74小方坯旋流水口连铸结晶器流场数学模拟研究9-27

*国家自然科学基金资助项目(No.50674066)，上海自然科学基金（N0.07ZR14038），长江学者创新团队（No.IRT0739）**通讯作者：雷作胜，副研究员，Emeil:[e-mail]；1小方坯旋流水口连铸结晶器流场数学模拟研究*于湛1，雷作胜**1，贾洪海1，邓康1，陈家昶2，华文杰2，任忠鸣1（1上海大学材料学院，上海200072；2上海宝钢集团特殊钢公司，上海200940）摘要使用水力学模型和数学模型研究了旋转水口结晶器内流场，分析了叶片角度和位置对结晶器内流场的影响。结果表明：旋流水口使结晶器内的流动均匀，出现上环流区；叶片角度的减小，旋转流股的冲击深度减小，环流区上移，当叶片角度为60o，出现下环流区；转子距水口出口的距离越大，旋转流股的冲击深度越大。关键词直通水口，旋流水口，冲击深度，环流区NumericalSimulationofFlowFieldUsingSwirlingFlowNozzleinContinuousCastingBilletMouldYUZhan1,LEIZuo-sheng1,JIAHong-hai1，DENGKang1,CHENJia-chang2,HUAWen-jie2，RENZhong-ming1(1SchoolofMaterialScienceandEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072;2Special-steelBranch,BaosteelGroup,Shanghai200936)Abstract：Thewaterandmathematicalmodelingwascarriedouttostudytheflowfieldusingswirlingflownozzleincontinuouscastingbilletmould,theinfluentoftheangleandlocationofthebladeonflowpatterninsidethemouldwasanalyzed.Theresultsshowedthattheflowfieldinmouldwasuniformedandtheuppercirculationregionswereobservedwithswirlingflownozzle;thepenetrationdepthofswirlingfluidwasreducedandtheuppercirculatingregionsmovedupwardwiththeangleofthebladereduced,andthelowercirculationregionswereobservedinthecaseof60obladeangle;thepenetrationdepthofswirlingflowwasincreasedwiththedistanceincreasedbetweenthebladeandoutlet.Keywords：straightnozzle;swirlingflownozzle;impactdepth;circulationregions结晶器内流场直接影响凝固坯壳的厚度、均匀性，固、液相成分及温度分布，并决定钢液中气体和夹杂物的去除，钢水液面的波动和熔渣行为，以及产品的质量。因此，结晶器内流场的形态及其控制至关重要。在该领域，目前已进行了大量的数值模拟和物理模拟的研究[1-8]。研究者通过优化水口结构、施加外部电磁场和电磁力等手段，开发出许多行之有效的技术，如结晶器钢液的电磁搅拌技术，以及利用静磁场对钢水的制动作用开发的电磁制动等流态控制技术来控制结晶器内钢水的流动状态。除了改变和优化水口结构外，Yokoya等人提出在浸入式水口中段的一定高度上设置旋转磁场，使钢液流过旋转电磁搅拌装置后形成旋流运动，由此控制钢液进入结晶器的流态[1-2]，并进行了水模拟研究，通过浸入式水口内安装导流装置来控制水口出流和结晶器内的流动，对传统水口和旋流水口进行了模拟比较，结果显示，旋流水口有改善了结晶器内流场。ShavkatKholmatov等人结合旋流水口和水口出口角度的变化对方坯连铸的流场和温度场进行了模拟研究[9]，而YuichiTsukaguchi将旋流水口用于板坯结晶器的连铸模拟中[10]，目前该水口系统的技术思想和技术特点已获得业内认可，但对其旋转磁场搅拌器的安装位置、效果、操作等应用问题尚缺少具体研究。为此，本文通过水力学模拟和数学模型，针对上述旋流水口应用于小方坯连铸（特别是特钢的小方坯连铸）的一些工艺、装备、操作方面问题，研究了旋流水口小方坯结晶器内液流的流态和分布状况，分析了叶片的角度和转子的位置对结晶器内流场的影响，以此进行技术和工艺研究，为实际应用提供参考，并期望实现或推进该技术在小方坯连铸中应用。2图1实验设备Fig.1Schematicofexperimentalequipment1水模实验水模拟实验装置如图1所示。结晶器模型的尺寸为160×160×1300mm；水口浸入深度110mm；有机玻璃转子放置于距水口出口为125mm，叶片的角度（）为65o，转子的高度为20mm。水口长度590mm，外径65mm，转子下方水口内径35mm，由于转子的放置使水口截面积减小，根据计算，转子上方水口的内径增加到45mm。实验中，保持中间包液位恒定，使用管路压力泵、阀门和塞棒联合控制水流流量。使用超声多普勒测速仪[11]分别测量结晶器中心纵截面中心线（X=0，Y=0）和距水口中心线14mm处(X=14，Y=0)的Z方向速度。2数学模拟使用三维稳态k湍流模型计算结晶器内的流场。2.1基本假设1）结晶器内的流动是稳态的；2）不考虑凝固的影响；3）不考虑弯月面波动的影响。