水口結(jié)構(gòu)對(duì)板坯連鑄結(jié)晶器流場(chǎng)的影響

馮 巍，張 開(kāi)，方 磊，吳偉勤，劉天宇，雷 洪

（1.南京鋼鐵股份有限公司第一煉鋼廠，江蘇 南京 210035；2.東北大學(xué)材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110004；3.東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110004；4.南京鋼鐵股份有限公司板材事業(yè)部，江蘇 南京 210035）

連鑄是現(xiàn)代煉鋼生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而結(jié)晶器是連鑄機(jī)的核心設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和已有研究表明，不合理的結(jié)晶器流場(chǎng)，可能導(dǎo)致鋼液表面流速太大從而引起卷渣或者沖擊凝固坯殼速度過(guò)大導(dǎo)致凝固坯殼過(guò)薄甚至造成漏鋼事故。因此結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)優(yōu)化一直受到廣大連鑄工作的研究重點(diǎn)[1-5]。伴隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為冶金學(xué)者研究連鑄機(jī)內(nèi)傳輸過(guò)程的必要手段[3-5]。針對(duì)南鋼煉鋼廠的生產(chǎn)實(shí)際，本研究采用數(shù)值模擬手段研究了浸入式水口結(jié)構(gòu)、結(jié)晶器的寬度和鑄坯拉速對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的影響，為板坯連鑄生產(chǎn)控制提供理論指導(dǎo)。

1 流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

（1）結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)為單相不可壓縮的牛頓流體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；

（2）鋼液的物性參數(shù)均為常量；

（3）因?yàn)殇撘褐袏A雜物很低，因此其對(duì)鋼液流動(dòng)的影響可以忽略不計(jì)；

（4）忽略結(jié)晶器振動(dòng)及鋼液表面保護(hù)渣對(duì)鋼液流動(dòng)的影響，認(rèn)為結(jié)晶器液面是平的；

（5）忽略凝固坯殼和結(jié)晶器內(nèi)壁的傾斜效果。

1.2 控制方程

結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)可以采用連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程[4-6]來(lái)確定。

連續(xù)性方程

式中：ρ為鋼液密度，kg/m3；v為鋼液速度，m/s；x為坐標(biāo)；

動(dòng)量守恒方程：

式中：p為鋼液壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；μeff為鋼液的有效黏度。基中，有效黏度由k-ε雙方程湍流模擬確定。

2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

考慮到連鑄結(jié)晶器的對(duì)稱性，計(jì)算區(qū)域可以只取鑄坯的1/4，從而大幅度地減少網(wǎng)格數(shù)量，有效地減少了計(jì)算耗時(shí)。

2.1 結(jié)晶器壁面和水口壁面

垂直于壁面的法向速度分量設(shè)為零，平行于壁面的壓力、速度、湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率采用無(wú)滑移邊界，在近壁面位置采用壁面函數(shù)。

2.2 水口入口

根據(jù)進(jìn)出口流量守恒，結(jié)晶器入口速度可下面的公式來(lái)確定：

式中：vin為浸入式水口進(jìn)口速度，m/s；vpull為拉坯速度，m/s；smold和ssen分別為結(jié)晶器出口截面面積和浸入式水口進(jìn)口處截面面積，m2。

2.3 對(duì)稱面

垂直于對(duì)稱面的速度分量設(shè)為零，其他的所有物理量沿稱面的法線方向的梯度皆為零。

2.4 自由液面

在自由液面采用滑移邊界條件，即垂直于自由液面的速度分量設(shè)為零，其他的所有物理量沿稱面的法線方向的梯度皆為零。

2.5 出 口

所有物理量沿出口的法線方向的梯度皆為零。

3 計(jì)算方法

圖1表明計(jì)算域?yàn)殍T坯體積的1/4，相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

計(jì)算域區(qū)域的剖分采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.9。采用有限容積法將偏微分方程離散成差分方程，速度和壓力的耦合計(jì)算采用SIMPLE 算法，每個(gè)計(jì)算方案需要迭代約5 000～6 000步才能得到收斂解。模擬計(jì)算的收斂判斷標(biāo)準(zhǔn)為各變量的殘差小于10-7和進(jìn)出口流量小于1%。

