特大圓坯連鑄用新型浸入式水口的設(shè)計(jì)與研究

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1、冶金之家網(wǎng)站特大圓坯連鑄用新型浸入式水口的設(shè)計(jì)與研究張興中1，鄭學(xué)然2，劉慶國(guó)1，王超3(1.燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北秦皇島066004；2.連鑄技術(shù)國(guó)家工程研究中心，北京100081；3.一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院，遼寧大連116600)摘要：針對(duì)特大截面圓坯連續(xù)澆鑄的特點(diǎn)，基于依靠浸入式水口自身結(jié)構(gòu)減小鋼流沖擊深度，同時(shí)保證流動(dòng)與傳熱沿周向分布均勻的思想，首次提出了新型浸入式傘形水口設(shè)計(jì)方案，并建立了結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流-熱-固耦合模型，對(duì)鋼水的流動(dòng)、傳熱和凝固行為進(jìn)行了數(shù)值耦合模擬分析，驗(yàn)證了

2、此水口的優(yōu)越性與合理性：傘形水口的射流在結(jié)晶器內(nèi)形成上下兩個(gè)回流區(qū)，不僅有利于夾雜物、氣體等的上浮分離，還能有效降低鋼流沖擊深度，使過(guò)熱鋼液均勻分布在結(jié)晶器上部，可提高彎月面溫度和化渣效果；沿周向凝殼生長(zhǎng)均勻，減輕了縱裂紋的萌生概率；在0.35m/min拉速下，出結(jié)晶器凝殼厚度達(dá)到31.2mm，滿(mǎn)足安全生產(chǎn)要求。關(guān)鍵詞：特大圓坯；連鑄；傘形浸入式水口；流場(chǎng)；凝固；溫度場(chǎng)近些年，大口徑無(wú)縫鋼管、大型壓力容器、回轉(zhuǎn)件、機(jī)車(chē)車(chē)輪等領(lǐng)域產(chǎn)品需求強(qiáng)勁。特大截面圓坯因自身幾何形狀便于后續(xù)加工的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而得到迅速發(fā)展，但隨著連鑄圓坯

3、截面尺寸的增大，鑄坯產(chǎn)生裂紋、偏析、疏松等缺陷的趨勢(shì)也不斷增加，改進(jìn)特大圓坯的生產(chǎn)工藝和提高鑄坯質(zhì)量已成為目前亟需解決的問(wèn)題。浸入式水口結(jié)構(gòu)尺寸和出流口形狀直接決定著注入鋼液在結(jié)晶器中的流動(dòng)狀態(tài)，并對(duì)鋼液的凝固傳熱及最終鑄坯的質(zhì)量產(chǎn)生不容忽視的影響[1-2]。目前，廣泛用于小圓坯連鑄的是直筒型水口，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低、周向溫度均勻等優(yōu)點(diǎn)；但同時(shí)也有鋼流沖擊深度大、夾雜物上浮困難、彎月面溫度低等很多缺點(diǎn)，且隨著連鑄坯斷面的增大，這些缺點(diǎn)尤為突出。因此在大圓坯連鑄中，直筒型水口和結(jié)晶器電磁攪拌配套使用，以改善結(jié)晶器內(nèi)鋼液

4、流場(chǎng)及溫度分布的均勻性。但電磁攪拌器的安裝成本及維護(hù)費(fèi)用很高，因此有學(xué)者[3]提出了具有近似電磁攪拌功能的多孔旋流水口，從而降低生產(chǎn)成本。本文提出的傘形浸入式水口，對(duì)水口的形狀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)數(shù)值仿真分析了采用該水口澆鑄時(shí)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)及凝固傳熱行為，從仿真結(jié)果可以看出，此水口使結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)和凝固均勻，且沖擊深度小，驗(yàn)證了其合理性和優(yōu)越性，有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。1浸入式水口設(shè)計(jì)針對(duì)特大斷面的圓坯連鑄，傘形水口的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了“中心對(duì)稱(chēng)”和“小沖擊深度”的設(shè)計(jì)思想，如圖1所示。其出流口是以一個(gè)平行四邊形為母線(xiàn)

