張興中 黃 文 孫立明 郝俊霞

燕山大學(xué)，秦皇島，066004

0 引言

隨著現(xiàn)代連鑄技術(shù)的不斷進(jìn)步，不同領(lǐng)域?qū)B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(chǎn)合格鑄坯的難度增大，實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)中心偏析、中心疏松、表面裂紋、中心裂紋等問題，有時(shí)甚至出現(xiàn)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(duì)大板坯和大方坯的研究較多。Thomas等［1-2］對(duì)連鑄板坯的流場(chǎng)進(jìn)行了分析，朱苗勇等［3］對(duì)板坯結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了分析，孫海波等［4］研究了注流方式對(duì)大方坯結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動(dòng)與溫度狀態(tài)的影響。目前在圓坯研究方面，對(duì)于斷面尺寸在φ500mm以下的圓坯研究較多。姚曼等［5-6］對(duì)φ178mm圓坯結(jié)晶器內(nèi)的熱流、溫度場(chǎng)及坯殼厚度進(jìn)行了研究與模擬，唐海燕等［7］、孫開明等［8］對(duì) φ400mm 圓坯連鑄凝固傳熱數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，劉國(guó)平等［9］對(duì)φ450mm圓坯連鑄采用的定徑水口結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了研究。目前對(duì)特大圓坯連鑄研究不多，特別是關(guān)于φ800mm以上特大圓坯的相關(guān)研究鮮見報(bào)道。特大圓坯連鑄過程中，鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)、傳熱凝固、液面波動(dòng)及液面處鋼水的流動(dòng)狀況直接影響著連鑄生產(chǎn)過程及連鑄坯質(zhì)量。

本文針對(duì)φ1000mm特大圓坯，提出一種四孔旋流澆鑄水口，并對(duì)水口出口傾角、結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)、鋼水的凝固、坯殼的生成及液面波動(dòng)等進(jìn)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(cè)面出口式兩種。對(duì)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(jié)晶器液面處鋼水的流動(dòng)，對(duì)鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量和保護(hù)渣融化等會(huì)產(chǎn)生不利影響;側(cè)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(jié)晶器壁附近的坯殼，使初生成的坯殼局部變薄，對(duì)坯殼的生長(zhǎng)和厚度均勻性產(chǎn)生不利影響。側(cè)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(gè)沿結(jié)晶器周向的分速度，鋼水在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生周向旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，可使溫度場(chǎng)均勻，減少鋼水對(duì)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(duì)液面處鋼水的流動(dòng)和鋼流沖擊深度會(huì)產(chǎn)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(duì)φ1000mm的圓坯連鑄，經(jīng)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù)

2 計(jì)算模型

2.1 三維流動(dòng)傳熱數(shù)學(xué)模型

針對(duì)特大尺寸的圓坯，其結(jié)晶器內(nèi)徑為φ1000mm，有效長(zhǎng)度為1000mm，為分析結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)，其計(jì)算鑄坯長(zhǎng)度取為2000mm。計(jì)算模型進(jìn)行如下假設(shè):①鋼水是黏性、不可壓縮的牛頓流體;②不考慮結(jié)晶器錐度的影響;③忽略結(jié)晶器振動(dòng)的影響;④忽略保護(hù)渣物理化學(xué)變化對(duì)傳熱的影響;⑤不考慮凝固時(shí)收縮變形的影響。計(jì)算控制方程有質(zhì)量、能量與動(dòng)量方程，還有湍流能方程、湍動(dòng)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(jù)拉坯速度及質(zhì)量守恒定律確定，拉坯速度設(shè)為0.25m/min，入口湍動(dòng)能k、湍動(dòng)能耗散率ε值由拉坯速度確定。

(2)出口:模型出口邊界設(shè)為自由出流邊界。

(3)鋼液面:計(jì)算結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)時(shí)，鋼水液面設(shè)置為對(duì)稱邊界;計(jì)算液面波動(dòng)時(shí)，鋼水液面設(shè)為自由表面，上面覆蓋有保護(hù)渣層，渣層厚度取為30mm。

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

結(jié)晶器內(nèi)冷卻條件為［10］

式中，q為熱流密度，W/m2;q0為結(jié)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(jié)晶器縱向的坐標(biāo)，m;vp為拉坯速度，m/s;C、B為常數(shù)。

出結(jié)晶器后鑄坯表面的冷卻條件用綜合對(duì)流換熱方程來計(jì)算，計(jì)算公式為

式中，h為對(duì)流換熱系數(shù)，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(zhì)

45鋼的液相線溫度為1492℃，固相線溫度為1341℃，密度取為常數(shù) 7400kg/m3，質(zhì)量熱容1492℃ 時(shí) 為 711J/(kg · K)，1341℃ 時(shí) 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(dǎo)熱系數(shù)λ為溫度T的線性函數(shù)，表示為λ=15.88+0.0115T。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

水口采用不同出口傾角時(shí)，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(tái)，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、鋼水的凝固以及液面波動(dòng)等進(jìn)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(gè)向下的初始分速度，避免向上回流的速度太大而出現(xiàn)液面波動(dòng)和卷渣現(xiàn)象。當(dāng)水口出口的向下傾角分別為 0°、5°、10°時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)如圖 2 所示。結(jié)晶器出口處鑄坯表面溫度分布如圖3所示。從仿真結(jié)果可以看出:

(1)流場(chǎng)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(dòng)，同時(shí)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(dòng)。

圖2 結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)

圖3 結(jié)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(shí)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(jié)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(duì)沖擊深度和結(jié)晶器出口處坯殼厚度的均勻性影響較大，對(duì)液面溫度、液面處鋼液的流動(dòng)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(jìn)行分析，通過分析結(jié)果可知:①不同的浸入深度流體的運(yùn)動(dòng)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(chǎng)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(dá)液面時(shí)的速度變小，有利于保護(hù)渣均勻穩(wěn)定，并能防止因卷渣而出現(xiàn)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(jié)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(shí)，結(jié)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(shí)，液面波動(dòng)幅度在1.51～1.42mm之間，液面波動(dòng)量均比較小。

表2 結(jié)晶器出口截面處的數(shù)據(jù)表

由以上分析結(jié)果，為保證結(jié)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(jié)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(jié)晶器內(nèi)鋼水產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，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(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固殼的厚度分布趨于均勻。

(3)鋼液的旋流作用使結(jié)晶器內(nèi)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(zhǎng)。

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