D0I:10.13374/i.issm1001053x.2002.06.005 第24卷第6期 北京科技大学学报 Vol.24 No.6 2002年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2002 反向凝固器内伴随固液相变的湍流流动 与传热的数值分析 冯妍卉》张欣欣”王新华)许中波) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京科技大学治金工程学院，北京100083 摘要针对F©-C二元合金，建立了描述反向凝固器内伴随相变的湍流流动和传热过程的 二维稳态数学模型.应用连续统一方程模拟固液相变过程，并假设两相区为疏松介质，对其中 的流动应用Darcy法则.湍流现象则通过Launder-Sharma的心一e双方程低雷诺数修正模型描述. 采用Simple算法对凝固器内的速度场和温度场进行了模拟计算，并讨论了母带的厚度、入口温 度和补充钢液的过热度等操作参数对相变过程的影响.分析表明母带停留时间是影响新生相 生长的关键参数，即反向凝固器高度与母带拉速的比值应控制在一定的范围内 关键词反向凝固；固液相变；湍流流动；数值模拟；停留时间 分类号TG383 反向凝固属于近终形连铸技术，适合生产 0.5~3mm的薄带，是一种成本低、效益高、能生 热轧 ● ● 产复合薄带的新概念工艺凹，该工艺的关键设备 oa. 之一是反向凝固器.连铸过程中，反向凝固器内 m●心带●雕 存在着带有相变的热量、动量和质量的传递，这 】反向凝固器 冷轧 些传递过程对凝固后薄板材的组织结构、成分 中母带 I重新投入使用/ 分布以及缺陷形成起着决定性的作用，并最终 钢液 产出 影响产品质量和生产成本.定量地研究传递过 程的本质，是反向凝固技术开发的基础. 緲 本文以描述二元合金相变传热过程的连续 图1反向凝固工艺流程图 统一方程为基础，建立了反向凝固器内钢液 Fig.1 Process of inverse casting 湍流流动与相变传热的二维数学模型.假设两 相区为疏松介质，对其中的流动应用Darcy法 出传递过程的物理本质，考虑到母带的厚度远 则2-；湍流现象通过Launder--Sharma的k一e双方 小于其宽度，将反向凝固器简化为二维对称体 程低雷诺数修正模型来描述.采用Simple算 系，其1/2体系如图2所示.设定生产过程是连 法对凝固器内的速度分布、温度分布以及新生 续稳定的，母带的初始厚度2l和移动速度均 相的生长进行了模拟计算.此外，本文还对影响 为常数，新生相的出口厚度2弘以及在凝固器内 凝固过程的主要操作参数进行了计算和讨论 的相界面均为解的一部分，与速度场、温度场耦 合求解.为保持凝固器内的质量守衡，恒温T的 1物理和数学模型 补充钢液由凝固器侧壁连续注入凝固器内，入 1.1物理模型 口速度4为解的一部分. 反向凝固技术的工艺流程参见图1.为了突 从反向凝固工艺生产实际过程来看，母带 自下而上通过反向凝固器的运动以及反向凝固 收稿日期2001-11-26冯妍卉女，27岁，讲师，博士 器侧上部钢水的注入将强制钢液流动，热浮升 *国家自然科学基金资助项目(N0.59634130) 力和溶质浮升力将驱动自然对流，使得凝固器第 2 4卷 第 6 期 2 0 0 2 年 1 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s iyt o f S e i e n e e a n d eT e h n o l o gy B e ij i n g M 〕 1 . 2 4 N o . 6 D e e . 