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特大圆坯连铸用新型浸入式水口的设计与探讨研究
张兴中1，郑学然2，刘庆国1，王超3
(1.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛 066004；2.连铸技术国家工程研究中心，北京 100081；3.一重集团大连设计研究院，辽宁 大连 116600)
摘 要：针对特大截面圆坯连续浇铸的特点，基于依靠浸入式水口自身结构减小钢流冲击深度，同时保证流动与传热沿周向分布均匀的思想，首次提出了新型浸入式伞形水口设计方案，并建立了结晶器内钢水的流-热-固耦合模型，对钢水的流动、传热和凝固行为进行了数值耦合模拟分析，验证了此水口的优越性与合理性：伞形水口的射流在结晶器内形成上下两个回流区，不仅有利于夹杂物、气体等的上浮分离，还能有效降低钢流冲击深度，使过热钢液均匀分布在结晶器上部，可提高弯月面温度和化渣效果；沿周向凝壳生长均匀，减轻了纵裂纹的萌生概率；在0.35m/min拉速下，出结晶器凝壳厚度达到31.2mm，满足安全生产要求。
关 键 词：特大圆坯；连铸；伞形浸入式水口；流场；凝固；温度场
近些年，大口径无缝钢管、大型压力容器、回转件、机车车轮等领域产品需求强劲。特大截面圆坯因自身几何形状便于后续加工的独特优点而得到迅速发展，但随着连铸圆坯截面尺寸的增大，铸坯产生裂纹、偏析、疏松等缺陷的趋势也不断增加，改进特大圆坯的生产工艺和提高铸坯质量已成为目前亟需解决的问题。
浸入式水口结构尺寸和出流口形状直接决定着注入钢液在结晶器中的流动状态，并对钢液的凝固传热及最终铸坯的质量产生不容忽视的影响[1-2]。目前，广泛用于小圆坯连铸的是直筒型水口，它具有结构简单成本低、周向温度均匀等优点；但同时也有钢流冲击深度大、夹杂物上浮困难、弯月面温度低等很多缺点，且随着连铸坯断面的增大，这些缺点尤为突出。因此在大圆坯连铸中，直筒型水口和结晶器电磁搅拌配套使用，以改善结晶器内钢液流场及温度分布的均匀性。但电磁搅拌器的安装成本及维护费用很高，因此有学者[3]提出了具有近似电磁搅拌功能的多孔旋流水口，从而降低生产成本。
本文提出的伞形浸入式水口，对水口的形状、结构进行了设计，并通过数值仿真分析了采用该水口浇铸时结晶器内钢液的流动及凝固传热行为，从仿真结果可以看出，此水口使结晶器内钢液流动和凝固均匀，且冲击深度小，验证了其合理性和优越性，有广泛的推广应用价值。
1 浸入式水口设计
针对特大断面的圆坯连铸，伞形水口的结构体现了“中心对称”和“小冲击深度”的设计思想，如图1所示。其出流口是以一个平行四边形为母线将整个水口壁沿周向切开而形成的，在任意过轴线的纵截面内，出流方向与径向的水平夹角均为α，α即为水口的出流倾角。因出流口的形状呈伞状，故将该水口命名为“伞形水口”。表1列出了伞形水口的结构参数。
2 数学模型的建立
2.1模型的基本假设
建立连铸过程中结晶器内流动、传热与凝固耦合模型，结合实际作如下假设：1)钢液为不可压缩的牛顿型流体；2)忽略结晶器锥度和结晶器弧度；3)不考虑结晶器振动的影响；4)简化了弯月面的真实物理形态，将结晶器钢液面视为水平面；5)未考虑保护渣对结晶器液面传热和流动的影响；6)不计钢液凝固过程中产生的收缩变形。
2.2 计算模型
结晶器内钢液的流动和凝固传热过程控制方程有湍流模型方程、动量守恒方程、能量守恒方程、质量守恒方程、凝固模型方程，这里不再赘述。钢液的凝固潜热认为在两相区均匀释放，液相分数在固液两相区内认为与温度成线性关系，如式(1)所示：
式中：β为液相分数；T为钢液温度；Tl为液相线温度；Ts为固相线温度。
2.3 计算网格及边界条件
针对特大断面圆坯，结晶器有效长度为700mm，为提高模拟分析的精度，该模型的计算域取为600mm×1500mm。由于结构的对称性，取物理模型的1/2建模，网格划分和几何边界分别如图2和3所示。
