宽厚板结晶器钢液流动及传热凝固耦合行为数值模拟研究

发布时间：2020-04-19 03:38

【摘要】：结晶器内的钢液流动、传热、凝固间的耦合行为直接影响钢的纯净度、质量以及坯壳内部的形状,因此,研究结晶器内的钢液流动及传热凝固规律,对于获得良好的铸坯质量、提高连铸生产效率以及洁净钢的生产具有重要意义。本文以宽厚板连铸结晶器为研究对象,采用顺序耦合模拟法,建立了钢液流动及传热凝固耦合三维数学模型,钢液流动采用高雷诺数标准k-ε模型,流动及传热凝固耦合采用低雷诺数湍流和凝固熔化模型,为解决两相区内动力源项和潜热源项综合非线性特征对钢液凝固传热的影响,采用FLUENT中二次开发功能将热浮力和凝固潜热源项加载到求解器当中,并选择更加合理的传热边界条件,从而实现结晶器内钢液两相区流热固耦合过程。本文重点研究了水口结构和连铸工艺参数与结晶器钢液流动的联系,探究了钢液流动及传热凝固耦合行为规律。首先通过求解钢液流动方程,分析结晶器内钢液流场特征,考察水口浸入深度、倾角和拉速等参数对流场的作用。结果表明:铸机拉速影响流场整体流速,水口倾斜度影响回流区大小,水口浸入深度影响冲击深度;拉速为1.0m/min,水口深度为140mm～170mm,倾斜度为-15°～-20°时,流场整体流速较为稳定。基于流动行为的研究,然后将收敛的流动方程计算结果作为传热凝固的初始条件,同时加载热浮力和凝固潜热源项,探讨钢液流动及传热凝固耦合行为。结果表明:距结晶器底部600mm传热受钢液流动影响显著,钢液冲击坯壳速度越大,相应位置凝壳越薄,距结晶器顶端400～800mm区域存在高速冲刷区,要重点监测结晶器600mm以上的区域以防止钢液流动传热抑制初生凝壳生长;宽面坯壳增长最快,角部最慢,出口坯壳分布呈现中间厚边缘薄分布,需要测量边角距窄面40mm处凝壳厚度。最后对比分析拉速和钢液浇注温度等工艺参数对结晶器整体热流分布、铸坯特征点温度场变化与凝固坯壳生长的影响。研究发现,拉速每增加25%,热流平均增加16.3%,出口铸坯温度平均升高45K,坯壳厚度平均减薄3.4mm;过热度每增加15K,热流平均增加6.5%,出口铸坯温度平均升高19K,坯壳减薄3%～4%,说明拉速对铸坯凝固传热的影响比浇注温度更显著。所以,为使坯壳厚度满足冶金原则,拉速应选在0.8～1.0m/min,控制钢液过热度在20～30K。
【图文】：

示意图,示意图,连续铸造机,顺行性

辽宁科技大学硕士学位论文1. 绪论续铸钢概述续铸钢的设备工艺及其优越性铸钢是指通过连续铸造机，将钢液进行浇注、冷却、切割，，得流程，它是联结炼钢和轧钢工艺的纽带，是钢水固化必不可少的顺行性不仅关乎炼钢生产产量，还影响轧制产品的成材率。设备是由钢包转台、中间包、结晶器、结晶器振动装置、二次冷、切割装置和铸坯拉出装置等部分构成[1]，如图 1.1 所示。

浸入式水口

此型效果最好；组合式水口碗口为半球形，多与中间包水口配合使用。a)侧孔型；b)单孔直通型；c)组合型；d)异形薄壁型图1.2 浸入式水口的分类Fig. 1.2 Classification of submerged entry nozzle1.2 连铸冶金过程中钢液流动-传热-凝固行为的研究进展结晶器内钢液传质传热体系的研究难点在于流体流动及传热固化的相互耦合作用，但是伴随着计算机技术革新和计算流体力学发展，物理实验技术和数学数值模拟技术不断完善，采用数学物理方法对结晶器内钢液流动传热、坯壳凝固行为研究显得快捷简便，为此国内外诸多专家和学者对结晶器进行了物理实验和数学建模研究，本文将前人的研究结果进行总结，综述如下。1.2.1 结晶器内钢液流动物理实验方法的研究进展由于实际冶金过程的不可操作性和危险性，直接进行钢液流动的实验存在困难，但是随着相似原理理论的发展，所以采用相似准数水模型实验可以很准确地研究结晶器钢液的流动行为。日本研究者 Audrzejewski[13]使用了 3:1 模型研究了耦合模型中钢液顶面波动和速度对钢液卷渣的作用，结合工业试验结果引入 F 数评价板坯结晶器钢液卷渣情况
【学位授予单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TF777;TK124

【参考文献】