水口浸入深度對H型坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動特性的影響①

阮 飛 趙鳳光 富曉陽 楊吉春 張捷宇

(1：內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭014010；2：上海大學(xué)上海市現(xiàn)代冶金與材料制備重點實驗室 上海200072)

·設(shè)計與研究·

水口浸入深度對H型坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動特性的影響①

阮 飛②1趙鳳光1富曉陽1楊吉春1張捷宇2

(1：內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭014010；2：上海大學(xué)上海市現(xiàn)代冶金與材料制備重點實驗室 上海200072)

以H型坯連鑄結(jié)晶器為研究對象，采用FLUENT軟件建立三維幾何模型，模擬研究了水口浸入深度對結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動特性的影響，結(jié)果表明，隨著水口浸入深度的增加鋼液流股沖擊深度明顯增大，渦心深度有變深趨勢，結(jié)晶器自由液面波動減小，鋼水對結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼的沖刷有增大趨勢，各粒徑夾雜物去除率顯著降低。該模擬條件下20μm～100μm夾雜物上浮去除率約在4%～10%之間。

H型坯連鑄 浸入式水口 結(jié)晶器 流動特性

1 前言

結(jié)晶器是連鑄機(jī)的核心部件之一，結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動狀態(tài)直接影響連鑄過程的穩(wěn)定性和連鑄坯最終質(zhì)量。合理的結(jié)晶器流場能夠促進(jìn)夾雜物上浮去除、減輕結(jié)晶器液面波動、促進(jìn)保護(hù)渣熔化、改善結(jié)晶器傳熱和潤滑等性能[1]，進(jìn)而提高鑄坯質(zhì)量，因此研究結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動行為對連鑄過程至關(guān)重要，特別是對于控制難度大的H型坯連鑄更是如此。與傳統(tǒng)連鑄結(jié)晶器相比，H型坯連鑄結(jié)晶器除斷面形狀復(fù)雜外，最大的特點在于結(jié)晶器內(nèi)一般都采用兩支浸入式水口澆鑄，因此H型坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動行為與傳統(tǒng)連鑄存在較大的差異。

目前國內(nèi)外對于傳統(tǒng)連鑄結(jié)晶器鋼液流動特性的研究較多且已經(jīng)比較成熟[2-8]，而對于H型坯連鑄結(jié)晶器研究相對較少[9-11]，此外由于各企業(yè)結(jié)晶器斷面尺寸及工藝參數(shù)不盡相同，使得許多的研究結(jié)果缺乏普遍適用性。為滿足某鋼廠實際生產(chǎn)需要，針對該廠三機(jī)三流H型坯鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動特性開展計算流體力學(xué)研究，從多個角度系統(tǒng)分析了直筒型浸入式水口浸入深度對結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動特性的影響，為H型坯連鑄領(lǐng)域科研及生產(chǎn)實踐提供參考。

2 研究方法及方案

2.1 計算模型

圖1 H型坯連鑄結(jié)晶器實物及模型示意圖

該結(jié)晶器橫斷面基本尺寸為：長555mm，寬444mm。結(jié)晶器有效長度700mm，實際生產(chǎn)過程中采用2支直筒型浸入式水口澆鑄，水口內(nèi)徑24mm，由于結(jié)晶器斷面結(jié)構(gòu)對稱，為了盡量減小計算區(qū)域，以細(xì)化網(wǎng)格得到較高精度的計算結(jié)果，計算區(qū)域只取原結(jié)晶器模型的1/4，而為了改善計算過程的收斂性，計算得到充分發(fā)展的流場，計算中將結(jié)晶器延長為原長的2倍。

2.2 基本假設(shè)

1)忽略保護(hù)渣對鋼水流動的影響。

2)鋼液視為不可壓縮牛頓流體。

3)結(jié)晶器壁面視為無穿透無滑移邊界。

4)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動視為等溫流動。

5)忽略初生坯殼對鋼液流動的影響。

2.3 基本控制方程

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

湍流方程：

(3)

(4)

式中 ρ—鋼液密度，kg/m3； ui，uj—i和j方向的速度，m/s； xi，xj—i和j方向的坐標(biāo)值，m； P—壓力，Pa； μeff—有效粘度系數(shù)，Pa·s； μt—湍流粘度系數(shù)，Pa·s； μl—層流粘度系數(shù)，Pa·s； k—湍動能，m2/s2； ε—湍動耗散率，m2/s3； Gk—速度梯度產(chǎn)生的湍動能，kg·m-1·s-3； C1，C2，Cμ，Ck，Cε—經(jīng)驗常數(shù)。

