摘  要：對斷面為180 mm×675 mm的板坯結晶器進行1:1物理模擬和數學模擬，建立了fluent數學模型，優化了結晶器浸入式水口底部結構，對結晶器鋼液的表面流速、拉速、流場、保護渣模擬等進行了分析研究。結果表明：（1）在相同拉速下，傾角為20°凹底20 mm和凹底30 mm的水口的平均表面流速比傾角為20°凸底15°的水口的表面流速下降了20%左右；（2）對于傾角為20°的浸入式水口，當水口底部的凹底深度由20 mm增加到30 mm時，平均表面流速降低了0.2 m/s；（3）當浸入式水口在相同水口傾角和底部結構的情況下，拉坯速度從0.9 m/min升至1.0 m/min時，平均表面流速上升了5%左右。

關鍵詞：表面流速；流場；拉速；傾角 ；底部結構

文獻標志碼：A

Physical and mathematical simulation of mold flow field in slab continuous casting

WU Shao-wen1,2, ZHANG Cai-jun1,2,LIU YI1,2,WU Zhe1,2

（1.College of Metallurgy and Energy , North China University of Science and Technology , Heibei, Tangshan,063000;2. Hebei Engineering Research Center of High Quality Steel Continuous Casting,Heibei,Tangshan,063000）

Abstract: Analyzed the 1:1 physical simulation of slab with a section of 180 mm×675 mm and established the mathematical model of fluent, the bottom structure of submerged nozzle of mould was optimized, studied the surface velocity、casting speed and flow field of molten steel. The results show that: (1)At the same casting speed, the average surface velocity of the nozzle with 20 mm dimple and 30 mm dimple was 20% lower than the surface velocity of the nozzle with the concave 15°;(2)For submerged nozzles with a dip angle of 20 °, the average surface velocity decreased by 0.2 m/s when the depth of the concave bottom of the nozzle was increased from 20 mm to 30 mm;(3)When the submerged nozzle has the same nozzle angle and bottom construction, the average surface velocity increases about 5% as the casting speed increases from 0.9 m/min to 1.0 m/min.

Key words: surface velocity; flow field; casting speed; dip angle; at the bottom of the structure

1 前言

結晶器內部的流場和溫度場分布直接關系到鋼液傳熱、夾雜物上浮和保護渣熔化等，與鑄坯中間裂紋、三角區裂紋和角裂等內部和表面缺陷的形成都有著直接的關系[1]。圍繞鋼液在結晶器內穩定、對稱的流動的模擬研究有很多，這些研究都或多或少的揭示了鋼液在結晶器內流動的內部規律[2-4]。然而數值模擬軟件Fluent可以快速、準確地對連鑄結晶器內鋼液流動和傳熱進行解析，成為優化結晶器工藝參數的重要手段。在連鑄過程中許多問題的產生可以直接歸因于結晶器內流場的不穩定，因為夾雜物在結晶器中的行為和鋼渣在表面的行為會直接影響到鑄坯的質量[5-6]，因此，對于連鑄生產過程中，提高連鑄坯質量和優化連鑄操作尤為重要[7-10]。本次課題主要是針對某鋼廠的斷面選取最適合的水口結構，采用數學物理模擬相結合的研究方法，系統的分析了浸入式水口的傾角，拉坯速度，水口底部結構對鋼液表面流速的影響，并對鋼液流場分布作出了進一步說明，并提出合理的建議進而優化，從而減少連鑄坯中的缺陷。

2 模型的建立

2.1數學模型的建立

2.1.1基本假設

實際結晶器內鋼液的流動是很復雜的物理過程，受凝固、振動等多方面因素的影響，但在數值模擬過程中需要對所研究的問題需進行合理的簡化和必要的假設。本文的假設有:

(1)結晶器內鋼液流動為粘性，不可壓縮流動；

(2)結晶器內鋼液按均相介質處理；

(3)不考慮結晶器振動等因素對流場的影響；

(4)計算邊界為無滑移邊界，即速度為0，且k=0，? = 0；

2.1.2基本方程

描述結晶器內鋼液流動的三維穩態不可壓縮問題的數學表達式如下：

反映其粘性流動的主導方程[11]有：

2.1.3邊界條件的確定

(1)入口：浸入式水口內的鋼液速度垂直向下，所以將入口定義在浸入式水口的入口處，設置為速度入口。

(2)結晶器自由液面和對稱面：結晶器自由液面和水口內壁設定為壁面，考慮到結晶器內鋼液的流動行為具有對稱性，分別在寬面和窄面中心設定兩個對稱面，并且設定各物理量在對稱面上的梯度為零。

(3)壁面：結晶器壁面和水口壁面均處理成無滑移固體壁面，垂直于壁面的速度分量為零，平行于壁面的速度、壓力及k、?采用無滑移邊界條件，即粘度設置為無限大。冷卻壁面均采用第三類傳熱條件[12]。

(4)出口邊界條件：出口定義在結晶器計算區域的底部，出口邊界定義為出流。適用于出口處的流動是完全發展的情況，即出口處與入口處質量守恒[13]。

2.2物理模型的建立

用水作為介質來模擬鋼水,其依據是相似原理，反映結晶器內的流動狀態。結晶器內流體流動是以慣性力和重力占主導地位，因此僅考慮佛魯德準數相等即可。即[14]

