28板坯连铸结晶器中钢液凝固规律的研究8-31

板坯连铸结晶器中钢液凝固规律的研究赵晶晶1，程树森11，吴狄峰1,2（1.北京科技大学冶金与生态工程学院，100083.2.宝钢股份公司研究院，201900）摘要：本文采用VOF多相流模型以及糊状区多孔介质法对结晶器中的钢液流动、传热和凝固进行了耦合数值模拟，并比较了有无电磁制动情况下的结晶器流场及坯壳厚度分布。研究表明，无电磁制动时，坯壳在结晶器横截面上的厚度分布不均，宽面中心的坯壳较厚，而在宽面靠近角部处的坯壳却相对较薄。由于钢液射流对窄面有较大的冲击，冲击点处的坯壳最薄，在其附近出现了坯壳厚度沿高度“零增长”的现象。随着拉速的提高，结晶器内的坯壳变得越来越薄，当拉速达到1.5m/min时，窄面冲击点的坯壳厚度仅在1mm左右，坯壳极容易拉漏，是提高拉速的限制环节。使用电磁制动技术能够较好的减小钢液射流对窄面的冲击，当磁场强度为0.2T时冲击点处的坯壳增大到6mm左右，极大地减小了坯壳拉漏的可能性。但是，电磁制动会导致钢液对宽面坯壳的冲刷加剧，使宽面坯壳大范围减薄。因此使用电磁制动时必须要选择合适的磁场强度。关键词：结晶器，温度场，凝固坯壳，电磁制动中图分类号：TF777.1基金项目：国家自然科学基金(编号60672145)StudyoftheMoltenSteelSolidificationintheContinuousCastingSlabMoldZHAOJing-jing1,CHENGShu-sen1,WUDi-feng1,2（1.SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,100083,China.2.BaosteelResearchInstitute,201900，China）Abstract:Anumericalsimulationmethodwasusedinthisarticletostudytheturbulentflowandheattransfercoupledwithsolidificationinmoldbyusingvolumeoffluid(VOF)modelandporositymethodinthemushyzone.ComparisonsoftheflowfieldandthesolidshellthicknessinmoldweregivenwhenusingtheEMBRornot.Asresultsshow,solidshelldoesnotdistributeuniformlyatthecross-sectionofthemold.Solidshellatthewidefacecenteristhickerthanotherpart,butthewidefaceshellnearthecornerisrelativelythin.Duetothejetimpingementonthenarrowface,thesolidshellinthisplaceisthethinnest,whichcausesazeroincreaseoftheshellthicknessalongthenarrowfaceneartheimpingementpoint.Solidshellbecomesthinnerandthinnerasthecastingspeedincreases.Whenthespeedreaches1.5m/min,thesolidshellattheimpingementpointisonlyabout1mmthick,whichcaneasilycausethebreakoutoftheshellandlimittheincreaseofcastingspeed.Usingelectric-magneticbrakecaneffectivelydecreasethejetimpingementonthenarrowface.Whenthemagneticdensityis0.2T,thesolidshellthicknessattheimpingementpointcanincreaseto6mm,whicheffectivelyminimizethepossibilityoftheshellbreakout.Butusingtheelectro-magneticbrakecanalsomaketheerosionofthesolidshellworseatthewideface,whichcausesthedecreaseoftheshellthickness.SotherightmagneticdensitymustbechosewhenusingtheEMBR.Keywords:mold,temperaturefield,solidshell,electric-magneticbrake1.作者简介：程树森，男，教授，博士生导师。E-mail：[e-mail]1．引言在结晶器中，钢液在水口出口处形成一股速度较大的射流，对窄面产生较大的冲击，导致冲击点附近的凝固坯壳较薄。在实际生产中，通常采用提高拉速的方法来提高钢产量，但较大的拉速会使窄面坯壳过薄而导致拉漏现象。由于窄面冲击点附近的坯壳最薄，最容易拉漏，因此其成为提高钢产量的限制环节。目前钢厂多采用在结晶器部位安装电磁制动器的方法，通过减小钢液射流的速度来减小其对窄面的冲击，使窄面坯壳保持一定的厚度。对坯壳厚度的研究多采用硫印的实验方法，但由于实验成本较高，国内外许多学者[1-5]都采用数值模拟的方法对结晶器内的钢液凝固进行研究。本文使用多孔介质方法模拟了结晶器中的钢液凝固现象，并讨论了电磁制动情况下的钢液凝固规律。2．