圖1 結(jié)晶器計(jì)算區(qū)域

表1 模型的物理參數(shù)

4 結(jié)果與討論

4.1 浸入式水口結(jié)構(gòu)

圖2是浸入式水口的底部結(jié)構(gòu)示意圖。浸入式水口底部可采用凹底、平底及尖底三種結(jié)構(gòu)。在這三種水口入口處，鋼液速度皆為1.72 m/s，入口截面積完全相同，出口的截面亦相同，唯一不同的是底部形狀。

圖3是不同水口下結(jié)晶器流場(chǎng)示意圖。圖3表明，雖然浸入式水口底部結(jié)構(gòu)不同，但是結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)十分相似。鋼液垂直進(jìn)入浸入式水口后，直線沖擊水口底部，而后分為左右兩股流出浸入式水口；從浸入式水口流出的鋼液以射流方式?jīng)_擊結(jié)晶器窄面后分成兩個(gè)上下兩個(gè)流股。其中一個(gè)流股沿窄面向上達(dá)到液面后轉(zhuǎn)而沿液面向水口流動(dòng)，最后形成上部回流區(qū)；另一個(gè)流股沿窄面向下流動(dòng)，到達(dá)一定深度后，部分流體轉(zhuǎn)變流動(dòng)方向形成下部回流區(qū)，部分流體則繼續(xù)下行。

4.2 結(jié)晶器寬度

圖4是不同結(jié)晶器寬度下結(jié)晶器流場(chǎng)示意圖。圖4（a）表明，當(dāng)結(jié)晶器寬度為1 200 mm時(shí)，上部回流和下部回流流經(jīng)的區(qū)域均較小。上部回流區(qū)的渦心距自由液面450 mm，距窄面中心對(duì)稱面300 mm；下部回流區(qū)的渦心距自由表面1 500 mm，距窄面中心對(duì)稱面300 mm。圖4（b）表示結(jié)晶器寬度為2 070 mm 時(shí)流場(chǎng)的上部回流區(qū)形狀與圖4（a）相似，區(qū)別在于上部回流和下部回流流經(jīng)的區(qū)域較大。上部回流區(qū)的渦心距自由液面900 mm，距窄面中心對(duì)稱面520 mm；下部回流區(qū)的渦心距自由表面3 000 mm，距窄面中心對(duì)稱面520 mm。圖4（b）還表明，出口處出現(xiàn)了部分流體回流的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谙嗤牧髁肯拢Y(jié)晶器寬度越大，沖擊窄面的動(dòng)能越小，下部回旋區(qū)就越大。

圖2 浸入式水口的底部結(jié)構(gòu)

圖3 不同水口下結(jié)晶器流場(chǎng)

圖4 不同結(jié)晶器寬度下結(jié)晶器流場(chǎng)

4.3 浸入式水口結(jié)構(gòu)的影響

圖5是不同的浸入式水口結(jié)構(gòu)對(duì)液面速度分布的影響圖。圖5給出了水口和液面的水平速度。水口和結(jié)晶器液面被浸入式水口耐火材料隔開(kāi)，因此圖5中的速度分為左右兩段。在浸入式水口內(nèi)，鋼液速度沿水口軸線方向，因此鋼液的水平速度接近于零。鋼液速度在液面的分布是不均勻的，速度的分布呈現(xiàn)“拋物線”的形狀。不同的浸入式水口結(jié)構(gòu)，其液面速度的分布基本一致，區(qū)別在于鋼液速度最大值及其出現(xiàn)位置略有不同。當(dāng)采用尖底水口時(shí)，在距水口距離為0.47 m 處，液面速度出現(xiàn)最大值0.36 m/s；當(dāng)采用凹底水口時(shí)，在距水口距離0.45 m 處遠(yuǎn)，液面速度達(dá)到最大值0.34 m/s。這是因?yàn)椴煌乃诘撞拷Y(jié)構(gòu)會(huì)造成鋼液不同的動(dòng)能損失。當(dāng)水口底部結(jié)構(gòu)采用凹面時(shí)，鋼液損失的動(dòng)能最多，液面速度較小，液面穩(wěn)定，不易發(fā)生卷渣；當(dāng)采用斜面水口時(shí)，液面速度較大，有利于化渣。

