摘要：针对宽板坯连铸生产现状，采用商业软件PHOENlCS对其建立三维数值模型，模拟宽板坯连铸结晶内钢液的流场分布。研究了不同水口倾角、插入深度及拉速等参数条件对结晶器内流场的影响，得出了适用于宽规格结晶器合理的浸入式水口。这为优化宽板坯结晶器内钢液的流场及浸入式水口结构及确定合理的工艺参数提供了科学依据。

关键词：宽板坯连铸；结晶器；浸入式水口；数值模拟

1     研究近况

    浸入式水口是钢水从中间包进入结晶器的通道。它存保护钢流、防止钢水二次氧化的同时，还改变着钢液在结晶器内的流动状态，采用结构合理的浸入式水口，使钢液冲击深度减小，促进夹杂物在结晶器内的上浮与去除，并使高温区上移，有利于坯壳的均匀生长，为保护渣的熔化提供热量。本文针对某钢厂新上的高拉速直弧型宽板坯连铸机，断面宽度范围为1 350～2 150 mm，无论从结晶器形状与断面范围，都有别于宽度为1 600 mm原铸机，但其水口完全是参照原铸机的结构设计的，钢液在结晶器内的流动情况不是很清楚。生产中铸坯表面纵裂时有发生，较大的断面宽度造成窄边液面温度过低，出现保护渣结壳的现象。冈此需优化设训‘浸入式水口，以达到宽规格结晶器内合理的钢液流场分布。

2    浸入式水口设计

    宽板坯连铸结晶器基本参数见图1。

    直弧形结晶器尺寸：断面230 mm×1 750～2 150 mm，长1 080 mm，液面距离80 mm。

    模拟研究原水口和不同工艺条件的新水口在结晶器内的流场分布。

影响结晶器流场的因素主要有水口出口角度、水口浸入深度、拉坯速度和出口面积比，要获得高质量的铸坯和高的生产率，应优化调整各工艺参数。本文在某钢厂原铸机浸入式水口的基础上，进行了水口结构及工艺参数的优化研究。

3   数学模型的建立

3．1  结晶器内钢液流动模型的基本假设

    (1)流动为不可压缩的粘性流体，密度为常数；

    (2)流体的自由面为光滑的水平面；

    (3)忽略钢液凝固对流动的影响；

    (4)钢液流动由水口出口初始速度驱动；

    (5)忽略结晶器振动对流场的影响；

    (6)结晶器内钢液按均相介质处理。

3．2  基本方程

    结晶器内钢液流动属湍流流动，利用不可压缩粘性流体的连续性方程、N—S方程及k—ε双方程模型，建立了描述方坯连铸结晶器内三维流动的数学模型，对结晶器内的流场进行了计算。

上述方法所出现的系数按Launder和Spalding所推荐的数据取：C₁=1．44，C₂=1．92，C_μ=0．09，σ_k=1．0，σ_ε=1．3。

3．3  边界条件

    (1)结晶器内自由液面上：

    把垂直于自由液面的速度设为零，其它物理量沿法线方向的梯度设为零。   

    (2)入口边界

    对于浸入式水口，可由拉坯速度根据流量平衡原理来确定水口钢液流速。

    (3)出口边界

    结晶器出口处为一维流动，各物理量沿该截面法线方向的导数为零。

    (4)结晶器壁面上的边界条件

    在结晶器内壁面附近的粘性边界层中，湍流计算一般采用低雷诺数的k—ε模型或壁面函数法。

3．4  数学模型的计算方法

    用上述微分方程和边界条件，建立数学模型，利用PHOENICS软件对结晶器内钢液流场进行数学模拟计算。鉴于结晶器为以ZOY平面对称的特点，实际计算取直弧形结晶器的二分之一，这样可以减少一半的计算工作量同时可细化网格的划分，提高计算的准确性。

