DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s2.056
异形坯连铸结晶器内三维流场的数值模拟
杨建伟 杜艳平 史荣 崔小朝 刘才
太原重型机械学院机电工程分院
燕山大学机械学院
燕山大学机械学院 太原030024
秦皇岛066004
摘 要：
根据湍流理论及异形坯连铸的特点 , 建立了异形坯结晶器三维流场数学模型 , 对不同条件下的流场进行了数值模拟 , 分析了水口结构和工艺参数变化时异形坯结晶器内涡心深度的变化规律及液面湍动能的分布状态。结果表明 :采用上倾式水口 , 水口夹角为 12 0°, 拉速为 0 .9m/s时 , 结晶器内流场分布较为合理 , 液面较稳定。模拟结果与水模实验结果吻合较好。该模型可对连铸过程进行离线分析 , 确定最佳参数 , 并可作为在线控制模型的基础。
关键词：
异形坯连铸 ;结晶器 ;湍动能 ;涡心深度 ;
中图分类号： TG249.7
收稿日期： 2001-05-23
基金： “九五”国家重点科技 (攻关 ) 项目 (95 -5 2 8-0 3 -0 1-0 3c);
3D numerical simulation on flowing distribution in mould for beam blank continuous casting
Abstract：
Based on the theory of turbulent flow and characteristic of beam blank continuous casting, a three dimensional model on fluid flow in the mould of beam blank continuous casting is established, which can simulate the fluid flow in the different condition. The varying rule of vertex center depth and the distribution of turbulent kinetic energy in the mould have been studied when the structure and size of submerged entry nozzle (SEN) and processing parameters are changed. As a result, reasonable flowing distribution and steady liquid surface can be obtained if the nozzle opening is upward and its angle is 120°and drawing speed is 0.9?m/s, which accords with the result of the water model experiment. The optimum parameters are ensured through out line analysis of continuous casting process, which can act as the base of on line control model. [
Keyword：
beam blank continuous casting; mould; turbulent kinetic energy; vertex center depth;
Received： 2001-05-23
结晶器是连铸机的心脏, 结晶器冶金是去除夹杂物、 改善铸坯质量的最后环节。 在结晶器中, 液态金属的流场分布对夹杂物运动行为有很大影响, 而夹杂物的去除效果直接影响铸坯的纯净度与质量。 此外, 结晶器内流场对凝固最重要的初始阶段凝固壳传热有重大影响。 因而, 深入了解和控制不同水口结构和工艺参数条件下结晶器内的流动行为是提高连铸坯质量的关键。 由于对结晶器内的金属流动速度测试技术尚未解决, 目前流动研究只能通过水模和数值计算解决。 现有的水模型只能模拟水口附近的流场, 而对铸坯质量有重要意义的一些信息则无法从实验中获得。 因此, 数值计算方法是了解这些问题的途径之一。
Szekely等
[1 ,2 ]
早在1975年就采用涡量-流函数法模拟了圆坯结晶器内的流动与凝固过程; Thomas等
[3 ,4 ]
假定凝固厚度, 分析了板坯结晶器内的时均流场和湍流特性; Flint
[5 ]
利用商业软件包Phoenics求解流动与传热耦合情况的结晶器过程。 对于异形坯而言, 由于断面形状复杂, 结晶器内金属的流动状态与板坯、 圆坯等有很大不同。 因此, 要真正了解和描述其结晶器内的流动特征、 夹杂物行为及凝固传热过程还需要深入细致的研究。
作者在前人工作的基础上, 针对异形坯结晶器内流体的流动特征, 根据湍流理论建立了描述异形坯结晶器内三维流动的数学模型并进行了相应的软件开发
[6 ]
, 考察了水口结构及工艺参数对结晶器内流动的影响。 应用本模型可对生产过程进行离线仿真, 从而改善流体在结晶器内的流动, 为实际生产过程中能获得高质量的铸坯提供依据, 同时也可作为在线控制模型的基础。
1 三维流动数学模型
异形坯断面形状如图1所示。 由于其形状特异, 为保证结晶器内流场趋于合理, 浸入式水口结构如图1所示, 该水口有3个流孔, 即一个正面流孔和两个侧流孔
[7 ]
。
1.1 控制方程
图1 异形坯横断面及浸入水口结构示意图
Fig.1 Sketch map of beam blank transect and SEN
连续性方程为
?
(
ρ
u
i
)
?
x
i
=
0
?
?
?
(
1
)
动量方程 (纳维尔-斯托克斯方程) 为
ρ
u
j
?
u
i
?
x
j
=
-
?
p
?
x
i
+
?