此外在計算示蹤劑擴(kuò)散及夾雜物運動中還涉及到質(zhì)量傳輸及離散相傳輸控制方程[12-14]。

2.4 研究方案

主要研究拉速為1.0m/min條件下，直筒型浸入式水口浸入深度對結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動特性的影響，主要考察指標(biāo)包括結(jié)晶器內(nèi)鋼液流股沖擊深度、渦心深度、液面波動、結(jié)晶器響應(yīng)時間、夾雜物上浮去除率，研究方案如表1所示。

表1 研究方案

2.5 計算步驟及主要參數(shù)

利用Gambit2.4.6建立結(jié)晶器三維幾何模型，并對所建立的幾何模型劃分四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格基本尺寸為6mm，關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，以提高求解精度，體網(wǎng)格數(shù)量控制在120萬左右，網(wǎng)格扭曲度小于0.8。將網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT6.3.26中設(shè)置物理模型及邊界條件，結(jié)晶器入口速度ν=2.49m/s，湍流強(qiáng)度I=4.1%，出口壓力P=1.01×105Pa，所澆鑄鋼種為Q235B，鋼液密度ρ=7080kg/m3，粘度μ=5.5×10-3kg/(m·s)，擴(kuò)散系數(shù)D=1.1×10-8m2/s。流場計算采用SIMPLE算法，收斂標(biāo)準(zhǔn)為各控制方程殘差小于1.0×10-4，且出口流量基本穩(wěn)定，先計算得到穩(wěn)態(tài)流場，在此基礎(chǔ)上計算示蹤劑擴(kuò)散及夾雜物運動。

3 結(jié)果分析及討論

3.1 水口浸入深度對流股沖擊深度的影響

以結(jié)晶器xz截面上自由液面到結(jié)晶器內(nèi)鋼液流速衰減為水口入口速度的20%時所對應(yīng)的速度等值線最低點之間的垂直距離來衡量鋼水流股沖擊深度，如圖2所示。

圖2 流股沖擊深度示意圖

不同方案流股沖擊深度如圖3所示，在浸入深度為25mm～175mm范圍內(nèi)，隨著浸入深度的增加，鋼液流股沖擊深度明顯增大，浸入深度為25mm時，流股沖擊深度約為619mm，而浸入深度為175mm時鋼液流股沖擊深度可達(dá)774mm。流股沖擊深度對連鑄過程有非常重要的影響，如果鋼液流股沖擊深度太大容易導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)夾雜物上浮困難、高溫區(qū)下移、結(jié)晶器保護(hù)渣熔化困難、鋼液流股對初生坯殼沖刷嚴(yán)重等問題。

圖3 水口浸入深度對鋼液流股沖擊深度的影響

3.2 水口浸入深度對渦心深度的影響

渦心深度是指結(jié)晶器xz截面上渦流中心到自由液面之間的距離，如圖4所示。

圖4 結(jié)晶器內(nèi)渦心深度示意圖

各方案下渦心深度如圖5所示，可以看出，隨著水口浸入深度的增加，渦心深度有變深趨勢，浸入深度為25mm時，渦心深度為442mm，而水口浸入深度為175mm時，渦心深度達(dá)到554mm，浸入深度每增加50mm，渦心深度約增大37mm。連鑄過程中結(jié)晶器內(nèi)渦心深度太淺容易引起劇烈的液面波動及鋼液吸氣卷渣和二次氧化，而渦心深度如果太深易導(dǎo)致結(jié)晶器保護(hù)渣熔化困難，結(jié)晶器潤滑及導(dǎo)熱性能變差等問題。

圖5 水口浸入深度對渦心深度的影響

3.3 水口浸入深度對液面波動的影響

以結(jié)晶器自由液面處湍動能值衡量液面波動程度，湍動能越大認(rèn)為液面波動越劇烈，湍動能依據(jù)(5)和(6)式確定[14]：

(5)

(6)

不同水口浸入深度下自由液面處沿翼板中心線方向上湍動能如圖6所示。

圖6 水口浸入深度對自由液面湍動能的影響

由圖6可知，隨著水口浸入深度增大，結(jié)晶器自由液面處沿翼板中心線方向上各點湍動能值逐漸減小，即液面波動程度逐漸減小。水口浸入深度為175mm時液面波動最小，而浸入深度為25mm時液面波動明顯大于其它方案。為了更加客觀和全面的比較不同方案下液面波動，以各方案下結(jié)晶器自由液面平面上湍動能最大值衡量自由液面波動，如圖7所示。

