摘要：对大方坯结晶器内钢水流动过程进行理论计算和分析，评估浸入式水口结构对结晶器内流场、自由液面波动的影响，并讨论有关工艺参数与浸入式水口结构参数之间的关系。

关键词：数值模拟；浸入式水口；流场；自由液面

     大方坯连铸结晶器内钢水流动具有很强的湍流流动特征，并且伴随着液面波动现象产生。它们都与连铸工艺和浸入式水口结构参数等因素有关。文中针对鞍山钢铁集团公司(以下简称鞍钢)四机四流大方坯结晶器内钢水波动及液面波动状况，采取数值计算，优化连铸工艺参数和浸入式水口结构。

1数学模拟和边界条件

1．1  数学模拟研究对象

    对大方坯连铸结晶器内钢水流动行为的研究主要考察以下两部分金属：

    (1)结晶器内的钢水和坯壳；

    (2)浸入式水口内腔中的钢水。

1．2流场计算涉及的基本方程

    基于上述空间结构和恒定的拉坯速度，结晶器内钢水流动呈稳态，对此湍流流动过程的数学描述分别需要以下微分方程：

    (1)连续方程；

    (2)时均化的Navior—Stokes方程；

    (3)标准k-e模型。

    在CFX软件中，上述方程及其数值求解算法均已内置，可以直接调用。

1．3  液体自由液面的计算方法

    CFX软件4．4版本提供了1种计算自由液面的方法。该方法基于单相流流场计算，在自由液面上忽略了界面张力和相间切应力的存在，而仅仅考虑流体内部动压和液面在重力负方向上波动带来的静压之间的平衡关系。自由表面形状通过表面区域网格在计算过程的动态拉伸来最终形成。

    结合连铸过程结晶器钢水液面波动的具体特点，上述的计算方法基本上是适合的。由于在实际情况下，连铸保护渣层具有3层结构，即熔渣层、烧结层和粉渣层，它们对钢水流动作用是十分复杂的，将它们充分考虑到数值计算中存在困难，因此，在此不予考虑。

1．4边界条件

  (1)水口壁面边界条件

  水口壁面上所有速度分量均为零；k和ε在近壁区域采用壁函数处理；

    (2)坯壳壁面边界条件

    坯壳壁面上除拉坯方向速度分量按拉坯速度设定外，其它速度分量均设为零；k和ε在近壁区域用壁函数处理；

    (3)对称面和自由液面边界条件

    垂直于对称面或自由液面的法向速度分量为零，对称面上的k和ε取ə／əx_i=0(x_i为垂直于对称面坐标方向)，自由液面上的动量方程和k、ε按零剪切力滑移壁面处理；

  (4)进口边界条件

  进口处的法向速度按进口流量的平均值设定,k、ε分别取如下二式的计算值：

    (5)出口边界条件

    按坐标局部单向化的要求，取出口法线正方向上所有变量的梯度为零。

2大方坯连铸结晶器和浸入式水口参数

    大方坯连铸结晶器和浸入式水口参数如表1所示。

3计算结果与讨论分析

3．1仿真计算的工艺条件和研究方案

    为研究两孔浸入式水口结构及连铸工艺参数对结晶器内钢水流动的影响，制定如下计算方案：

    (1)拉速恒定为0．8 m／min，水口侧孔角度不变，调节水口插入深度；

    (2)拉速恒定为0．8 m／min，水口插入深度不变，改变水口侧孔角度；

    (3)保持水口侧孔角度和插入深度不变，拉速由0．8 m／min变到1．2 m／min。

3．2  浸入式水口内腔中的钢水流动

    图1所示为两孔浸入式水口内腔中钢水流动状态和压力分布。当钢水注流撞击到下部时，要分成两股射流。出口截面上钢水流速分布明显是不均匀的，射流方向与侧孔角度也不太一致。侧孔出口处钢水的流动可分为两部分：

    (1)侧孔上半部分有较弱的回流，速度较小；

    (2)侧孔下半部分有较强的射流，且速度较大。

    研究发现，从侧孔角度和插入深度对浸入式水口内腔中钢水流场和压力分布影响的程度来看，前者作用要比后者明显得多。低压区面积随倾斜角度的增大而减小，随着水口侧孔角度增大，侧孔射流速度逐渐增大。