圖6是不同浸入式水口對(duì)窄面沖擊點(diǎn)的影響圖。圖6表明，在不同底部結(jié)構(gòu)的浸入式水口下，鋼液沖擊窄面位置基本相同并且流體在窄面的速度分布也相似。從浸入式水口流出的鋼液高速地沖向位于液面下0.47 m 處的窄面位置，沿窄面上行的流體在距自由液面0.28 m處速度達(dá)到最大值，然后減速流向自由液面；沿窄面向下行的流體在距鋼液表面0.79 m處流體速度達(dá)到最大值，然后減速流向出口。

圖5 不同的浸入式水口結(jié)構(gòu)對(duì)液面速度分布的影響

圖6 不同浸入式水口對(duì)窄面沖擊點(diǎn)的影響

4.4 鑄坯拉速的影響

圖7是采用尖底底部結(jié)構(gòu)水口時(shí)不同拉坯速度下的結(jié)晶器液面速度圖。圖7表明不同的拉速下，自由液面處鋼液速度分布相似，但是鋼液速度值呈現(xiàn)較大差異。拉坯速度越大，鋼液液面速度峰值越大，且峰值均出現(xiàn)在距水口距離0.45 m 處。當(dāng)拉速為1.4 m/min 時(shí)，其速度最大值為0.42 m/s；拉速為1.2 m/min時(shí)，其速度最大值為0.29 m/min，相差0.13 m/min。因此拉速越大，自由液面速度波動(dòng)越劇烈，卷渣越容易發(fā)生。

圖7 鑄坯拉速對(duì)液面速度分布的影響

圖8 鑄坯拉速對(duì)窄面沖擊點(diǎn)的影響

圖8是采用尖底底部結(jié)構(gòu)水口時(shí)不同拉坯速度下的沿結(jié)晶器窄面的鋼液速度。在不同的拉速下，鋼液流股沖擊到窄面位置基本相同，皆為0.47 m；但是鋼液流股沿窄面向上和向下流動(dòng)時(shí)流體速度最大值不同。拉速為1.4 m/min時(shí)，鋼液向上流動(dòng)速度最大值為0.21 m/s，向下流動(dòng)速度最大值為0.28 m/s；拉速為1.2 m/min時(shí)，鋼液向上流動(dòng)速度最大值為0.18 m/s，向下流動(dòng)速度最大值為0.24 m/s。因此拉速越大，鋼液的沖擊深度越大，越容易產(chǎn)生漏鋼事故。

5 結(jié) 論

（1）不同的浸入式水口（凹底、平底和尖底）下，結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)相似，流體從浸入式水口流出后沖擊計(jì)算域窄面，形成兩個(gè)流股，上升流股達(dá)到自由液面后在結(jié)晶器上部形成上部回流區(qū)，下降流股下結(jié)晶器下部形成下部回流區(qū)。

（2）結(jié)晶器寬度為1 200 mm 時(shí)，上部和下部的回流區(qū)范圍較??；結(jié)晶器寬度為2 070 mm 時(shí)，上部和下部的回流區(qū)較大。

（3）雖然浸入式水口底部結(jié)構(gòu)（凹底、平底和尖底）不同，但是液面的速度分布基本相似，都呈現(xiàn)“拋物狀”形狀，但是凹底水口導(dǎo)致液面流速最小，平底次之，尖底最大。不同浸入式水口下鋼液流股在窄面的沖擊點(diǎn)位置相同。

（4）在不同的拉坯速度下，結(jié)晶器液面速度的分布相似；隨著拉坯速度的逐漸增大，結(jié)晶器液面速度逐漸增大，但是鋼液流股沖擊窄面的位置保持不變。