4  计算结果分析

    对原水口及不同条件下的新水口分别进行了流场的模拟计算。本文主要以浸入深度及水口出口倾角两个因素进行数学模拟分析。原水口在宽板坯结晶器内流场基本特征见图2。

4．1  在一定条件下水口不同出口角及原水口计算结果分析

    原水口条件为：拉速为1．2 m／min，插入深度为160 mm，水口出口倾角15⁰。

现在计算条件为：拉速为1．2 m／min，插入深度为160 mm时水口在15⁰、10⁰、5⁰3种不同出口倾角的计算结果分析。不同出口倾角条件下流场的基本特征见图3。

    不同出口倾角条件下窄边压力变化及钢液面湍动能分布曲线见图4、图5。

    针对原水口和3种不同出口倾角的水口，利用PHOENICS商用软件对结晶器内的流场进行了模拟计算，在拉速1．2 m／min的条件下，结晶器内钢液的流场计算结果示于图2、图3。图4和图5分别是3种不同出口倾角条件下结晶器内窄边压力和钢液面湍动能分布曲线。

    速度很小，可以分析因窄边液面钢液流动非常不活跃，容易造成钢液温度过低不利于保护渣的熔化，使窄边附近的保护渣结壳，由图4和图5可看出原水口条件下流股对结晶器窄面的冲击压力也很小，使坯壳无法得到有效的冲刷，容易形成皮下缺陷；而从图3、图4和图5可看出，当设计水口出口倾角向下增大时，向下流股冲击深度增加，向上流股减弱，液面平静，保护渣覆盖良好，但随着向上流股的减弱，向下流股的加强，钢液面湍动能也越来越弱，很有可能导致表面和弯月面处钢液流动过缓，不利于保护渣的熔化，而且会使气泡和夹杂物在结晶器内的冲击深度过大，易造成气泡被凝固前沿捕捉而形成皮下缺陷，并且流股与窄面的冲击点下移，易造成拉漏事故；设计水口出口倾角向上增大时，结晶器上部的钢水向上流动的趋势和水口下面的钢水向上流动变得更加强烈，这有利于结晶器内夹杂物的上浮，但同时钢液流对液面冲击强度也随之增强，液面搅动加强，向上流动过强易造成保护渣的卷入和钢水的裸露形成二次氧化。

    比较图4和图5，出口倾角为5⁰时，液面湍动能过大。出口倾角为10⁰～15⁰时液面湍动能及结晶器窄边压力分布较为合理。

4．2  插入深度对结晶器内流场的影响

    计算条件为：拉速为1．2 m／min，水口出口倾角15⁰时，不同插入深度的计算结果分析。

    不同插入深度条件下钢液面湍动能及窄边压力分布曲线见图6、图7。

从图6可见，随着水口插入深度的增加，结晶器窄边的压力峰值离钢液面越远，结晶器内上循环流股所占的区域逐渐加大，但对钢渣界面的搅动逐渐减弱。因此，保护渣覆盖良好，不易发生卷渣，但随着穿透深度的增加，向钢液面传递的热量会随之下降。而从图7可以看出，过大的插入深度可能造成弯月面处钢液的湍动能很小，也就是钢液在此处容易冷凝，不利于保护渣的熔化。同时会造成向下的循环流股的整个区域下移，因此从中问包进入结晶器的钢液中的夹杂物上浮机会减少，并会有更多的高温钢液被带到结晶器下部，结晶器内整个钢液热流密度分布下移。相反，插入深度太浅，由于钢液面的湍动能过大，则容易产生纵裂，甚至可能发生卷渣。由计算结果可见，原水口插入深度为160 mm的条件下，对窄边的压力及液面湍动能都过小，易产生液面保护渣结壳现象。设计水口插入深度取130～170 mm较为合理。

5  结  论

    (1)优化后水口的效果明显优于原水口，钢液在结晶器内的流动稳定，更适合宽规格板坯连铸机。

    (2)对于优化后的水口，其合理的出口倾角为10⁰～15⁰。其合理的插入深度为130～170 mm

    (3)经计算分析认为，采用优化后的水口及工艺参数可获取合理的钢液流场，对改善宽规格板坯质量具有积极的作用。

                                      (武汉科技大学湖北省钢铁冶金重点实验室)