2 0 0 2 反 向凝 固器 内伴 随固液相变 的湍流流动 与传热的数值分析 冯妍卉 ” 张欣欣 ` , 王 新华 2 , 许 中波 ” 1) 北京科技大学机械工程学院 , 北京 10 0 0 83 2 ) J 匕京科技大学冶金工程学 院 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 针对 eF 一c 二元合金 , 建立 了描 述反 向凝固器 内伴随相 变的湍 流流 动和传热过程 的 二维稳 态数学模 型 . 应 用连 续统一 方程 模拟 固液相 变过 程 , 并 假设两相 区 为疏 松介质 , 对其 中 的流动 应用 D ar cy 法则 . 湍流现 象则通 过 L au dn er 一 hs ~ a 的一双方 程低雷诺数修正模型描述 . 采用 iS m lP e 算 法对凝固器 内的速度 场和 温度场 进行 了模拟计算 , 并讨论了母带 的厚 度 、 入 口 温 度 和补 充钢 液 的过 热度 等操作 参数 对相 变过程 的影 响 . 分析 表 明母带停留时 间是影 响新生 相 生 长 的关键参数 , 即反 向凝 固器 高度 与母带 拉速 的 比值 应控 制在 一定 的范 围内 . 关键词 反 向凝固 ; 固液相 变; 湍 流流动 ; 数值模拟 ; 停 留时间 分类号 T G 3 8 3 反 向凝 固属 于 近终形 连铸技术 , 适合生产 0 . 5 一 3 m m 的薄带 , 是一种成本低 、 效益高 、 能生 产复合 薄带 的新概念工艺 「l] , 该工艺 的关键设备 之一是反 向凝 固器 . 连铸过程 中 , 反 向凝 固器 内 存在着带有相变的 热量 、 动量和 质量 的传递 , 这 些 传递 过程对凝 固后薄板材 的组 织结构 、 成 分 分布 以 及缺 陷形成起着决定性 的作 用 , 并最终 影 响产 品质 量和 生产成本 . 定量地研究传递过 程 的本质 , 是反 向凝 固技术开发 的基础 . 本文 以描述二元合 金相 变传 热过程 的连续 统一方程 「2 , 3 ,为基础 , 建立 了反 向凝 固器 内钢液 湍流 流 动与相变传 热的二维数学模型 . 假 设两 相区 为疏松介质 , 对其 中的流动应 用 D 盯cy 法 则 『2闷 , ; 湍流现象通过 L ~ de r 一 s ha mr a 的 ~ 双方 程低雷诺数修正模 型 `州来 描述 . 采用 is mP le 算 法对凝 固器 内的速度分 布 、 温度分布 以及新 生 相 的生 长进行 了模拟计算 . 此外 , 本文还对影 响 凝 固过 程的主要操作参数进行 了 计算和 讨论 . 图 1 反 向凝 固工艺 流程 图 F i g . 1 P r o e e s s o f in v e r s e e a s t in g 1 物理和数学模型 L l 物 理模型 反 向凝 固技术 的工艺流程参见 图 1 . 为 了 突 收稿 日期 2 0 01 一 1 佗 6 冯妍 卉 女 , 27 岁 ,讲师 , 博士 * 国家 自然科学基 金资 助项 目困认 5 96 3 41 3 0) 出传递过程 的 物理本质 , 考虑 到母 带 的厚度远 小于 其宽度 , 将反 向凝 固器 简化为二维对称体 系 , 其 12/ 体系 如 图 2 所示 . 设 定生产过程是连 续稳定 的 , 母 带的 初始厚度 21 , 和 移动速度 v0 均 为常数 , 新 生相的 出 口 厚度 2 10 以 及在凝 固器 内 的相界 面均为解 的一部分 , 与速度场 、 温度场祸 合求解 . 为保持凝 固器 内的 质量守衡 , 恒温 界的 补 充钢液 由凝 固器侧壁 连续 注人凝 固器 内 , 人 口 速度 u , 为解 的一部分 . 从反 向凝 固 工艺生产实际过程来看 , 母带 自下 而上通过反 向凝 固器 的运动 以及反向凝 固 器侧上部钢水 的 注 人将强 制钢液 流动 , 热 浮升 力和 溶质浮 升力将 驱动 自然对流 , 使得凝 固器 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 06. 005