数学模型本文以断面尺寸为1550mm×220mm的板坯连铸机作为研究对象，对结晶器内的钢液流动和传热凝固进行了耦合计算。结晶器长900mm，模型长度取为2m；浸入式水口的插入深度为0.125m，其中孔直径为0.06m，侧孔的尺寸为45mm×80mm；水口的出口角度为25度向下；拉速为1m/min。以结晶器的1/4模型作为研究对象，其模型示意图如图1所示。钢液和空气的物性参数见表1。图1结晶器模型示意图Fig.1Theschematicmodelofmold2.1基本假设（1）结晶器内的钢液为稳态不可压缩流动；（2）不考虑钢液上方保护渣的存在，计算中只考虑钢液及其上方空气的存在；（3）不考虑结晶器振动以及电磁搅拌等工艺操作，不考虑水口吹氩；（4）忽略钢液由于凝固而产生的体积收缩，不考虑结晶器锥度及气隙等因素。2.2控制方程本文使用κ-ε湍流模型对结晶器内的钢液流动进行计算，采用糊状区多孔介质法对结晶器内钢液的凝固进行模拟，并使用VOF模型同时考虑钢液和空气的两相流动。VOF模型中每个组分共用一套动量方程，通过追踪每个计算单元的体积分数来确定界面形状。多孔介质法把钢液与坯壳间的糊状区看作多孔介质，其空隙度用钢液的液相分数表示。由于液体凝固所导致的压力损失，通过在动量方程和湍流方程中添加压力损失项来实现。对这些方法具体的介绍请参阅文献[6-10]。模型中使用的控制方程如下：表1钢液、空气的物性参数Table1Propertiesoftheliquidsteelandair参数/物质钢液空气密度，kg/m370201.225粘度，kg/(m·s)0.00551.789×10-5导热系数，W/(m·k)46.40.0242热容，J/(kg·K)6281006凝固潜热，KJ/kg268－液相线温度，℃1514－固相线温度，℃1490－相对磁导率1.01.0电导率，S/m7.14×1051.0×10-5（1）连续性方程：()0iiv；其中i为组分i的体积分数，1i。（2）动量方程：T()[()]mvvpvvgS其中Sm为由于钢液凝固而导致的动量损失项。（3）湍流方程：K方程：KKKtSGKKv])[()(方程：12()[()]()tvCGCSK其中))((TvvvGtK，2tDC；Sκ和Sε均为压力损失项；常数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是传热方程的源项；ρ、λ和Cp分别为流体的密度、导热系数和比热；H，h都为热焓；href为相对于温度Tref的参考热焓；L为潜热；ΔH为焓变，其值在0~L之间，固态时为0，液态时为L；fl（fs）为液相分数（固相分数）。2.3边界设置：（1）入口根据入口、出口处的质量守恒来确定钢液的入口速度，入口的湍流参数由经验公式给出；钢液具有一定的过热度，入口处的温度为1540℃。（2）自由液面由于不考虑保护渣的存在，钢液上方为空气，设为压力出口边界，P=1atm；空气的温度为35℃。（3）出口使用速度出口边界，钢液出口速度设为拉速。（4）对称面除对称面的法向速度分量为0外，其余所有变量沿对称面的法向方向梯度都为0。（5）壁面使用无滑移边界条件，即壁面处的速度为0；窄面与宽面的热边界设为对流换热，窄面的对流换热系数为1069W/（m2·℃），宽面为975W/（m2·℃）；其余壁面设为绝热。3．计算结果及分析3.1结晶器内钢液流动及凝固坯壳变化规律钢液在结晶器内的传热方式与其流动密切相关，图2给出了结晶器内钢液的速度及温度分布。具有一定过热度的钢液从浸入式水口进入结晶器，在水口出口处形成一股速度较大的射流。由于与结晶器内部的钢液进行着强烈的湍流换热，射流温度迅速降低，钢液在到达窄面时温度由1540℃降至1520℃。射流与窄面碰撞后，在结晶器内形成了两个方向相反的回流。由于钢液上回流所占空间较小，高温钢液换热不充分，导致结晶器上部钢液温度较高，一部分过热被带到钢渣界面处，有利于保护渣的熔化。而在结晶器下部，较大的下回流空间使得钢液换热相对充分，钢液温度较低且梯度较小，大部分钢液温度都在凝固点1514℃附近，为凝固坯壳的生长创造了有利条件。图2结晶器内钢液流场、温度场Fig.2Flowfieldandtemperaturefieldinmold图3坯壳沿窄面、宽面中心线的厚度变化（Vc=1m/min）Fig.3Solidshellthicknessalongthecenterlineofthenarrowfaceandthewideface(Vc=1m/min)保证结晶器内形成一定厚度的坯壳是连铸生产正常进行的前提。本文以钢液液相分数为0.1处作为坯壳凝固前沿，给出了结晶器内坯壳厚度变化特征，如图3所示，其中冲击速度表示钢液在冲击窄面时的法向速度。从图中可以看出，在结晶器中，宽面坯壳厚度随着离自由液面距离的增加而基本呈线性增长，在距自由液面1.6m处坯壳厚度达到最大值（32mm）。而窄面坯壳与宽面相比，厚度相对较小，且坯壳的增长速度不同。在离自由液面较近处，宽面与窄面坯壳几乎以相同的速度增长，两者的坯壳厚度相差不大。由于钢液射流对窄面的冲击较大，冲击点附近的凝固坯壳增长速度极慢。在距自由液面0.4m处，冲击速度达到最大（0.1m/s），故窄面坯壳开始出现厚度沿高度“零增长”的现象，其厚度保持在7mm。随着与自由液面距离的增加，在0.6m处窄面的坯壳厚度开始迅速增加，且其生长速度开始超过宽面坯壳的生长速度，在距自由液面1.6m处坯壳厚度达到最大值，在27mm左右。图4结晶器横截面处坯壳厚度分布Fig.4Solidshellthicknessdistributiononthecross-sectionofthemold由于结晶器的冷却作用，钢液在其内部存在3种状态：固相、液相、固液混合（即糊状