4 模擬結果及分析

4.1數學模擬結果

對斷面為180×675 mm²的板坯結晶器進行數學模擬后得到一系列數據如表2所示：

4.2數學模擬結果分析

（1）根據經驗當結晶器表面流速大于0.18 m/s時，會產生嚴重的卷渣情況。優化前的結晶器表面流速所示，根據圖中顏色可以判斷，大部分區域為紅色，通過表2可知其中心最大表面流速為0.282 m/s0.18 m/s，會產生嚴重的卷渣現象。

（2）不同水口結構的結晶器表面流速，其中水口傾角為20°底部結構為凹底30 mm且拉速為0.9 m/min中大部分為橙色，通過表2數據得其最大表面流速0.186 m/s與經驗表面最大流速0.18 m/s最為接近，且平均表面流速為0.106 m/s，這種情況下液面波動平穩，不易產生卷渣的情況，理論上滿足實際生產需求。

（3）結晶器縱剖面水口中心截面速度云圖模擬結果，顯示了結晶器縱剖面下的流場速度分布。結果表明，水口為凹底30mm，拉速0.9m/min的流場最穩定，適用與實際生產。

4.3物理模擬結果及分析

4.3.1結晶器不同水口底部結構的波高和表面流速對比

所示為結晶器流場模擬示意圖，將示蹤劑高錳酸鉀加入到水流中來模擬新注入的鋼水，從而展示鋼液的流動狀態。采用南京水利科學研究院河鋼儀器設備研究所研制的LGY-Ⅱ型智能旋槳式流速計，對液面的表面流速進行測定。采用中國水利水電科學院研制的DJ800多功能監測系統，監測液面波動。結晶器液面波動和表面流速測試點示意圖所示，拉速1.0 m/min時和0.9 m/min時，結晶器表面6個測試點的表面流速和表面波高的對比情況如表3、4所示。

通過以上數據可以得出：

（1）傾角20°的表面流速比傾角15°的流速低，傾角20°凹底30mm的表面流速比凹底20mm的表面流速低，且傾角20°凹底30 mm拉速0.9 m/min的情況下表面流速最低，基本與數學模擬得出的0.18 m/s的表面流速，而其他拉速和凹底深度測得的表面流速都偏大。

（2）拉速為1.0 m/min凹底30 mm比凹底20mm的表面波高在最外側的兩點波高都降低了0.8 mm，中間點的波高降低了0.7 mm，最內測的點的波高降低了0.6 mm。可以看出，凹底30 mm的更為平穩，液面波動較之前有明顯的降低。

（3）結晶器浸入式水口傾角為20°凹底30 mm，拉坯速度由0.9 m/min提高至1.0 m/min，沖擊深度略有變深。這將造成夾雜物的穿透深度增加，不利于夾雜物的上浮，同時高溫射流對結晶器窄面的沖擊力增強，沖擊范圍變大，對初生坯殼的沖刷和重熔加劇，從而減慢了凝固殼的生長速度，故拉坯速度為0.9 m/min為可靠選擇。

4.3.2保護渣模擬情況

保護渣的覆蓋效果對于結晶器中防止鋼坯二次氧化起著至關重要的作用，以下為保護渣在黏度0.3優化前和優化后的情況，保護渣覆蓋和卷渣模擬結果。

可以得出以下結論：

(1)水口傾角為15°時保護渣的覆蓋面積為5/8；當水口傾角20°凹底20 mm，拉速為0.9 m/min時保護渣的覆蓋面積增加到6/8，并出現少量卷渣；當傾角20°凹底30 mm拉速為0.9 m/min時保護渣幾乎全部覆蓋，并且液面平穩。

(2)水口傾角20°凹底20 mm，拉速為1.0 m/min時，保護渣的覆蓋面積增加到5/8，并出現大量卷渣；水口傾角20°凹底30 mm，拉速為1.0 m/min時，保護渣覆蓋面積增加到6/8，且有卷渣。

(3)水口傾角為20°凹底30 mm拉速為0.9 m/min的保護渣覆蓋面積和卷渣情況最好，從而可以有效的減少結晶器二次氧化現象，保護渣卷渣明顯減少。

5 結論

(1)通過用Fluent建立數學模型，模擬了180×675 mm2斷面的板坯結晶器內部流場及表面流速分布情況，得出當浸入式水口傾角為20°，浸入深度為30mm，拉速為0.9m/min時，才能減少結晶器表面劇烈波動和卷渣現象。

(2)水口傾角為15°凸底時，表面流速較大，且超過0.18m/s，容易產生卷渣；當水口傾角為20°凹底深度30mm時，拉速為0.9m/min，所得的最大表面流速為0.177m/s小于0.18m/s，液面波動較為平穩，不易產生卷渣；同時，對于相同的水口，拉坯速度由0.9m/min提高至1.0m/min時，沖擊深度略有變深，卷渣現象明顯。

(3)對于相同的水口傾角為20°時，水口凹底深度由20 mm增加到30 mm時，最大表面流速降低了0.2 m/s，平均表面流速也降低了0.2 m/s，基本消除了卷渣現象。

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