特大圓坯澆鑄水口及結晶器內流場的研究

張興中 黃 文 孫立明 郝俊霞

燕山大學，秦皇島，066004

0 引言

隨著現代連鑄技術的不斷進步，不同領域對連鑄坯的形狀、尺寸等都有了越來越高的要求。連鑄圓坯直徑的增大使得生產合格鑄坯的難度增大，實際生產中經常出現中心偏析、中心疏松、表面裂紋、中心裂紋等問題，有時甚至出現漏鋼事故，目前φ1000mm的圓坯連鑄還處于研究和試制階段，連鑄工藝還不成熟。近幾年對大板坯和大方坯的研究較多。Thomas等［1-2］對連鑄板坯的流場進行了分析，朱苗勇等［3］對板坯結晶器內的流場進行了分析，孫海波等［4］研究了注流方式對大方坯結晶器內鋼水流動與溫度狀態(tài)的影響。目前在圓坯研究方面，對于斷面尺寸在φ500mm以下的圓坯研究較多。姚曼等［5-6］對φ178mm圓坯結晶器內的熱流、溫度場及坯殼厚度進行了研究與模擬，唐海燕等［7］、孫開明等［8］對 φ400mm 圓坯連鑄凝固傳熱數學模型進行了研究，劉國平等［9］對φ450mm圓坯連鑄采用的定徑水口結晶器內的流場進行了研究。目前對特大圓坯連鑄研究不多，特別是關于φ800mm以上特大圓坯的相關研究鮮見報道。特大圓坯連鑄過程中，鋼水在結晶器內的流場、傳熱凝固、液面波動及液面處鋼水的流動狀況直接影響著連鑄生產過程及連鑄坯質量。

本文針對φ1000mm特大圓坯，提出一種四孔旋流澆鑄水口，并對水口出口傾角、結晶器內的流場和溫度場、鋼水的凝固、坯殼的生成及液面波動等進行了研究。

1 旋流式水口

目前連鑄所用的水口主要有直通式、側面出口式兩種。對于直通式水口，鋼水從水口的下面流出，鋼水沖擊深度較大，不利于鋼水中夾雜物上浮以及結晶器液面處鋼水的流動，對鑄坯的內部質量和保護渣融化等會產生不利影響;側面出口式水口有二孔、三孔、四孔等多種形式，多為出口與水口軸線垂直，鋼水直接沖擊結晶器壁附近的坯殼，使初生成的坯殼局部變薄，對坯殼的生長和厚度均勻性產生不利影響。側面出口與水口中心軸線成一定角度，使鋼水出水口后具有一個沿結晶器周向的分速度，鋼水在結晶器內產生周向旋轉流動，可使溫度場均勻，減少鋼水對坯殼的直接沖擊，坯殼厚度趨于均勻。另外，水口出口在鉛垂方向的傾角不同，對液面處鋼水的流動和鋼流沖擊深度會產生不同影響，通過控制此傾角可以獲得較理想的澆鑄狀態(tài)。

針對φ1000mm的圓坯連鑄，經過多次試算比較，本文決定采用四孔旋流水口，如圖1所示，其結構參數如表1所示。水口出口在鉛垂方向的角度通過后面的分析確定。

圖1 水口示意圖

表1 水口的結構參數

2 計算模型

2.1 三維流動傳熱數學模型

針對特大尺寸的圓坯，其結晶器內徑為φ1000mm，有效長度為1000mm，為分析結晶器內流場，其計算鑄坯長度取為2000mm。計算模型進行如下假設:①鋼水是黏性、不可壓縮的牛頓流體;②不考慮結晶器錐度的影響;③忽略結晶器振動的影響;④忽略保護渣物理化學變化對傳熱的影響;⑤不考慮凝固時收縮變形的影響。計算控制方程有質量、能量與動量方程，還有湍流能方程、湍動能耗散方程和傳熱方程、凝固方程，這里不再賚述。

2.2 邊界條件

(1)入口:入口速度根據拉坯速度及質量守恒定律確定，拉坯速度設為0.25m/min，入口湍動能k、湍動能耗散率ε值由拉坯速度確定。

(2)出口:模型出口邊界設為自由出流邊界。

(3)鋼液面:計算結晶器內流場時，鋼水液面設置為對稱邊界;計算液面波動時，鋼水液面設為自由表面，上面覆蓋有保護渣層，渣層厚度取為30mm。

(4)結晶器壁面及水口內外壁面邊界:鑄坯外表面和水口內外壁面為墻壁，墻壁附近用近壁函數描述其層流和湍流狀況，且無滑移。結晶器內冷卻條件與鑄坯出結晶器后的冷卻條件不同。