3．3  结晶器内钢水流动

    从图2结晶器中心垂直截面z一。钢水流场和速度(m／s)分布所示结晶器内钢水流动状态。两孔180⁰对称分布水口使大方坯连铸结晶器内的钢水流动具有以下特征：

    (1)两孔水口射流的影响主要集中在结晶器内上部，尤其是在水口和结晶器铜板之间最为突出；

    (2)可以明显地看出水口射流导致的旋涡主要集中结晶器上半部分；

    (3)各种工艺条件下，浸入式水口射流均形成对坯壳的直接冲击。

    结晶器内钢水的上述流动特征主要是浸入式水口基本结构所致。水口射流主要集中在液相穴上部，有利于夹杂物的上浮和排除，实际生产中该类措施常被用来提高铸坯的钢质洁净度。但水口射流的动能主要集中在结晶器上部消耗掉，势必会造成结晶器钢水液面的剧烈波动，引起卷渣漏钢事故，因此，结晶器内钢液流动应受到适当控制。

    当钢水进入结晶器后，结晶器内钢水流动分为上旋涡和下旋涡两部分，从图2中可以明显看出，旋流强度主要与水口出口倾角角度、插入深度以及拉坯速度有关。为进一步了解上述各因素对结晶器内钢水流动的影响，分别计算了不同插入深度和拉速条件下钢水湍流流动结果。下面将给出具体的计算结果，其坐标原点位于水口底部中心处，水平面建立XOY坐标面、Z为拉坯方向。断面为380mm×280mm，结晶器长度为800 mm。

3．3．1  倾角、插入深度、拉速对结晶器内钢水流动的影响

    针对两侧孔浸入式水口，分别计算了不同插入深度、倾角、拉速条件下钢水湍流流动计算结果，图3为结晶器中心垂直截面上钢水流场、速度分布在不同水口插入深度条件下的对比。可以发现，随着水口插入深度增大，水口侧孔处钢水射流冲击结晶器窄边位置逐渐下移。上旋涡钢水回流范围增大，而环流速度减小，钢水液面波动减小。与此同时，浸入式水口插入深度加大，各旋涡均呈现出下移趋势。在这种情况下，虽然有利于减少液面波动和保护渣卷入，但钢水中夹杂物上浮机率减小。

    图4为结晶器中心垂直截面上钢水有效粘度分布在不同水口侧孔倾角条件下的对比。可以发现，水口倾角对钢水流动的影响较大，随着侧孑L倾角的增大，侧孔射流形成的下旋涡对结晶器内钢水的影响明显增大，而上旋涡对自由液面的影响却减小。同时由于侧孔倾角的增大，侧孔射流对结晶器窄面的冲击明显下移，射流速度增大，冲击深度变深。

    图5为侧孔角度和插入深度不变的情况下，改变拉坯速度(0．8 m／min，1．2 m／min)得到的结果。可见，拉速对结晶器内钢水湍流流动的影响比较明显，随着拉速增加，水口射流的湍流脉动强度呈显著增加的趋势，对结晶器窄面坯壳产生很强的冲击力，严重影响结晶器出口处坯壳厚度及初生坯壳生长的均匀性。

3．3．2  自由液面计算结果及讨论

    仿真计算在给出结晶器内钢水流场的同时，也得到了钢水液面波动及速度分布等结果。

布，这说明水口周围钢水的旋涡流动为三维状，存在多个方向的冲击。当插入深度比较大时，自由面表现得比较平静，波高最大的地方正是钢水涌出的部位。

    图7为不同方案条件下，大方坯连铸结晶器内钢水液面的波动和自由液面形状基本相似，只是波高差(波高差：波动最大值一波动最小值)随着工艺参数的不同而不同。

  文中上述计算结果为鞍钢280mm×380mm断面大方坯连铸工艺参数和浸入式水口结构优化提供了可靠依据。

4结论

  利用大型商业软件CFX 4．4模拟计算了大方坯连铸结晶器在不同工艺条件下的钢水流动过程，对影响上述冶金现象的浸入式水口结构和有关工艺因素进行了研究和讨论，结论如下：

    (1)采用两侧孔浸入式水口存在出口截面上的回流现象，回流状况与侧孔倾斜角度有一定关系，但插入深度对回流上、下移动有影响；

    (2)水口侧孔倾角和插入深度同样有着密切关系，当侧孔倾角和插入深度增大时，钢水液面波动逐渐减弱；

    (3)水口射流对结晶器窄墙的冲击作用比较强，特别是拉速增大时冲击作用表现得更为明显。