2.3.1 入口边界
入口边界采用速度入口，给定垂直于入口的平均速度、温度以及湍流参数。湍动能由式(2)确定：
式中：κ为湍动能；
为入口处流体的平均流速；I为湍流强度；Re为雷诺数。湍动能耗散率ε由式(4)确定：
式中：l为湍流长度尺度；Cμ为湍流常数，取0.09。
2.3.2 钢液面和对称面
钢液面及对称面采用对称边界，即钢液面上法向速度为0，切向速度自由，其他各物理量沿边界法向梯度为0。
2.3.3 出口
出口为自由出流，并且给定已凝固坯壳的速度为拉坯速度。该边界处，径向允许梯度存在，但假定垂直于出口截面方向上的扩散通量为0，即除压力外其他变量的梯度为0。
2.3.4 计算域铸坯表面边界及水口壁面
采用无滑移固壁边界，壁面附近采用标准壁面函数法计算各量。计算域铸坯表面沿拉坯方向分为结晶器内外两个部分，简称为内段和外段，分别加载热边界条件。
内段采用修正的热流公式，采用文献[4]中提出的方法计算出热流密度，并参考文献[5-7]基于实测提出的热流密度分布规律对其进行修正，在拉速为0.35m/min时，热流密度为：
式中：q为热流密度；MW/m2；z为距结晶器钢液面距离，m；vp为拉坯速度，m/min。
外段为对流换热边界，对流换热系数为h=550W/(m2·K)，冷却水温度为35℃。
2.4 模拟工况及材料物性参数
模拟工况为外径600mm的45钢圆坯连铸工况，其浇铸工艺参数及材料物性参数分别如表2和表3[8]所示。
3 仿真结果分析
利用有限元软件对模型进行流-热-固耦合分析求解，得到了结晶器内流场、温度场及凝固壳厚度。
3.1 结晶器钢液面的流动与传热
图4为结晶器钢液面的速度矢量图，矢量的颜色和长度代表大小，箭头表示流动方向。从图4可以看出，钢液面具有较高的流速，且不失周向均匀性，钢液自弯月面流向中心。最大速度并未分布在弯月面附近，而是向中心迁移了一定距离，弯月面附近的流速为0.016m/s，这种速度分布有利于控制弯月面的状态和保护渣的融化润滑行为。
在钢液面的弯月面处、半径为0.2及0.1m位置，速度分布如图5所示，半径为0.1m的60°，180°两位置处于支承挂柱上，速度为0没有计入。从图5可以看出，各位置速度基本平稳，弯月面处沿周向速度波动微小，半径0.2m处速度波动稍大，但波动值仅在0.01m/s以内。总之，支承挂柱对速度影响不大，钢液面速度分布较为均匀，有益于保护渣的均匀分布。
结晶器钢液面的温度场云图见图6。由于计算模型简化了钢液面边界的传热条件，忽略了在垂直于液面方向上钢液通过保护渣向外界散失的热量，所以模拟结果比实际温度略高。从图6可以看出，钢液面温度沿周向分布基本均匀，沿径向呈现了较小的梯度，有利于保护渣熔化和分布均匀，有助于改善凝壳与结晶器壁间传热的均匀性，减少表面裂纹的产生。
3.2 特征截面的流场和温度场
模型对称面上的流场和温度场能基本反映钢液在结晶器内的流动和凝固传热特征。图7为结晶器纵向对称面上钢液的速度矢量图。
因伞形水口的出流口为环形，理论上沿出流口周向任意角度的流动情况都应相同，但支承挂柱的存在使流场均匀性受到了轻微的影响。射流抵达冲击部位的速度在0.170m/s以下，流股分流形成明显的上下两个环流。上环流有助于提高钢液面温度和温度分布的均匀性，钢液面具有一定的流动，可增强化渣能力，调节保护渣的层状结构，保证其冶金效果。由图7可以看出，向下的左右两个环流的形态略有差异，无柱一方在保持向上回流强度的同时，向结晶器出口流动的分流股也具有较高的速度，有柱一方则回流强度稍弱，向下的分流股明显衰减。总之，无柱方向涡流强度大，影响范围广；有柱方向涡流强度弱，影响范围相对小[9]。