2.2基本方程流体流动的速度和压力分布由流体连续方程、动量方程和k湍流模型控制[12]。方程中，iu（3,2,1i）为三坐标轴上的速度分量，为流体密度，p为压力，k为湍动能，为湍动能耗散率，G湍动能产生项，为流体粘度系数，eff为有效粘性系数。并且k模型中的常数采用Launder和Spalding所推荐的数据，44.11C，92.12C，09.0C，0.1k和3.1。其中，)(ijjiiitxuxuxuG(5)/2kCeff（6）2.3边界条件使用超声多普勒测速仪测量水口的入口速度（假定为均匀分布）为0.36m/s。225.1Iukinlet，lkC/2/34/3。LI07.0为湍流强度（L为水口直径）。水口的出口边界条件采用压力出口边界条件。水口的内壁面假定为无滑移边界。3结果和讨论3.1水模实验的验证0)(iixu（连续方程）（1）iijjieffjijjigxvxuxxpxuu)()(（动量方程）（2）GxkxxkuiKeffiii)()(（湍动能方程）（3）kCGkCxxxuiKtiii221eff()(）（湍动能耗散方程）（4）图2数学模拟和水模拟结果的比较Fig.2Comparisonofresultsbetweencomputationandexperiment3为了检验数学模型的正确性，与水模拟实验结果进行对比，从图2的对比结果可看出数学模拟的结果与水模拟实验的结果有较好的一致性。3.2结晶器内流场的分析由图3（a）可见，直通式水口“冲出”速度的液流呈“喇叭状”向下冲击，其为锥形分布，沿结晶器中心线的流速最大，结晶器上方区域中的液流的流速很小。冲击深度可达550mm（流体速度衰减到与拉速的差值趋零处与水口出口的距离定义为冲击深度)；对于旋流水口，流体流经转子，由于叶片的导向作用产生了切向速度，产生旋转流动。当流体进入结晶器内后，旋转流动产生的卷吸作用，使结晶器内的流体被卷吸进旋转流股内，致使旋转流股中心的速度迅速减小，在结晶器的上部形成两个环流区，如图（3）b。旋转流动的卷吸作用使整个结晶器上部的流动增强，其冲击深度可达250mm。可见旋转流动有利于增强结晶器上部流体的流动，而使结晶器内下部流体的流动减弱。3.3叶片角度对结晶器内流场的影响由图4可见，叶片角度为70o时，冲击深度为350mm，结晶器上部产生环流区；叶片角度为65o时，冲击深度较小为250mm，上部环流区上移；叶片角度为60o时，旋转液体流入结晶器内迅速卷吸周围的流体，冲击深度为150mm，上部环流区进一步上移，结晶器上部流体的流动进一步加强。由于旋转作用增强，旋转流股明显分叉，并对器壁产生冲刷作用，在旋转作用的区域的末端，结晶器中心出现环流区。3.4转子位置对结晶器内流场的影响图5是转子放置的位置对结晶器内流场的影响。由图可见，转子距水口出口的距离越大，上部环流区中心位置越低，冲击深度越大。这是由于转子的位置高，水口器壁对旋转流动的抑止作用，抑制了由叶片角度所产生的切向速度的发展。b旋转水口（Y=0处XZ面）图3结晶器内流场Fig.3Flowpatternsinthemouldm/sa直通水口（Y=0处XZ面）a距水口出口125mmb距水口出口225mm图5转子位置对流场的影响Fig.5Theinfluentoflocationsofbladeonflowpatternsm/sa叶片角度70ob叶片角度65o（c）叶片角度60o图4叶片角度对流场的影响Fig.4Theinfluenceofbladeangleseonflowpatterns44结论使用三维稳态k湍流模型研究了旋流水口结晶器的流场，得到以下结论：（1）与直通水口相比，旋流水口使结晶器内上部流动加强，流体的冲击深度显著减小；（2）叶片角度的减小，旋转流股的冲击深度减小，上环流区上移，当叶片角度为60o时，出现下部环流区；（3）转子距水口出口的距离越大，旋转流体的冲击深度越大。参考文献：[1]S.Yokoya,Y.Asako.Controlofimmersionnozzleoutletflowpatternthroughtheuseofswirlingflowincontinuouscasting[J].ISIJInt，1994，34（11）：883~888.[2]S.Yokoya,R.Westoff.Numericalstudyofimmersionnozzleoutletflowpatternwithswirlingflowincontinuouscasting[J].ISIJInternational，1994，32（11）：889~895.[3]Yeong-HoHo,Weng-singHwang.Theanalysisofmoltensteelflowinbilletcontinuouscastingmold[J].ISIJInternational，1996，36（8）：1030~1035.[4]YokoyaS,TakagiS.Swirlingeffectinimmersionnozzleonflowandheattransportinbilletcontinuouscastingmold[J].ISIJInternational，1998，38（8）：827-833.[5]YokoyaS,TakagiS.Developmentofswirlingflowgeneratorinimmersionnozzle[J].ISIJInternational，2000，40（6）：584~588.[6]YokoyaS,TakagiS.Swirlingflowcontrolinimmersionnozzleforcontinuouscastingprocess[J].ISIJInternational，2001，41（Supplement）：S47-S51.[7]YokoyaS,TakagiS.Swirling