?
x
j
[
μ
e
f
f
(
?
u
i
?
x
j
+
?
u
j
?
x
i
)
]
+
F
i
?
?
?
(
2
)
湍流模型采用目前通用的k -ε 双方程模型
[8 ]
湍动能 (k ) 方程为
?
(
ρ
u
—
j
k
)
?
x
j
=
-
?
?
x
j
[
(
μ
+
μ
t
σ
k
)
?
k
?
x
j
]
+
μ
t
?
u
—
j
?
x
i
(
?
u
—
j
?
x
i
+
?
u
—
i
?
x
j
)
-
ρ
ε
?
?
?
(
3
)
湍动能 (ε ) 方程为
?
(
ρ
u
—
j
ε
)
?
x
j
=
-
?
?
x
j
[
(
μ
+
μ
t
σ
ε
)
?
ε
?
x
j
]
+
C
1
ε
k
?
μ
t
?
u
—
j
?
x
j
(
?
u
—
i
?
x
j
)
-
C
2
ε
2
k
?
?
?
(
4
)
μ t ρC μ k 2 /ε (5)
式中 u i u j i , j 方向的速度 (下标i , j 可分别取值为1, 2, 3, 以表示3个空间坐标, 下同) ; x i x j i , j 方向的结点坐标值;
u
—
j
表示时均速度; ρ为流体密度; p为压力; Fi 为体积力
[9 ]
; μ, μt 分别为层流和湍流的粘度系数; k为湍动能, ε为湍动能耗散率。
式 (3) ～ (5) 中的5个常数C1 , C2 , Cμ , σk , σε 取自Launder 和spalding 的推荐值
[10 ]
, 分别为C1 =1.44, C2 =1.92, Cμ =0.09, σk =1.0, σε =1.3。
1.2 边界条件
1) 入口速度
根据铸速和流量平衡, 入口速度根据计算确定。
2) 出口和对称面
除垂直于对称面的速度分量设为零外, 所有物理量沿出口的法线方向的梯度设为零。
3) 熔池表面
除垂直于表面的速度分量设为零外, 其它变量沿法线方向的梯度均设为零。
4) 结晶器壁
采用Launder 和Spalding 提出的单层壁面函数, 即要考虑层流层和湍流核心层的划分, 并假设粘性层以外的区域无量纲速度服从对数定律。
1.3 数值求解方法
由于异形坯具有对称性, 计算区域取1/4体积, 对基本方程离散采用Patankar 提出的控制容积法
[11 ]
, 即把计算区域分成许多互不重叠的控制容积, 每个控制容积围绕一个网格结点, 如图2所示 (以二维情况为例) , 在图3所示的控制体上对微分方程进行积分, 从而得到离散化方程。 数值求解采用SIMPLER 法
[11 ]
。
图2 异形坯控制容积示意图
Fig.2 Control cubage sket chmap of beam blank
图3 三维控制体
Fig.3 3-D control cubage
2 结果与分析
2.1水口夹角 (θ) 对结晶器内流场的影响
图4 (a) , (b) 分别表示水口夹角θ 为120°和105°时异形坯横断面的流场分布情况。 通过对比, 可以看出主要有以下不同:
1) 由图4 (a) 可见, 当水口夹角为120°时, 液流从水口侧孔流出后斜向冲击结晶器窄面板, 然后沿窄面板向翼梢外角部流动, 撞击外角部后形成扇面向内角流动, 一部分流经内缘和水口的间隙流入腹板位置, 另一部分在翼梢处形成涡旋。 由图4 (b) 可见, 当水口夹角为105°时, 液流从水口侧孔流出后直接冲击翼梢角部, 翼缘部分无回流, 而且由侧孔射出的液流无法流经内缘进入腹板部位。
2) 水口夹角为120°时, 液流在翼梢处一部分旋转向上运动, 另一部分则旋转向下运动, 旋涡半径逐渐减小呈倒锥形。 水口夹角为105°时, 形不成涡旋流动, 液流撞击到翼梢角部后分成上下两个流股, 向上的流体容易引起液面波动, 向下的流股容易将夹杂物带入铸坯内部而无法上浮。
3) 图4 (a) 所示流场基本无死区, 在容易产生裂纹的内缘和翼缘处, 由于回流的存在可以抑制柱状晶的生长和裂纹的生成。 尤其对翼梢外角部没有正向冲击, 因而减少了漏钢和角裂的危险。 图4 (b) 所示流场在窄面板中心及内缘和水口间隙处形成死区, 容易导致裂纹产生, 而且由于没有流动, 在凝固时此处偏析情况将较为严重。
显然, 图4 (a) 所示流场较为合理。
2.2水口倾角 (α) 对结晶器内流场的影响
图5 (a) ～ (c) 表示水口夹角为120°, 拉速为0.9 m/s, 水口倾角分别为上倾15° (+15°) , 0°, 下倾15° (-15°) 时, 异形坯A -A 截面 (位置见图1) 的流场分布情况。 由图可看出:
1) 当倾角由下向上增加时, 液流在结晶器上部向上流动的趋势和水口下面的向上流变得更加强烈, 冲击深度变小, 这有利于结晶器中夹杂物的上浮和保护渣的熔化。
2) 液流对熔池表面的冲击强度随倾角由下向上增加而增强, 从而导致液面湍动能加大, 加剧表面的波动和不稳定, 造成二次氧化和保护渣的卷入。
图4 水口夹角对结晶器内流场内的影响
Fig.4 Effect of nozzle angle on flowing distribution (a) —120°; (b) —105°
3) 射流与窄面冲击点的位置随倾角由下向上变化而上移, 倾角为0°时, 射流到窄面的位 移最短, 冲击的速度最大, 此时冲击点附近因赋给凝固壳的热量最大而变得最薄。
图6和图7分别表示水口倾角不同时涡心深度的变化规律以及液面湍动能K 的分布状况。 由图可见, 水口倾角由下向上变化时, 涡心深度逐渐上移; 水口倾角不同时, 液面湍动能分布各不相同, 但其较大值均位于液面翼梢及靠近腹板中心处。
图5 水口倾角对温度场内的影响
Fig.5 Effect of exit obliquity on flowing distribution (a) —+15°; (b) —0°; (c) —-15°
2.3 拉速对结晶器内流场的影响
拉速的高低对结晶器内的流动行为有很大影响。 图8, 图9表示水口倾角为+15°、 水口夹角为120°时, 不同拉速所对应的涡心深度以及液面湍动能分布情况。 由图8可看出, 涡心深度随着拉速的提高而增大。 涡心深度增加表明结晶器高温区下移, 下移量过大会导致夹杂物上浮困难, 液面保护渣不易熔化, 而且造成结晶器出口处坯壳厚度减少, 从而增加拉漏的危险性, 但拉速大则生产率高。 由图9可见, 液面湍动能K 随着拉速的提高而增大, 这是由于拉速提高时, 水口的出口流量增大, 流股动能增强, 增大的流股从水口流出后增强了上回流区对液面的扰动, 从而使液面湍动能增大。 拉速不同时, 其较大值均位于液面翼梢及靠近腹板中心处。
图6 水口倾角对涡心深度的影响
Fig.6 Effect of exit obliquity on vertex center depth
图7 水口倾角对液面湍动的影响
Fig.7 Effect of exit obliquity on kinetic energy of liquid steel level
图8 拉速对涡心深度的影响
Fig.8 Effect of casting speed on sertex center depth
图9 拉速对液面动能的影响
Fig.9 Effect of casting speed on kinetic energy of liquid steel level
3 结论
1) 以湍流理论和k -ε 双方程模型数值求解了异形坯连铸结晶器内的三维流场, 计算结果与水模实验较为吻合
[12 ]
; 120°夹角的水口形成的流场分布较为合理, 这对于减少裂纹、 提高铸坯质量具有显著意义。
2) 水口倾角决定了射流冲击点位置以及结晶器内上下回流区的大小, 同时直接影响到表面湍动能的分布状态。 综合考虑各种因素, 应选用上倾式水口。
3) 拉速是提高生产率的最积极因素。 但是过多地提高拉速, 将加剧液面波动, 造成二次氧化, 因而增加发生裂纹和夹渣缺陷的倾向。 对于500 mm×300 mm×120 mm异形坯, 适宜的拉速为0.9 m/s。
4) 该软件可对连铸过程进行离线仿真, 对水口结构参数及工艺参数进行综合优化, 从而使结晶器内的流动行为更加合理, 提高铸坯质量和生产率。
参考文献
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[2] SzekelyJ.Flowpatternvelocityandturbulenceenergymeasurementandpredictioninawatermodelofanargon stirredladle[J].MetallTrans, 1976, 7B :287-295.
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[12] SHENGChang (沈 昶) .异形坯连铸结晶器流场的水模型研究[J].SteelMaking (炼钢) , 2000 (1) :30-33.