对称面温度场如图8所示。由图8可以看出，过热钢液分布在结晶器上部的外围，使钢水的过热在结晶器上部耗散，且铸坯芯部钢液温度分布均匀。结晶器下部较大范围内钢液温度范围为1750～1757K，温度梯度很小，增大了两相区的宽度。这不仅有助于扩大等轴晶生成比例，而且加快了芯部钢液的凝固进程，有助于减轻偏析。另外，支承挂柱对温度场的影响较小，对铸坯表面附近温度场几乎没有影响。
为分析铸坯周向的温度分布特征，图9给出了钢液面下100mm位置处的温度场。该截面上铸坯周向温度分布均匀，可有效避免凝壳在收缩时因温度分布不均导致收缩不同而产生的热应力。由中心向外的大范围内分布着过热钢液，可促使过热在结晶器上部区域迅速耗散。
钢液面下100和160mm位置(此区域为射流对坯壳冲击较大的区域)坯壳表面温度分布如图10所示。
由图10可知，100mm位置处温度均不高于1400K，而160mm位置处温度在1650K左右，最高温度为1653K，坯壳表面周向温度变化较小。距弯月面100mm以下的一定区域内，坯壳表面温度有所回升，坯壳变薄，其主要原因是射流对坯壳冲击的影响。两位置铸坯表面周向温度均出现轻微的波动，100mm位置处温度最大波动幅值为20K，160mm位置处的最大波动幅值为38K，温度波动较小，热应力将控制在较小的范围。
3.3 凝壳厚度的分布规律
3.3.1 结晶器出口截面凝壳厚度分布
铸坯多数缺陷的产生主要源自结晶器内凝壳的不均匀性，这种不均匀性受钢液流动、气隙、拉速、温度分布、结晶器锥度和振动等因素影响[10]。图11为结晶器出口截面的凝壳厚度分布。由图11可以看出，若将液相分数小于或等于0.3的部分视为已凝固坯壳，结晶器出口处凝壳厚度沿周向分布均匀，能有效降低热应力，从而可减小裂纹的萌生概率。
3.3.2 凝壳纵向生长规律
若以钢水达到固相线温度来确定坯壳的厚度，结晶器内凝壳沿纵向的生长规律如图12所示。由图12可以看出，由于水口射流的冲击作用，坯壳在钢液面下0.1m处开始变薄，在0.2m左右处坯壳最薄，然后坯壳厚度较快增长，到结晶器出口处坯壳厚度为31.2mm，达到了出结晶器坯壳的安全厚度。伞形水口的射流使过热钢液分布在结晶器上部，高温延缓了钢液的凝固进程。水口射流的冲击作用使已经凝固的坯壳部分融化，坯壳融化会降低钢水的过热度，使两相区厚度增加，有利于等轴晶的生长。
坯壳厚度δ的理论计算公式为[11]：
式中：K为凝固系数，K=20～25mm/min1/2；l为结晶器有效长度，m。
由式(6)计算出结晶器出口处坯壳厚度为28～35mm，可见结晶器出口处坯壳厚度的仿真计算结果与理论计算结果一致。但式(6)没有考虑流场对坯壳厚度的影响，对结晶器内部坯壳厚度的计算误差较大。
4 结论
1)新型伞形水口使钢液在结晶器内形成了明显的上下两个环流区，有效降低了钢液冲击深度，有利于夹杂物等上浮去除；水口射流周向分布均匀，保证了周向流动和传热的均匀性。
2)伞形水口浇铸使过热钢液均匀分布于结晶器上部，分布范围广，过热耗散快。铸坯芯部温度梯度小，有助于抑制柱状晶发展，提高等轴晶比率，减轻偏析。
3)伞形水口出流方式使热中心上移，钢液面流动合理，提高了弯月面温度且保持了温度分布均匀，能够改善化渣效果。
4)对于三孔和四孔水口，由于出流口断面小，钢流速度大，钢流会冲击到对着出流口处的坯壳，使坯壳变薄，造成坯壳厚度和温度沿周向分布不均匀，产生较大的热应力，容易引起坯壳裂纹。同时结晶器内流场和温度分布不均匀，不利于钢水的均匀凝固；伞形水口沿周向均匀流出钢水，不存在局部冲刷坯壳的问题，流场和温度场均匀，周向坯壳厚度、温度分布均匀，可减小热应力，降低表面裂纹萌生概率。
5)本文提出的伞形水口出流口处结构比普通三孔、四孔水口复杂，制造难度会有所增加，但使用方便可行，其产生的合理流场、温度场等远优于普通三孔、四孔水口，会提高铸坯的质量，因此具有广泛的推广应用前景。
参 考 文 献：
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