板坯连铸结晶器流场及界面行为的数学物理模拟

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目前控制钢中夹杂、提高洁净度成为改善钢材质量的主流方向。结晶器内钢液流动是控制铸坯质量的关键环节,对夹杂物的上浮去除、保护渣的卷入和坯壳的均匀生长等都有着重要的影响,而浸入式水口结构和结晶器操作参数是影响钢液流动的主要因素。因此,优化水口结构和结晶器操作参数对于连铸生产十分重要。本文采用Fluent软件对1025mm×180mm、1225mm×180mm和1280mmx 180mm三个断面的板坯结晶器内的流场、温度场进行数值模拟;通过水力模型对数值模拟计算结果进行验证,考察不同水口结构、浸入深度、拉速以及吹氩量等对结晶器内流场和温度场的影响,并且得出最佳的水口结构及结晶器操作参数。其结论如下:(1)水口出口向下倾角越大,液面波动越小,抑制卷渣作用越强,但过大的向下倾角对卷渣效果的改善并不明显。当水口向下倾角从a-2.5°增大到a°时,临界卷渣拉速从1.2m/min提升到1.4 m/min,当水口倾角为a+2.5°时,临界卷渣拉速仅为1.5 m/min,过大的向下倾角会导致下循环区过深,高温区下移,同时不利于夹杂物的上浮。(2)水口出口形状和水口底部结构对结晶器内的流场和温度场影响不大,对液面的表面流速有较小影响。2#水口的表面最大流速为0.325m/s,4#水口的表面最大流速为0.362 m/s,5#水口的表面最大流速为0.334 m/s,三者表面最大流速都出现在距窄面1/3处附近。(3)拉速对结晶器内的流场影响较大,过大的拉速会明显加剧液面波动。当拉速从0.8 m/min提升到2.2 m/min时,最大波高增幅到达3.24mm,表面最大流速从0.22 m/s提高到0.767m/s。(4)增大水口浸入深度可以降低液面表面流速和抑制液面波动。浸入深度从110mm增至180mm时,表面流速最大值从0.41 m/s降到0.324m/s,波高从1.5mm降到1.25mm。(5)吹氩可以使气泡上浮区内的液面表面流速降低,但过大的氩气量会造成液面的剧烈波动,上循环区消失。当氩气量为2NL/min时,上循环区域减弱,水口附近流速增大,表面最大流速减小,当氩气量为4NL/min时,上循环区消失,水口附近液面波动较大。通过数值计算和物理模拟得出,2#水口为最优结构水口,最佳浸入深度和最佳吹氩量分别为150mm和2NL/min,此时1225mm×180 mm断面下的拉速维持1.4m/min以下的液面较难发生卷渣现象。
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