結晶器內冷卻條件為［10］

式中，q為熱流密度，W/m2;q0為結晶器邊界的平均熱流密度，W/m2;k為線性段的斜率;z為沿結晶器縱向的坐標，m;vp為拉坯速度，m/s;C、B為常數。

出結晶器后鑄坯表面的冷卻條件用綜合對流換熱方程來計算，計算公式為

式中，h為對流換熱系數，W/(m2·K);TS為鑄坯表面溫度，K;TW為冷卻水溫度，K。

2.3 鋼的物理性質

45鋼的液相線溫度為1492℃，固相線溫度為1341℃，密度取為常數 7400kg/m3，質量熱容1492℃ 時 為 711J/(kg · K)，1341℃ 時 為878J/(kg·K)，固液兩相區(qū)采用平均比熱法。凝固潛熱為272 000J/kg，導熱系數λ為溫度T的線性函數，表示為λ=15.88+0.0115T。

3 數值模擬結果及分析

水口采用不同出口傾角時，在拉坯速度為0.25m/min，不同水口插入深度以及不同鋼水過熱度的情況下，利用有限元仿真平臺，對結晶器內溫度場、流場、鋼水的凝固以及液面波動等進行流－熱－固耦合分析。

3.1 水口角度

水口出口一般向下傾斜，使鋼水具有一個向下的初始分速度，避免向上回流的速度太大而出現液面波動和卷渣現象。當水口出口的向下傾角分別為 0°、5°、10°時，結晶器內的流場如圖 2 所示。結晶器出口處鑄坯表面溫度分布如圖3所示。從仿真結果可以看出:

(1)流場的分布情況基本相似，但隨著水口出口傾角的變大，射流沖擊位置向下移動，同時上回流區(qū)域變大，使得鋼液面處的流速變小，有利于減小液面波動。

圖2 結晶器內流場

圖3 結晶器出口坯殼表面溫度分布圖

(2)鋼液面溫度隨著水口出口傾角的增大略有降低，傾角分別為0°、5°、10°時的鋼液面最高溫度依次為1763.02K、1762.91K、1759K。

(3)隨著水口出口傾角增大，結晶器出口截面處的芯部溫度基本不變，但坯殼外表面溫度變化較大，如圖3所示，坯殼厚度沿圓周方向不均勻程度的增加。水口出口傾角為0°時，該截面處坯殼的最小厚度為 24.29mm，最大厚度為45.71mm;傾角為5°時，該截面處的坯殼最小厚度為21.02mm，最大厚度為45.78mm;傾角為10°時，該截面處的坯殼最小厚度為19.55mm，最大厚度為46.27mm。

由此可見，水口出口傾角對沖擊深度和結晶器出口處坯殼厚度的均勻性影響較大，對液面溫度、液面處鋼液的流動影響不大。因此旋流水口的出口傾角可采用0°。

3.2 水口浸入深度

水口浸入深度分別取70mm、80mm、90mm、100mm進行分析，通過分析結果可知:①不同的浸入深度流體的運動狀態(tài)略有不同;②隨著水口浸入深度的增加，漩渦中心距液面的距離增大，射流鋼液深度增大，流場中的上回流速度變大，但由于水口出口至液面間距離增加，向上回流的鋼液到達液面時的速度變小，有利于保護渣均勻穩(wěn)定，并能防止因卷渣而出現的皮下缺陷;③隨著水口浸入深度的增加，液面處鋼水速度變小，液面的最高溫度基本相同，但液面溫度分布的不均勻性略有升高;④沿圓周方向坯殼厚度分布不均勻，隨著水口浸入深度的增加，結晶器出口處液芯中心溫度基本不變，但鑄坯表面最低溫度升高，如表2所示，沿周向坯殼最大厚度基本不變，但最小坯殼厚度減小較多，可見，水口浸入深度較小時，結晶器出口處坯殼厚度的均勻性較好;⑤水口浸入深度在70～100mm變化時，液面波動幅度在1.51～1.42mm之間，液面波動量均比較小。

表2 結晶器出口截面處的數據表

由以上分析結果，為保證結晶器出口處坯殼厚度的均勻性，可采用水口浸入深度為70mm。

4 結論

(1)本文提出四孔旋流水口，采用出口傾角為0°，可以減小鋼流的沖擊深度，有利于氣泡和夾雜物的上浮。

(2)水口的旋流作用使結晶器內鋼水產生了旋轉流動，起到部分電磁攪拌的作用。相比于普通多孔水口，采用此旋流水口，結晶器內鋼水凝固殼的厚度分布趨于均勻。

(3)鋼液的旋流作用使結晶器內鋼水溫度趨于均勻，過熱區(qū)減小，固液兩相區(qū)厚度變大，有利于等軸晶的生長。

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