水口結構對連鑄結晶器內鋼水流動的影響

李京社 程愛民，2 高雅巍 吉傳波 孫麗媛

(1.北京科技大學;2.新疆金特鋼鐵股份有限公司)

水口結構對連鑄結晶器內鋼水流動的影響

李京社1程愛民1，2高雅巍1吉傳波1孫麗媛1

(1.北京科技大學;2.新疆金特鋼鐵股份有限公司)

采用雷諾平均(RANS)數學模擬方法，研究波浪形和山形水口底部結構對結晶器內鋼水湍流現象及表面流速的影響。通過1∶1結晶器模型水模擬進行了驗證，表明采用OA光纖測速儀對結晶器表面流速測量的結果和數值模擬結果吻合較好。研究表明波浪形水口可以抑制水口流出鋼水的射流，改善結晶器內鋼水流場，降低表面流速穩定液面，進而改善鑄坯表面質量。

連鑄 結晶器 RANS 數值模擬 水口結構

0 引言

連鑄過程中，浸入式水口結構對結晶器中鋼水流動狀態有很大影響。合理的浸入式水口結構能夠有效降低注流沖擊深度、分散注流帶入的熱量、穩定鋼液表面波動以及促使結晶器坯殼均勻生長［1－3］。結晶器液面控制對鑄坯質量及生產順行至關重要。彎月面速度過大，結晶器表面波動劇烈容易造成卷渣，導致夾雜物含量增加;彎月面速度過小液面過于平靜，熱量提供不足無法熔化保護渣，這些均會引起最終產品的質量問題［4－5］。

目前，鋼廠多采用的山形(倒Y型)水口，水口出口射流較強，流股對結晶器窄面的沖擊力也較大，水口壁處液面波動劇烈，比較容易造成卷渣;采用波浪形水口，可以有效降低鋼水表面速度，穩定鋼液表面波動，降低流股渦心高度，有利于結晶器鋼水夾雜物和氣泡上浮，進而提高鑄坯質量。

筆者采用數值模擬方法，比較山形水口與波浪形水口結構對鋼水在結晶器內流動的影響。通過分析水口出口射流形狀，研究穩態條件下水口結構對結晶器內鋼水流場分布及表面波動的影響，為優化生產工藝參數提高鑄坯質量提供理論依據。

1 數學模型

1.1 控制方程

描述鋼水流動狀態采用三維、不可壓縮Navier－Stokes方程求解計算，忽略結晶器凝固坯殼對流動的影響，具體數學表達式如下:

1.2 邊界條件

1)水口入口采用速度邊界條件，入口速度由鋼水流量確定，湍動能(k)，耗散率(ε)值用以下計算方法確定:

式中:Um——入口速度; D——入口直徑。

2)水口和結晶器出口采用壓力出口，Pgauge=0。

3)結晶器入口參數(速度v，湍動能k，耗散率ε)從計算完成的水口出口讀入數據。

4)水口和結晶器壁面采用無滑移邊界條件。

5)對稱面:考慮到模型結構的對稱性，取1/4結晶器為計算區域。

2 計算結果及分析

2.1 模型驗證

數學模型采用水模擬進行驗證，水模擬具體參數見表1。

表1 模型計算參數

水模擬實驗中，實驗以某鋼廠板坯連鑄結晶器為原型，結晶器水模型與原型比例為1∶1。根據實際工藝條件，采用中間包－結晶器―中間包的循環水控制系統。結晶器水流量由水泵控制，結晶器的液位可以通過水泵的流量閥及方包下的控制流量裝置來控制。通過調節該閥，可使系統在要求的水流量下處于平衡狀態，實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖

本試驗采用北京水利水電科院研究所研制的OA型光纖流速儀和LGY－2型智能流速計數器，對結晶器內流體的表面流速進行了測量。OA型光纖流速儀按工作原理可分為:感應部分、傳訊部分、尾翼和測桿等四部分。其工作原理為:當水流作用到儀器感應元件－旋漿時，旋漿即產生回轉運動。水流速度快慢變化，旋漿轉速也隨著快慢變化，它們之間存在一定的函數關系。

V=Kn+C (5)

式中:V——流速，m/s;K——水力螺距，m;

C——儀器常數，m/s;

n——旋漿轉率，等于旋槳總轉數N與相應測速歷時T之比，即n=N/T，1/s。

LGY－2型智能流速計數器可將OA型光纖流速儀測量得到的流速值直接顯示在屏幕上。利用該套裝置可測量平行于旋漿軸線方向的速度分量，用來測量液面的表面流速比較合適，可測量最小流速為 0.01 m/s，精度為 ±1.0%。

將水模擬實驗測量的速度值與模擬結果比較，測量點選在結晶器表面中心線上距離窄面50 mm及距離水口中心150 mm兩處，測量的速度與模擬結果比較發現吻合較好(如圖2所示)。總體來說，數學模型預測結果與測量結果比較吻合，可以作為有效方法預測水口及結晶器內流場分布情況。

