鋼水凝固過程數(shù)值模擬

1、 鋼水凝固過程數(shù)值模擬 摘要：連鑄過程是一個包含流動、傳熱、凝固等復(fù)雜現(xiàn)象的綜合過程。由于進(jìn)入結(jié)晶器的高溫鋼液具有很大的動能，在凝固殼包圍的液態(tài)金屬中存在強(qiáng)烈的湍流流動，這種流動對卷渣、卷氣、液穴的形成以及結(jié)晶器中溫度分布、凝固傳熱和凝固厚度分布的均勻性都有重要影響關(guān)鍵字：液態(tài)成型；數(shù)值仿真；鑄造Abstract: Continuous casting process is a complex phenomenon such as flow, heat transfer and solidification of the composite process. Due to the h

2、igh temperature of mould liquid steel has great momentum, the existing in the liquid metal solidification shell surrounded by strong turbulent flow, the flow volume of slag, gas, liquid hole and the formation of the temperature distribution in crystallizer, the uniformity of solidification heat tran

3、sfer and solidification thickness distribution have important influenceKey words: liquid molding; The numerical simulation. Casting一 問題描述結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動特性不僅關(guān)系到結(jié)晶器的傳熱和夾雜物的上浮,而且還與鑄坯裂紋、皺皮、偏析等表面及內(nèi)部質(zhì)量有著非常密切的關(guān)系。因此，開展連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場和溫度場以及凝固過程的研究就顯得尤為重要。隨著連鑄技術(shù)的發(fā)展，對結(jié)晶器內(nèi)的流動過程和優(yōu)化設(shè)計研究受到重視目前研究方法主要是通過水模實驗和數(shù)值模擬。本文針對某廠連鑄機(jī)的生產(chǎn)

4、現(xiàn)狀，利用數(shù)值模擬的方法,采用Fluent軟件模擬此連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的三維流場、溫度場與凝固現(xiàn)象,重點分析不同形狀水口對結(jié)晶器內(nèi)流場、溫度場以及凝固厚度的影響，揭示物理現(xiàn)象，為優(yōu)化浸入式水口結(jié)構(gòu)參數(shù)提供理論依據(jù)。二 模擬方法1 基本假設(shè) 鋼液自水口流入結(jié)晶器，結(jié)晶器內(nèi)通冷卻水進(jìn)行冷卻，鋼液經(jīng)強(qiáng)烈對流冷卻和輻射換熱逐步形成凝固坯殼，最終凝固的錠坯在出口以恒定拉速拉出。整個計算過程基于以下假設(shè)： a.結(jié)晶器內(nèi)的流動為穩(wěn)態(tài)； b.結(jié)晶器內(nèi)鋼液為不可壓縮牛頓流體，物性參數(shù)為常數(shù)； c.忽略結(jié)晶器壁振動對流動的影響； d.相變潛熱遠(yuǎn)小于凝固潛熱，忽略金屬固態(tài)相變的影響。2 基本方程  式子中

5、 結(jié)晶器內(nèi)連鑄坯彈塑性變形伴隨有較大的溫度變化在建立其本構(gòu)方程時應(yīng)考慮溫度的影響因此總應(yīng)變增量可表示為 方程右邊分別為彈性應(yīng)變量材料性能隨溫度變化引起的應(yīng)變增量塑性應(yīng)變量及熱應(yīng)變量將各應(yīng)變量相應(yīng)關(guān)系式代入可得坯殼應(yīng)力應(yīng)變的本構(gòu)方程。 3 參數(shù)確定及邊界條件1） 參數(shù)的確定鋼液熱焓H與溫度T 的關(guān)系如下 導(dǎo)熱系數(shù): k = 13.86+1.113×10T, J/(m .s .)密度: 液相= 7.1×103kg/m3 固相= 7.4×10kg/m熱膨脹系數(shù): = 0.435+0.762×10 T ×10 , K 泊松比: = 0.278+8.23

6、×10 T2） 邊界條件t = 0, T = T0, q = q , q = q。式中T0 為澆注溫度, q 為寬邊熱流密度, q 為寬邊初始熱流密度, q 為窄邊熱流密度, q 為窄邊初始熱流密度。 式中，q由寬邊熱流密度函數(shù)與寬邊熱收縮量共同確定，q由窄邊熱流密度函數(shù)與窄邊熱收縮量共同確定，F(xiàn)為施加于凝固前沿的鋼水靜壓力，為鋼液密度，h = vt為距離液面高度，由拉速v及時間t確定，由結(jié)晶器銅板溫度測量結(jié)果, 根據(jù)數(shù)學(xué)模型可以計算出結(jié)晶器壁的熱流量沿拉坯方向的分布。三 模擬結(jié)果由于入口界面面積有差異，結(jié)晶器的入口速度有所差別。流線圖、對稱面上的速度矢量分布圖以及不同截面的溫度和液

7、體分?jǐn)?shù)等值線圖用于說明流場、溫度場以及凝固的狀態(tài)。當(dāng)鋼液由水口澆鑄后，以射流的方式進(jìn)行運動。由水口澆鑄出來的鋼液大部分沖擊到結(jié)晶器窄面，遇到壁面后流向發(fā)生變化，一小部分鋼液向上運動到達(dá)頂部后流向水口形成上部回流區(qū)，這個回流對彎月面的波動產(chǎn)生影響，同時也對保護(hù)渣的熔化起決定作用。另一部分鋼液向下旋轉(zhuǎn)后，為主流股，此流股對夾雜物的上浮、結(jié)晶器下端以及二冷段的結(jié)晶組織產(chǎn)生直接影響，強(qiáng)度隨著向下距離的延伸而減弱；該流股又出現(xiàn)了兩個分支，其中一部分鋼液直接沖擊到結(jié)晶器出口處，而還有一部分鋼液出現(xiàn)漩渦卷吸。相比較兩種類型發(fā)現(xiàn)，漩渦發(fā)生的位置不相同，下部漩渦區(qū)較大，經(jīng)過漩渦后向下流動的流股更傾向于流向?qū)ΨQ面

8、而較遠(yuǎn)離結(jié)晶器窄面。這是由于SEN2水口的側(cè)孔面積較小，鋼液流出的速度較大，則流股對結(jié)晶器窄面的沖擊力和沖擊深度較大，貼近窄面的流體經(jīng)過窄面約束后折返角度更大。結(jié)晶器內(nèi)上部循環(huán)區(qū)較大，這有利于液面穩(wěn)定。但是，從圖8矢量圖中也可以看出，SEN2由于水口出口速度增大，加劇了液面的波動及漩渦，增加了液面卷渣的可能性；同時沖擊深度和沖擊力的過度增加，會導(dǎo)致結(jié)晶器鋼液內(nèi)夾雜物的上浮更加困難，不利于結(jié)晶器窄邊的初始凝固坯殼的生長。四 結(jié)論本文針對兩種不同水口類型的結(jié)晶器進(jìn)行了流場、溫度場和凝固進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明：鋼液從水口出口處噴出，其撞擊到結(jié)晶器側(cè)壁的沖擊位置與水口類型相關(guān)，沿水口出流方向，鋼水分離形成上下兩股，并分別發(fā)展成兩個回流；對于相同斷面不同類型的水口，在圓形水口（SEN1）附近，溫度分布比較均勻，流場混合充分，在計算區(qū)域的出口處凝固要好于方形水口（SEN2）。模擬結(jié)果對于優(yōu)化設(shè)計連鑄機(jī)具有幫助意義。五 參考文獻(xiàn) 1 于會香，張炯明，王萬軍等. 板坯