水口結構對板坯連鑄結晶器流場的影響

馮 巍，張 開，方 磊，吳偉勤，劉天宇，雷 洪

（1.南京鋼鐵股份有限公司第一煉鋼廠，江蘇 南京 210035；2.東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110004；3.東北大學冶金學院，遼寧 沈陽 110004；4.南京鋼鐵股份有限公司板材事業部，江蘇 南京 210035）

連鑄是現代煉鋼生產的關鍵環節，而結晶器是連鑄機的核心設備。現場實踐和已有研究表明，不合理的結晶器流場，可能導致鋼液表面流速太大從而引起卷渣或者沖擊凝固坯殼速度過大導致凝固坯殼過薄甚至造成漏鋼事故。因此結晶器內流場優化一直受到廣大連鑄工作的研究重點[1-5]。伴隨著計算機硬件和軟件的發展，數值模擬已經成為冶金學者研究連鑄機內傳輸過程的必要手段[3-5]。針對南鋼煉鋼廠的生產實際，本研究采用數值模擬手段研究了浸入式水口結構、結晶器的寬度和鑄坯拉速對結晶器內鋼液流動行為的影響，為板坯連鑄生產控制提供理論指導。

1 流場數學模型

1.1 基本假設

（1）結晶器內鋼液流動為單相不可壓縮的牛頓流體的穩態流動；

（2）鋼液的物性參數均為常量；

（3）因為鋼液中夾雜物很低，因此其對鋼液流動的影響可以忽略不計；

（4）忽略結晶器振動及鋼液表面保護渣對鋼液流動的影響，認為結晶器液面是平的；

（5）忽略凝固坯殼和結晶器內壁的傾斜效果。

1.2 控制方程

結晶器內鋼液的流動可以采用連續性方程、動量守恒方程和標準k-ε雙方程[4-6]來確定。

連續性方程

式中：ρ為鋼液密度，kg/m3；v為鋼液速度，m/s；x為坐標；

動量守恒方程：

式中：p為鋼液壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；μeff為鋼液的有效黏度。基中，有效黏度由k-ε雙方程湍流模擬確定。

2 計算區域及邊界條件

考慮到連鑄結晶器的對稱性，計算區域可以只取鑄坯的1/4，從而大幅度地減少網格數量，有效地減少了計算耗時。

2.1 結晶器壁面和水口壁面

垂直于壁面的法向速度分量設為零，平行于壁面的壓力、速度、湍動能和湍動能耗散率采用無滑移邊界，在近壁面位置采用壁面函數。

2.2 水口入口

根據進出口流量守恒，結晶器入口速度可下面的公式來確定：

式中：vin為浸入式水口進口速度，m/s；vpull為拉坯速度，m/s；smold和ssen分別為結晶器出口截面面積和浸入式水口進口處截面面積，m2。

2.3 對稱面

垂直于對稱面的速度分量設為零，其他的所有物理量沿稱面的法線方向的梯度皆為零。

2.4 自由液面

在自由液面采用滑移邊界條件，即垂直于自由液面的速度分量設為零，其他的所有物理量沿稱面的法線方向的梯度皆為零。

2.5 出 口

所有物理量沿出口的法線方向的梯度皆為零。

3 計算方法

圖1表明計算域為鑄坯體積的1/4，相關計算參數如表1所示。

計算域區域的剖分采用六面體網格，網格質量大于0.9。采用有限容積法將偏微分方程離散成差分方程，速度和壓力的耦合計算采用SIMPLE 算法，每個計算方案需要迭代約5 000～6 000步才能得到收斂解。模擬計算的收斂判斷標準為各變量的殘差小于10-7和進出口流量小于1%。

圖1 結晶器計算區域

表1 模型的物理參數

4 結果與討論

4.1 浸入式水口結構

圖2是浸入式水口的底部結構示意圖。浸入式水口底部可采用凹底、平底及尖底三種結構。在這三種水口入口處，鋼液速度皆為1.72 m/s，入口截面積完全相同，出口的截面亦相同，唯一不同的是底部形狀。

圖3是不同水口下結晶器流場示意圖。圖3表明，雖然浸入式水口底部結構不同，但是結晶器內鋼液流場十分相似。鋼液垂直進入浸入式水口后，直線沖擊水口底部，而后分為左右兩股流出浸入式水口；從浸入式水口流出的鋼液以射流方式沖擊結晶器窄面后分成兩個上下兩個流股。其中一個流股沿窄面向上達到液面后轉而沿液面向水口流動，最后形成上部回流區；另一個流股沿窄面向下流動，到達一定深度后，部分流體轉變流動方向形成下部回流區，部分流體則繼續下行。