圖2 速度與模擬結果比較

2.2 水口及結晶器模擬結果

為改善結晶器流場，針對900 mm×180 mm板坯連鑄結晶器，拉速為1.0 m/min時，研究水口底部結構對結晶器內流場影響，山形及波浪形水口底部結構如圖3所示。水口和結晶器內在山形和波浪形水口底部結構后流場比較如圖4所示。

由圖4可以看出，山形水口鋼水回流區域大，而且射流較窄速度較大，鋼水沖擊結晶器窄面后向上回流較強，造成鋼水表面速度較大;波浪形水口能夠有效分散高速鋼水注流作用，鋼水在沖擊波浪形底部向上折返后分散了鋼水的湍動能，鋼水回流區域小而且鋼水射流速度降低，射流范圍也較寬，鋼水表面速度也隨之降低。

圖3 山形水口和波浪形水口底部結構

圖4 山形水口及波浪形水口流場比較

山形水口和波浪形水口對結晶器表面速度及窄面沖擊的影響如圖5所示。

圖5 結晶器表面及窄面速度比較

由圖5(a)可以看出，山形水口中心線上速度最大達到0.21 m/s，而波浪形水口結晶器表面中心線上最大速度為0.09 m/s，比山型水口最大速度要低57.1%。從圖5(b)可以看出，山形水口對結晶器窄面沖擊較明顯，向上流動的速度在距離結晶器頂部200 mm處速度最大達到0.25 m/s，而波浪形水口向上最大速度為0.12 m/s比山形水口降低52.0%，山形水口在結晶器上部回流區沿著窄面向上流動速度大，容易發生卷渣污染鋼液。

近年來，數值模擬作為一種精確且經濟有效的研究方法，越來越受到冶金行業各方面的認可和采用。尤其對于結晶器內鋼水湍流運動比較復雜，加上連鑄過程中操作條件比較惡劣，無法直接對鋼水流動現象進行觀察測量，而采用的數值模擬可以對預測鋼水流動行為，對現場優化工藝有著重要的指導作用。數值模擬方法不僅可以定性的對結晶器內鋼水流動狀態進行預測，而且可以定量的計算鋼水在流動過程的動量及能量傳遞，進而對現場生產過程優化工藝參數提供理論依據，具有很強的適用性，可開發的前景廣闊。

3 結論

1)山型水口射流速度大，造成結晶器內流場上部回流較強，容易造成卷渣;

2)波浪形水口可以有效耗散鋼水流速，抑制高速鋼水直接沖出水口，射流形狀比較發散，降低射流對結晶器內的沖擊深度，利于夾雜物上浮去除;

3)波浪形水口可以降低結晶器表面流速，比山形水口降低57.1%，利于穩定彎月面波動，結晶器表面流速高，波動劇烈，容易造成表面卷渣，影響鑄坯質量;

4)綜合考慮優化結晶器內流場，控制結晶器表面波動，波浪形水口都比山形水口效果要好。

［1］ Thomas，B.G.“Modeling of Continuous Casting，”Chapter 5 in Making，Shaping and Treating of Steel，11th Edition，Vol.5，Casting Volume，A.Cramb，ed.，AISE Steel Foundation，Pittsburgh，PA，5.1 －5.24，2003.

［2］ Huang，X，Thomas，B.G.“Modeling of Transient Flow Phenomena in Continuous Casting of Steel”，No.3 － 4，July － October 1998，pp.197 －212(16)

［3］ 鄧南陽，金友林.304不銹鋼板坯連鑄結晶器水口結構優化的數值模擬［J］.特殊鋼，2010，31(3):10 －13.

［4］ 張大江，陳登福，王翠娜.不同寬度板坯結晶器內流場的水模型和數值模擬研究［J］.特殊鋼，2010，31(1):14 －17.

［5］ 包燕平，祝三勝.薄板坯連鑄機浸入式水口的結構優化［J］.北京科技大學學報，1999，21(2):135 －137.

［6］ H.Bai and B.G.Thomas:“Turbulent flow of liquid steel and argon bubbles in slide －gate tundish nozzles:Part I.Model development and validation”，Metall.Mater.Trans.B，2001，vol.32B，pp.253 –267.

THE EFFECT OF NOZZLE STRUCTURE ON MOLD FLOW IN CONTINUOUS CASTER

Li Jingshe1Cheng Aimin1，2Gao Yawei1Ji Chuanbo1Sun Liyuan1
(1.University of Science and Technology Beijing;2.Xinjiang Jinte Steel Co.，Ltd)

This work applies Reynolds averaged Navier－stokes computational model to investigate the effect of different nozzle bottom on the turbulent flow in the mold cavity and top surface velocity during continuous casting of steel.The model was validated by comparing the impeller velocity measurement in the water model and computational result，the computational results agree well with the measurement.The waved bottom nozzle can suppress the jet flow exiting from the nozzle ports，improve the fluid flow in the mold and decrease the meniscus fluctuation，furthermore minimize the casting defect.

continuous casting mold RANS numerical simulating nozzle structure

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:2012—3—1