圖7 水口浸入深度對自由液面湍動能最大值的影響

可以看出，隨著水口浸入深度的增加，結(jié)晶器自由液面處湍動能最大值有明顯的降低趨勢，由此可見，隨著水口浸入深度的增加，結(jié)晶器內(nèi)自由液面波動有減小趨勢。而實際生產(chǎn)過程中，如果水口浸入深度太小，液面波動劇烈，容易引起鋼水卷渣、吸氣及二次氧化；而相反，如果水口浸入深度太大，自由液面不夠活躍，則容易導(dǎo)致結(jié)晶器上部熱量不足，保護(hù)渣熔化困難，影響結(jié)晶器潤滑及傳熱效果，鑄坯容易產(chǎn)生裂紋，甚至發(fā)生拉漏事故。

3.4 水口浸入深度對結(jié)晶器響應(yīng)時間的影響

基于刺激響應(yīng)原理，在水口入口處加入與鋼液基本物性相同的示蹤劑，在結(jié)晶器下部出口處監(jiān)測出口平面上示蹤劑平均濃度，得到示蹤劑濃度分布曲線(RTD曲線)，如圖8所示。

圖8 結(jié)晶器出口處示蹤劑濃度分布曲線

利用RTD曲線計算得出結(jié)晶器響應(yīng)時間(tResponse)，結(jié)晶器響應(yīng)時間是指從示蹤劑加入水口到結(jié)晶器出口示蹤劑平均濃度達(dá)到峰值所經(jīng)歷的時間，計算方法如圖8所示。而利用響應(yīng)時間可以研究結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動混合狀況，此外響應(yīng)時間還可以衡量鋼水對凝固坯殼的沖刷作用大小[10]，可以近似認(rèn)為響應(yīng)時間越短，鋼水對結(jié)晶器下部凝固坯殼沖刷越嚴(yán)重。各方案下的結(jié)晶器響應(yīng)時間如圖9所示。

圖9 水口浸入深度對結(jié)晶器響應(yīng)時間的影響

可以看出，隨著水口浸入深度的增大，結(jié)晶器響應(yīng)時間逐漸減小，浸入深度為25mm時響應(yīng)時間為1.21s，而浸入深度為175mm時響應(yīng)時間僅為0.78s，這主要是因為浸入深度增加，鋼液以較大速度到達(dá)結(jié)晶器下部區(qū)域，使得該區(qū)域內(nèi)鋼液更新速率增加，故結(jié)晶器出口處示蹤劑達(dá)到峰值時間縮短，由此可知，采用直筒型水口澆鑄過程中，隨著水口浸入深度的增加，鋼水對凝固坯殼的沖刷有增大趨勢。

3.5 水口浸入深度對夾雜物去除率的影響

采用隨機(jī)游走模型模擬夾雜物運動，該模型的優(yōu)點在于能夠同時考慮連續(xù)相時均速度和脈動速度對夾雜物運動的影響，計算得到的典型夾雜物跡線圖如圖10所示。

圖10 典型夾雜物運動跡線圖

可看出夾雜物運動軌跡既體現(xiàn)出連續(xù)相運動特征，也體現(xiàn)了由連續(xù)相脈動速度引起的夾雜物擴(kuò)散運動特征，使用該模型進(jìn)行足夠多次迭代計算，即可反映出鋼液湍流流動對夾雜物的影響的統(tǒng)計學(xué)規(guī)律，因此該模型能夠比較客觀的反映夾雜物運動規(guī)律。

模擬計算中夾雜物由浸入式水口和鋼液以相同流速注入結(jié)晶器，依據(jù)文獻(xiàn)[15]中鑄坯大樣電解分析結(jié)果估算得出夾雜物質(zhì)量流量約為1.8×10-4kg/s，每種粒徑夾雜物模擬105次，單條軌跡線最大模擬步數(shù)104步，計算得到的各方案下夾雜物上浮去除率如圖11所示。

圖11 水口浸入深度對各粒徑夾雜物去除率的影響

夾雜物粒徑一定，隨著水口浸入深度增大，夾雜物上浮去除率顯著降低，水口浸入深度由25mm增加到175mm，各粒徑夾雜物上浮去除率約降低1%～2%，這主要是由于水口浸入深度增大后，夾雜物上浮到自由液面需要更長的時間，克服更大阻力；而水口浸入深度一定，夾雜物上浮去除率隨粒徑的增大而增大，夾雜物粒徑由20μm增大到100μm，夾雜物上浮去除率約增加4%左右，夾雜物粒徑每增加20μm，夾雜物去除率約增大1%左右，這主要是由于大粒徑夾雜物受到鋼水浮力較大，更容易克服阻力上浮，被結(jié)晶器保護(hù)渣吸收，而顆粒較小的夾雜物所受浮力有限，上浮排除率較低。而總體上講，在本模擬條件下，20μm～100μm夾雜物上浮去除率約在4%～10%之間。

