口 行为进行模拟，即为液相和气相分别建立一套求 的人口处，其速度值根据入口与出口的质量守恒 解方程，各相的传输量通过相间传输项发生联 计算得出，温度T=1803K.②模型的出口设在结 系. 晶器下方的出口处，采用质量边界条件，即出口 1数学模型 处与入口处质量守恒，③模型的壁面设为达到但 不包括糊状区的位置，即壁面处的温度设为恒定 1.1模型假设 的温度1775K:壁面采用无滑移边界条件. 在建立多相流模型时本文采用了以下假设： (2)其他参数.计算所用工艺参数为：板坯断 (1)结晶器内钢液的流动为稳态粘性不可压缩流 面尺寸1200mm×250mm,拉坯速度1.3m/min,水 动；(2)结晶器液面设置为自由面，氩气完全由月 口侧孔倾角-15°，水口浸人深度220mm,氩气泡 由表面逸出：（③）不考虑结晶器内凝固壳的存在； 直径3mm,水口人口处的含气率4%. 钢水和氩气的物理参数见表1· 收稿日期200206-21于会香女，24岁，助教第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 连铸板坯结晶器 内钢液吹氨行为 的数值模拟 于 会 香 朱 国 森 王 新 华 张 炯 明 王 万 军 北 京科技大学 冶金 学 院 ， 北 京 摘 要 以 宝 钢一 连 铸板 坯结 晶器 为 研究对象 ， 采 用 多相 流模 型 计算 了 吹 氨后 结 晶器 内钢 液的流 场 、 温度场 及 氢气 分布 ， 结果 表 明 吹 氢后 ， 结 晶器 内上 回流 区 钢液 的流动强 度增大 ， 下 回 流 区 变 小 钢 液 的温度梯度 减小 ， 温度 分布均 匀 氢 气的分 布不 均匀 ， 上 回流 区 钢 液 的含 气率大 大 高于下 回流 区 关 键词 连 铸 结 晶器 吹氢 数值模拟 分 类 号 浸 人 式 水 口 吹 氢 保 护 浇 铸 技 术 是 指 在 浸 人 式水 口 中 ， 通 过 塞棒 吹人氢 气 防止 空气 吸人 的技 术 该技术 不 仅 能够 有 效 防止 水 口 堵塞 ， 而 且 能 强 化搅拌 ，均 匀钢 水成 分 和 温度 ，促 进 夹 杂 物上 浮 以 及 改善铸坯 质量 但是 吹人 氢气 也会带来 负面 影 响 ， 如 导致保 护渣 卷人 、 钢 水 的裸 露 氧 化 及 皮 下 缺 陷等 因此 ， 研 究水 口 吹氢 后 结 晶器 内的钢 液 的行 为十分必要 近 年来许 多学 者采 用 商业 软件 和数值 模拟法 对 这一 问题进 行 了大量研究 卜 对 于结 晶器 内 的液相 ， 建立 质 量 守 恒 、 动 量 守 恒 和 双 方 程 ， 在 动 量 守 恒 方 程 中加 人 氢 气 泡 的 浮力 项 对 于结 晶器 内的气相 ， 只求解 质量 守恒 方程 ， 认 为气泡 一 进 人计算 区域 ， 便在 垂 直 方 向上 达 到 了其稳态 的最 终速度 该方 法 与实 际情况 相 比简 化较 大 本 文则 采 用 多相 流模 型对 吹氢后 钢 液 的 行 为进行模 拟 ， 即 为液相 和 气相 分别 建立 一 套求 解 方 程 ， 各 相 的传输 量 通 过 相 间传 输项 发 生 联 系 不 考 虑 结 晶器振 动及 锥 度 等 因素的影 响 氢气泡 尺 寸均 匀一 致 ， 氢 气温 度 与钢 液 的温度相 同 水 口 人 口 处 氢 气 分布均 匀 多相 流 模 型 在 多相 流模 型 中 ， 每一 相 有 自己 的一 套求解 方 程 ， 各相 的传输 量 通 过 相 间传输 项 发 生 联 系 对 于气 液 两相 流 ， 气相 和 液相 分别有 自己 的质量 守恒方程 、 萍一 方程 、 能量 守 恒 方 程 以 及 双 方程 ， 两相 的速度 和 温 度通 过 相 间力 和 热传递项 产 生 联 系 其 方程 如 下 景 。 ， 。 。 · 。 。 二 成一 甲 。 数 学模 型 模 型假 设 在 建立 多相 流模 型 时本 文 采用 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 结 晶器 液 面设 置 为 自由面 ， 氢 气 完 全 由 自 由表 面逸 出 不 考 虑 结 晶器 内凝 固壳 的存 在 收 稿 日期 刁 于 会香 女 ， 岁 ， 助 教 呱嗯以呜一 叫噜 鸿 一 ，叫 其 中 ， 试妈一 叭 为 渭相 之 间 必 的 相 间 传 输 ， 。 ， 叨 · 计 算 条 件 边 界条件 ①模 型 的人 口 设 在 浸 人式水 口 的人 口 处 ， 其速度值根据人 口 与 出 口 的质量 守恒 计算得 出 ， 温度 ②模 型 的 出 口 设在结 晶器 下 方 的 出 口 处 ， 采 用 质量 边 界 条 件 ， 即 出 口 处 与人 口 处 质量 守恒 ③模 型 的壁 面设 为达 到但 不 包括糊 状 区 的位 置 ， 即壁 面处 的温度设 为恒定 的温 度 壁 面采 用 无 滑 移 边 界 条 件 其 他参数 计算所用 工 艺参数 为 板 坯 断 面尺 寸 ， 拉坯速度 ， 水 口 侧孔 倾 角 一 ， 水 口 浸 人深 度 ， 氢气 泡 直径 ， 水 口 人 口 处 的含 气率 钢 水 和氢气 的物 理参数见 表 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．03．032