5、將整個(gè)水口壁沿周向切開(kāi)而形成的，在任意過(guò)軸線(xiàn)的縱截面內(nèi)，出流方向與徑向的水平夾角均為α，α即為水口的出流傾角。因出流口的形狀呈傘狀，故將該水口命名為“傘形水口”。表1列出了傘形水口的結(jié)構(gòu)參數(shù)。冶金之家網(wǎng)站2數(shù)學(xué)模型的建立2.1模型的基本假設(shè)建立連鑄過(guò)程中結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)、傳熱與凝固耦合模型，結(jié)合實(shí)際作如下假設(shè)：1)鋼液為不可壓縮的牛頓型流體；2)忽略結(jié)晶器錐度和結(jié)晶器弧度；3)不考慮結(jié)晶器振動(dòng)的影響；4)簡(jiǎn)化了彎月面的真實(shí)物理形態(tài)，將結(jié)晶器鋼液面視為水平面；5)未考慮保護(hù)渣對(duì)結(jié)晶器液面?zhèn)鳠岷土鲃?dòng)的影響；6)不計(jì)鋼液凝固過(guò)程

6、中產(chǎn)生的收縮變形。2.2計(jì)算模型結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)和凝固傳熱過(guò)程控制方程有湍流模型方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、凝固模型方程，這里不再贅述。鋼液的凝固潛熱認(rèn)為在兩相區(qū)均勻釋放，液相分?jǐn)?shù)在固液兩相區(qū)內(nèi)認(rèn)為與溫度成線(xiàn)性關(guān)系，如式(1)所示：式中：β為液相分?jǐn)?shù)；T為鋼液溫度；Tl為液相線(xiàn)溫度；Ts為固相線(xiàn)溫度。2.3計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件針對(duì)特大斷面圓坯，結(jié)晶器有效長(zhǎng)度為700mm，為提高模擬分析的精度，該模型的計(jì)算域取為600mm×1500mm。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，取物理模型的1/2建模，網(wǎng)格劃分和幾何邊界分

7、別如圖2和3所示。冶金之家網(wǎng)站2.3.1入口邊界入口邊界采用速度入口，給定垂直于入口的平均速度、溫度以及湍流參數(shù)。湍動(dòng)能由式(2)確定：式中：κ為湍動(dòng)能；為入口處流體的平均流速；I為湍流強(qiáng)度；Re為雷諾數(shù)。湍動(dòng)能耗散率ε由式(4)確定：式中：l為湍流長(zhǎng)度尺度；Cμ為湍流常數(shù)，取0.09。2.3.2鋼液面和對(duì)稱(chēng)面鋼液面及對(duì)稱(chēng)面采用對(duì)稱(chēng)邊界，即鋼液面上法向速度為0，切向速度自由，其他各物理量沿邊界法向梯度為0。2.3.3出口出口為自由出流，并且給定已凝固坯殼的速度為拉坯速度。該邊界處，徑向允許梯度存在，但假定垂直于出口截面

8、方向上的擴(kuò)散通量為0，即除壓力外其他變量的梯度為0。2.3.4計(jì)算域鑄坯表面邊界及水口壁面采用無(wú)滑移固壁邊界，壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法計(jì)算各量。計(jì)算域鑄坯表面沿拉坯方向分為結(jié)晶器內(nèi)外兩個(gè)部分，簡(jiǎn)稱(chēng)為內(nèi)段和外段，分別加載熱邊界條件。內(nèi)段采用修正的熱流公式，采用文獻(xiàn)[4]中提出的方法計(jì)算出熱流密度，并參考文獻(xiàn)[5-7]基于實(shí)測(cè)提出的