綜上所述，水口浸入深度對不同粒徑的夾雜物去除影響比較明顯，浸入深度太大不利于結(jié)晶器內(nèi)夾雜物的上浮去除，特別是直筒型水口尤為突出，這與其本身結(jié)構(gòu)特點有關(guān)，因此H型坯連鑄生產(chǎn)過程中，有條件的情況下應(yīng)盡量淘汰直筒型水口。

4 結(jié)論

1)隨著水口浸入深度增大，結(jié)晶器內(nèi)鋼液流股沖擊深度明顯增大，且渦心深度有增大趨勢。

2)增大水口浸入深度，結(jié)晶器自由液面湍動能有降低趨勢，結(jié)晶器液面波動減小。

3)隨著水口浸入深度的增大，結(jié)晶器響應(yīng)時間逐漸減小，鋼水對結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼的沖刷程度有增大趨勢。

4)該模擬條件下，20μm～100μm夾雜物上浮去除率約在4%～10%之間，且各粒徑夾雜物去除率隨水口浸入深度增大而顯著降低。

[1]張彩軍，劉濤，王昂，等.矩形坯結(jié)晶器自由液面模擬及水口結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].鋼鐵釩鈦，2014(2)：97-102.

[2]劉智龍，張立華.特厚板坯結(jié)晶器截面尺寸對其流場和溫度場的影響[J].特種鑄造及有色合金， 2014(8)：848-852.

[3]李朗.不同拉速下內(nèi)外復(fù)合冷卻結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場的數(shù)值模擬[J].冶金設(shè)備，2008(5)：5-7.

[4]舒宏富，劉瀏，劉學(xué)華.寬規(guī)格板坯連鑄器浸入式水口的數(shù)值模擬[J].特殊鋼，2013(1)：1-4.

[5]王超，張慧，馬忠偉，等.圓坯結(jié)晶器水口優(yōu)化的模擬研究[J].鋼鐵研究學(xué)報，2014(3)：15-20.

[6]Thomas B G，Mika L J，Najjar F M.Simulation of FluidFlow Inside a Continuous Slab-casting Machine[J]. Met. Trans. B，1990(2)：387-400.

[7]劉綱，朱榮，王暢，等.基于Fluent對水平連鑄結(jié)晶器溫度場分布及傳熱的研究[J].冶金設(shè)備， 2009(1)：29-33.

[8]孫海波，張家泉，王敬慧.水口類型對大方坯結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動與凝固行為的影響[J].鋼鐵研究學(xué)報，2011(2):25-29.

[9]杜艷平，楊建偉，崔小朝，等.異型坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動狀況的三維數(shù)值模擬[J].鋼鐵研究學(xué)報，2002(5)：21-25.

[10]施曉芳，周俐.異型坯連鑄結(jié)晶器水口優(yōu)化的水模研究[J].連鑄，2005(6)：4-9.

[11]李強(qiáng)，王建軍，周俐.異型坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)流動與凝固耦合數(shù)值模擬研究[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007(1):18-21.

[12]沈頤身,李保衛(wèi),吳懋林.冶金傳輸原理基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003：345-466.

[13]賀友多.傳輸理論和計算[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999：104-210.

[14]王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：200-216.

[15]陳偉.H型坯表面裂紋和潔凈度控制研究[D].秦皇島:燕山大學(xué)，2009：24-78.

Influence of Immersion Depth of Mubmersed Nozzle on Molten Steel Flow Characteristic in Mould for H-Beam Blank Continuous Casting

Ruan Fei1Zhao Fengguang1Fu Xiaoyang1Yang Jichun1Zhang Jieyu2

(1:School of Materials and Metallurgy, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010;2:Shanghai Key Laboratory of Modern Metallurgy and Material Processing, Shanghai University, Shanghai 200072)

With H-beam blank continuous casting mould as the research object in this paper, the FLUENT software was adopted to build three dimensional geometry model and simulate the influence of submersed nozzle immersion depth on molten steel flow characteristic in the mould for H-beam blank continuous casting. The results showed that, with the increase of submersed nozzle immersion depth, the jet impacting depth of molten steel increased significantly in the mould, the depth of eddy core showed an increase tendency, the free surface fluctuation decreased in the mould, the scouring effect of molten steel flow on the initial solidified shell had increasing tendency, the removal ratios of inclusion with different particle sizes significantly reduced. Under this simulation condition, the removal ratios of the float on the molten steel surface of inclusion with particle sizes between 20μm to 100μm were about 4%～10% in the mould.

H-beam blank continuous casting Submersed nozzle Mould Flow Characteristic

內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院青年人才孵化器平臺資助項目(2014CY012)

阮飛，男，1985年出生，畢業(yè)于上海大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)，碩士，講師，主要從事冶金過程模型及仿真研究

TF777

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.02.002

2014-11-20)