4.2 結晶器寬度

圖4是不同結晶器寬度下結晶器流場示意圖。圖4（a）表明，當結晶器寬度為1 200 mm時，上部回流和下部回流流經的區域均較小。上部回流區的渦心距自由液面450 mm，距窄面中心對稱面300 mm；下部回流區的渦心距自由表面1 500 mm，距窄面中心對稱面300 mm。圖4（b）表示結晶器寬度為2 070 mm 時流場的上部回流區形狀與圖4（a）相似，區別在于上部回流和下部回流流經的區域較大。上部回流區的渦心距自由液面900 mm，距窄面中心對稱面520 mm；下部回流區的渦心距自由表面3 000 mm，距窄面中心對稱面520 mm。圖4（b）還表明，出口處出現了部分流體回流的現象。這是因為在相同的流量下，結晶器寬度越大，沖擊窄面的動能越小，下部回旋區就越大。

圖2 浸入式水口的底部結構

圖3 不同水口下結晶器流場

圖4 不同結晶器寬度下結晶器流場

4.3 浸入式水口結構的影響

圖5是不同的浸入式水口結構對液面速度分布的影響圖。圖5給出了水口和液面的水平速度。水口和結晶器液面被浸入式水口耐火材料隔開，因此圖5中的速度分為左右兩段。在浸入式水口內，鋼液速度沿水口軸線方向，因此鋼液的水平速度接近于零。鋼液速度在液面的分布是不均勻的，速度的分布呈現“拋物線”的形狀。不同的浸入式水口結構，其液面速度的分布基本一致，區別在于鋼液速度最大值及其出現位置略有不同。當采用尖底水口時，在距水口距離為0.47 m 處，液面速度出現最大值0.36 m/s；當采用凹底水口時，在距水口距離0.45 m 處遠，液面速度達到最大值0.34 m/s。這是因為不同的水口底部結構會造成鋼液不同的動能損失。當水口底部結構采用凹面時，鋼液損失的動能最多，液面速度較小，液面穩定，不易發生卷渣；當采用斜面水口時，液面速度較大，有利于化渣。

圖6是不同浸入式水口對窄面沖擊點的影響圖。圖6表明，在不同底部結構的浸入式水口下，鋼液沖擊窄面位置基本相同并且流體在窄面的速度分布也相似。從浸入式水口流出的鋼液高速地沖向位于液面下0.47 m 處的窄面位置，沿窄面上行的流體在距自由液面0.28 m處速度達到最大值，然后減速流向自由液面；沿窄面向下行的流體在距鋼液表面0.79 m處流體速度達到最大值，然后減速流向出口。

圖5 不同的浸入式水口結構對液面速度分布的影響

圖6 不同浸入式水口對窄面沖擊點的影響

4.4 鑄坯拉速的影響

圖7是采用尖底底部結構水口時不同拉坯速度下的結晶器液面速度圖。圖7表明不同的拉速下，自由液面處鋼液速度分布相似，但是鋼液速度值呈現較大差異。拉坯速度越大，鋼液液面速度峰值越大，且峰值均出現在距水口距離0.45 m 處。當拉速為1.4 m/min 時，其速度最大值為0.42 m/s；拉速為1.2 m/min時，其速度最大值為0.29 m/min，相差0.13 m/min。因此拉速越大，自由液面速度波動越劇烈，卷渣越容易發生。

圖7 鑄坯拉速對液面速度分布的影響

圖8 鑄坯拉速對窄面沖擊點的影響

圖8是采用尖底底部結構水口時不同拉坯速度下的沿結晶器窄面的鋼液速度。在不同的拉速下，鋼液流股沖擊到窄面位置基本相同，皆為0.47 m；但是鋼液流股沿窄面向上和向下流動時流體速度最大值不同。拉速為1.4 m/min時，鋼液向上流動速度最大值為0.21 m/s，向下流動速度最大值為0.28 m/s；拉速為1.2 m/min時，鋼液向上流動速度最大值為0.18 m/s，向下流動速度最大值為0.24 m/s。因此拉速越大，鋼液的沖擊深度越大，越容易產生漏鋼事故。

5 結 論

（1）不同的浸入式水口（凹底、平底和尖底）下，結晶器內鋼液流場相似，流體從浸入式水口流出后沖擊計算域窄面，形成兩個流股，上升流股達到自由液面后在結晶器上部形成上部回流區，下降流股下結晶器下部形成下部回流區。

（2）結晶器寬度為1 200 mm 時，上部和下部的回流區范圍較小；結晶器寬度為2 070 mm 時，上部和下部的回流區較大。

（3）雖然浸入式水口底部結構（凹底、平底和尖底）不同，但是液面的速度分布基本相似，都呈現“拋物狀”形狀，但是凹底水口導致液面流速最小，平底次之，尖底最大。不同浸入式水口下鋼液流股在窄面的沖擊點位置相同。

（4）在不同的拉坯速度下，結晶器液面速度的分布相似；隨著拉坯速度的逐漸增大，結晶器液面速度逐漸增大，但是鋼液流股沖擊窄面的位置保持不變。