28板坯連鑄結(jié)晶器中鋼液凝固規(guī)律的研究8-31

1、板坯連鑄結(jié)晶器中鋼液凝固規(guī)律的研究趙晶晶1，程樹(shù)森11，吳狄峰12（1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，100083.2.寶鋼股份公司研究院，201900）摘要：本文采用VOF多相流模型以及糊狀區(qū)多孔介質(zhì)法對(duì)結(jié)晶器中的鋼液流動(dòng)、傳熱和凝固進(jìn)行了耦合數(shù)值模擬，并比較了有無(wú)電磁制動(dòng)情況下的結(jié)晶器流場(chǎng)及坯殼厚度分布。研究表明，無(wú)電磁制動(dòng)時(shí)，坯殼在結(jié)晶器橫截面上的厚度分布不均，寬面中心的坯殼較厚，而在寬面靠近角部處的坯殼卻相對(duì)較薄。由于鋼液射流

2、對(duì)窄面有較大的沖擊，沖擊點(diǎn)處的坯殼最薄，在其附近出現(xiàn)了坯殼厚度沿高度“零增長(zhǎng)”的現(xiàn)象。隨著拉速的提高，結(jié)晶器內(nèi)的坯殼變得越來(lái)越薄，當(dāng)拉速達(dá)到1.5mmin時(shí)，窄面沖擊點(diǎn)的坯殼厚度僅在1mm左右，坯殼極容易拉漏，是提高拉速的限制環(huán)節(jié)。使用電磁制動(dòng)技術(shù)能夠較好的減小鋼液射流對(duì)窄面的沖擊，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.2T時(shí)沖擊點(diǎn)處的坯殼增大到6mm左右，極大地減小了坯殼拉漏的可能性。但是，電磁制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鋼液對(duì)寬面坯殼的沖刷加劇，使寬面坯殼大范圍減薄。因此

3、使用電磁制動(dòng)時(shí)必須要選擇合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度。關(guān)鍵詞：結(jié)晶器，溫度場(chǎng)，凝固坯殼，電磁制動(dòng)中圖分類號(hào)中圖分類號(hào)：TF777.1基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)60672145)StudyoftheMoltenSteelSolidificationintheContinuousCastingSlabMoldZHAOJingjing1CHENGShusen1WUDifeng12（1.SchoolofMetallurgicalEcologic

4、alEngineeringUniversityofScienceTechnologyBeijing100083China.2.BaosteelResearchInstitute201900，China）Abstract:Anumericalsimulationmethodwasusedinthisarticletostudytheturbulentflowheattransfercoupledwithsolidificationinmo

5、ldbyusingvolumeoffluid(VOF)modelpositymethodinthemushyzone.ComparisonsoftheflowfieldthesolidshellthicknessinmoldweregivenwhenusingtheEMBRnot.Asresultsshowsolidshelldoesnotdistributeunifmlyatthecrosssectionofthemold.Solid

6、shellatthewidefacecenteristhickerthanotherpartbutthewidefaceshellnearthecnerisrelativelythin.Duetothejetimpingementonthenarrowfacethesolidshellinthisplaceisthethinnestwhichcausesazeroincreaseoftheshellthicknessalongthena

7、rrowfaceneartheimpingementpoint.Solidshellbecomesthinnerthinnerasthecastingspeedincreases.Whenthespeedreaches1.5mminthesolidshellattheimpingementpointisonlyabout1mmthickwhichcaneasilycausethebreakoutoftheshelllimittheinc

8、reaseofcastingspeed.Usingelectricmagicbrakecaneffectivelydecreasethejetimpingementonthenarrowface.Whenthemagicdensityis0.2Tthesolidshellthicknessattheimpingementpointcanincreaseto6mmwhicheffectivelyminimizethepossibility

9、oftheshellbreakout.Butusingtheelectromagicbrakecanalsomaketheerosionofthesolidshellwseatthewidefacewhichcausesthedecreaseoftheshellthickness.SotherightmagicdensitymustbechosewhenusingtheEMBR.Keywds:moldtemperaturefieldso

10、lidshellelectricmagicbrake1.作者簡(jiǎn)介：程樹(shù)森，男，教授，博士生導(dǎo)師。Email：.T()[()]mvvpvvgS???????????????????其中Sm為由于鋼液凝固而導(dǎo)致的動(dòng)量損失項(xiàng)。（3）湍流方程：方程：KKKKtSGKKv????????????????])[()(?方程：?12()[()]()tvCGCSK???????????????????????其中，；))((TvvvGtK???????

11、???2tDC?????Sκ和Sε均為壓力損失項(xiàng)；常數(shù)C1=1.43，C2=1.93，CD=0.09，σκ=1.0，σε=1.3。（4）能量方程：hSTHv???????)()(???其中，，HhH???LfHl?????TTprefrefdTchh上式中，Sh是傳熱方程的源項(xiàng)；ρ、λ和Cp分別為流體的密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱；H，h都為熱焓；href為相對(duì)于溫度Tref的參考熱焓；L為潛熱；ΔH為焓變，其值在0~L之間，固態(tài)時(shí)為0，液態(tài)時(shí)

12、為L(zhǎng)；fl（fs）為液相分?jǐn)?shù)（固相分?jǐn)?shù)）。2.3邊界設(shè)置：（1）入口根據(jù)入口、出口處的質(zhì)量守恒來(lái)確定鋼液的入口速度，入口的湍流參數(shù)由經(jīng)驗(yàn)公式給出；鋼液具有一定的過(guò)熱度，入口處的溫度為1540℃。（2）自由液面由于不考慮保護(hù)渣的存在，鋼液上方為空氣，設(shè)為壓力出口邊界，P=1atm；空氣的溫度為35℃。（3）出口使用速度出口邊界，鋼液出口速度設(shè)為拉速。（4）對(duì)稱面除對(duì)稱面的法向速度分量為0外，其余所有變量沿對(duì)稱面的法向方向梯度都為0。（5）

13、壁面使用無(wú)滑移邊界條件，即壁面處的速度為0；窄面與寬面的熱邊界設(shè)為對(duì)流換熱，窄面的對(duì)流換熱系數(shù)為1069W（m2℃），寬面為975W（m2℃）；其余壁面設(shè)為絕熱。3計(jì)算結(jié)果及分析3.1結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)及凝固坯殼變化規(guī)律鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的傳熱方式與其流動(dòng)密切相關(guān)，圖2給出了結(jié)晶器內(nèi)鋼液的速度及溫度分布。具有一定過(guò)熱度的鋼液從浸入式水口進(jìn)入結(jié)晶器，在水口出口處形成一股速度較大的射流。由于與結(jié)晶器內(nèi)部的鋼液進(jìn)行著強(qiáng)烈的湍流換熱，射流溫度迅速降低

14、，鋼液在到達(dá)窄面時(shí)溫度由1540℃降至1520℃。射流與窄面碰撞后，在結(jié)晶器內(nèi)形成了兩個(gè)方向相反的回流。由于鋼液上回流所占空間較小，高溫鋼液換熱不充分，導(dǎo)致結(jié)晶器上部鋼液溫度較高，一部分過(guò)熱被帶到鋼渣界面處，有利于保護(hù)渣的熔化。而在結(jié)晶器下部，較大的下回流空間使得鋼液換熱相對(duì)充分，鋼液溫度較低且梯度較小，大部分鋼液溫度都在凝固點(diǎn)1514℃附近，為凝固坯殼的生長(zhǎng)創(chuàng)造了有利條件。圖2結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)、溫度場(chǎng)Fig.2Flowfieldtem