1、 鋼水凝固過程數值模擬 摘要：連鑄過程是一個包含流動、傳熱、凝固等復雜現象的綜合過程。由于進入結晶器的高溫鋼液具有很大的動能，在凝固殼包圍的液態金屬中存在強烈的湍流流動，這種流動對卷渣、卷氣、液穴的形成以及結晶器中溫度分布、凝固傳熱和凝固厚度分布的均勻性都有重要影響關鍵字：液態成型；數值仿真；鑄造Abstract: Continuous casting process is a complex phenomenon such as flow, heat transfer and solidification of the composite process. Due to the h

2、igh temperature of mould liquid steel has great momentum, the existing in the liquid metal solidification shell surrounded by strong turbulent flow, the flow volume of slag, gas, liquid hole and the formation of the temperature distribution in crystallizer, the uniformity of solidification heat tran

3、sfer and solidification thickness distribution have important influenceKey words: liquid molding; The numerical simulation. Casting一 問題描述結晶器內鋼液的流動特性不僅關系到結晶器的傳熱和夾雜物的上浮,而且還與鑄坯裂紋、皺皮、偏析等表面及內部質量有著非常密切的關系。因此，開展連鑄機結晶器內鋼水流場和溫度場以及凝固過程的研究就顯得尤為重要。隨著連鑄技術的發展，對結晶器內的流動過程和優化設計研究受到重視目前研究方法主要是通過水模實驗和數值模擬。本文針對某廠連鑄機的生產

4、現狀，利用數值模擬的方法,采用Fluent軟件模擬此連鑄機結晶器內鋼液的三維流場、溫度場與凝固現象,重點分析不同形狀水口對結晶器內流場、溫度場以及凝固厚度的影響，揭示物理現象，為優化浸入式水口結構參數提供理論依據。二 模擬方法1 基本假設 鋼液自水口流入結晶器，結晶器內通冷卻水進行冷卻，鋼液經強烈對流冷卻和輻射換熱逐步形成凝固坯殼，最終凝固的錠坯在出口以恒定拉速拉出。整個計算過程基于以下假設： a.結晶器內的流動為穩態； b.結晶器內鋼液為不可壓縮牛頓流體，物性參數為常數； c.忽略結晶器壁振動對流動的影響； d.相變潛熱遠小于凝固潛熱，忽略金屬固態相變的影響。2 基本方程  式子中

5、 結晶器內連鑄坯彈塑性變形伴隨有較大的溫度變化在建立其本構方程時應考慮溫度的影響因此總應變增量可表示為 方程右邊分別為彈性應變量材料性能隨溫度變化引起的應變增量塑性應變量及熱應變量將各應變量相應關系式代入可得坯殼應力應變的本構方程。 3 參數確定及邊界條件1） 參數的確定鋼液熱焓H與溫度T 的關系如下 導熱系數: k = 13.86+1.113×10T, J/(m .s .)密度: 液相= 7.1×103kg/m3 固相= 7.4×10kg/m熱膨脹系數: = 0.435+0.762×10 T ×10 , K 泊松比: = 0.278+8.23

6、×10 T2） 邊界條件t = 0, T = T0, q = q , q = q。式中T0 為澆注溫度, q 為寬邊熱流密度, q 為寬邊初始熱流密度, q 為窄邊熱流密度, q 為窄邊初始熱流密度。 式中，q由寬邊熱流密度函數與寬邊熱收縮量共同確定，q由窄邊熱流密度函數與窄邊熱收縮量共同確定，F為施加于凝固前沿的鋼水靜壓力，為鋼液密度，h = vt為距離液面高度，由拉速v及時間t確定，由結晶器銅板溫度測量結果, 根據數學模型可以計算出結晶器壁的熱流量沿拉坯方向的分布。三 模擬結果由于入口界面面積有差異，結晶器的入口速度有所差別。流線圖、對稱面上的速度矢量分布圖以及不同截面的溫度和液

7、體分數等值線圖用于說明流場、溫度場以及凝固的狀態。當鋼液由水口澆鑄后，以射流的方式進行運動。由水口澆鑄出來的鋼液大部分沖擊到結晶器窄面，遇到壁面后流向發生變化，一小部分鋼液向上運動到達頂部后流向水口形成上部回流區，這個回流對彎月面的波動產生影響，同時也對保護渣的熔化起決定作用。另一部分鋼液向下旋轉后，為主流股，此流股對夾雜物的上浮、結晶器下端以及二冷段的結晶組織產生直接影響，強度隨著向下距離的延伸而減弱；該流股又出現了兩個分支，其中一部分鋼液直接沖擊到結晶器出口處，而還有一部分鋼液出現漩渦卷吸。相比較兩種類型發現，漩渦發生的位置不相同，下部漩渦區較大，經過漩渦后向下流動的流股更傾向于流向對稱面

8、而較遠離結晶器窄面。這是由于SEN2水口的側孔面積較小，鋼液流出的速度較大，則流股對結晶器窄面的沖擊力和沖擊深度較大，貼近窄面的流體經過窄面約束后折返角度更大。結晶器內上部循環區較大，這有利于液面穩定。但是，從圖8矢量圖中也可以看出，SEN2由于水口出口速度增大，加劇了液面的波動及漩渦，增加了液面卷渣的可能性；同時沖擊深度和沖擊力的過度增加，會導致結晶器鋼液內夾雜物的上浮更加困難，不利于結晶器窄邊的初始凝固坯殼的生長。四 結論本文針對兩種不同水口類型的結晶器進行了流場、溫度場和凝固進行了模擬。結果表明：鋼液從水口出口處噴出，其撞擊到結晶器側壁的沖擊位置與水口類型相關，沿水口出流方向，鋼水分離形成上下兩股，并分別發展成兩個回流；對于相同斷面不同類型的水口，在圓形水口（SEN1）附近，溫度分布比較均勻，流場混合充分，在計算區域的出口處凝固要好于方形水口（SEN2）。模擬結果對于優化設計連鑄機具有幫助意義。五 參考文獻 1 于會香，張炯明，王萬軍等. 板坯