钢水凝固过程数值模拟

钢水凝固过程数值模拟

摘要：连铸过程是一个包含流动、传热、凝固等复杂现象的综合过程。由于进入结晶器的高温钢液具有很大的动能，在凝固壳包围的液态金属中存在强烈的湍流流动，这种流动对卷渣、卷气、液穴的形成以及结晶器中温度分布、凝固传热和凝固厚度分布的均匀性都有重要影响关键字：液态成型；数值仿真；铸造

Abstract: Continuous casting process is a complex phenomenon such as flow, heat transfer and solidification of the composite process. Due to the high 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 transfer and solidification thickness distribution have important influence

Key words: liquid molding; The numerical simulation. Casting

一问题描述

结晶器内钢液的流动特性不仅关系到结晶器的传热和夹杂物的上浮,而且还与铸坯裂纹、皱皮、偏析等表面及内部质量有着非常密切的关系。因此，开展连铸机结晶器内钢水流场和温度场以及凝固过程的研究就显得尤为重要。随着连铸技术的发展，对结晶器内的流动过程和优化设计研究受到重视目前研究方法主要是通过水模实验和数值模拟。

本文针对某厂连铸机的生产现状，利用数值模拟的方法,采用Fluent软件模拟此连铸机结晶器内钢液的三维流场、温度场与凝固现象,重点分析不同形状水口对结晶器内流场、温度场以及凝固厚度的影响，揭示物理现象，为优化浸入式水口结构参数提供理论依据。

二模拟方法

1 基本假设

钢液自水口流入结晶器，结晶器内通冷却水进行冷却，钢液经强烈对流冷却和辐射换热逐步形成凝固坯壳，最终凝固的锭坯在出口以恒定拉速拉出。整个计算过程基于以下假设：

a.结晶器内的流动为稳态；

b.结晶器内钢液为不可压缩牛顿流体，物性参数为常数；

c.忽略结晶器壁振动对流动的影响；

d.δ−γ相变潜热远小于凝固潜热，忽略金属固态相变的影响。

2 基本方程

式子中

结晶器内连铸坯弹塑性变形伴随有较大的温度变化在建立其本构方程时应考虑温度的影响因此总应变增量可表示为

方程右边分别为弹性应变量材料性能随温度变化引起的应变增量塑性应变量及热应变量将各应变量相应关系式代入可得坯壳应力应变的本构方程。

3 参数确定及边界条件

1）参数的确定

与温度T 的关系如下

钢液热焓H

s

导热系数: k = 13.86+1.113×102T, J/(m .s .℃)

密度: 液相ρ= 7.1×1033kg/m3 固相ρ= 7.4×103kg/m3热膨胀系数: = 0.435+0.762×10 3T ×10 5, K 1-

泊松比: = 0.278+8.23×10 5-T

2）边界条件

t = 0, T = T0, q

k = q

k

, q

z

= q

0z

。

式中T0 为浇注温度, q

k 为宽边热流密度, q

k

为宽边初始热流密度, q

z

为窄边热流密

度, q

0z

为窄边初始热流密度。

式中，q

k 由宽边热流密度函数与宽边热收缩量共同确定，q

z

由窄边热流密度函数与窄边热

收缩量共同确定，F为施加于凝固前沿的钢水静压力，ρ

l

为钢液密度，h = vt为距离液面高度，由拉速v及时间t确定，由结晶器铜板温度测量结果, 根据数学模型可以计算出结晶器壁的热流量沿拉坯方向的分布。

三模拟结果

由于入口界面面积有差异，结晶器的入口速度有所差别。流线图、对称面上的速度矢量分布图以及不同截面的温度和液体分数等值线图用于说明流场、温度场以及凝固的状态。当钢液由水口浇铸后，以射流的方式进行运动。由水口浇铸出来的钢液大部分冲击到结晶器窄面，遇到壁面后流向发生变化，一小部分钢液向上运动到达顶部后流向水口形成上部回流区，这个回流对弯月面的波动产生影响，同时也对保护渣的熔化起决定作用。另一部分钢液向下旋转后，为主流股，此流股对夹杂物的上浮、结晶器下端以及二冷段的结晶组织产生直接影响，强度随着向下距离的延伸而减弱；该流股又出现了两个分支，其中一部分钢液直接冲击到结晶器出口处，而还有一部分钢液出现漩涡卷吸。相比较两种类型发现，漩涡发生的位置不相同，下部漩涡区较大，经过漩涡后向下流动的流股更倾向于流向对称面而较远离结晶器窄面。这是由于SEN2水口的侧孔面积较小，钢液流出的速度较大，则流股对结晶器窄面的冲击力和冲击深度较大，贴近窄面的流体经过窄面约束后折返角度更大。结晶器内上部循环区较大，这有利于液面稳定。但是，从图8矢量图中也可以看出，SEN2由于水口出口速度增大，

加剧了液面的波动及漩涡，增加了液面卷渣的可能性；同时冲击深度和冲击力的过度增加，会导致结晶器钢液内夹杂物的上浮更加困难，不利于结晶器窄边的初始凝固坯壳的生长。四结论

本文针对两种不同水口类型的结晶器进行了流场、温度场和凝固进行了模拟。结果表明：钢液从水口出口处喷出，其撞击到结晶器侧壁的冲击位置与水口类型相关，沿水口出流方向，钢水分离形成上下两股，并分别发展成两个回流；对于相同断面不同类型的水口，在圆形水口（SEN1）附近，温度分布比较均匀，流场混合充分，在计算区域的出口处凝固要好于方形水口（SEN2）。模拟结果对于优化设计连铸机具有帮助意义。

五参考文献

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[2] 张桂芳,沈厚发等.薄板坯连铸结晶器流场模拟和验证[J].钢铁钒钛，2005,26（2）：31-34

[3] 叶大伦, 胡建华. 实用无机物热力学数据手册[M] . 北京: 冶金工业出版社,2002.