高速连铸用新型浸入式水口.doc

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1、高速连铸用新型浸入式水口ShungShengKao1，HsinChinKua1，OliverWiens2，WolfgangMoΒner2，MarkusReifferscheid2，NobertVogl2，GernotHackl3，GeraldNitzl3(1.中钢公司，中国台湾省；2.西马克公司，德国；3.奥镁公司，奥地利)摘要：连铸机结晶器内钢液的流动状态严重影响连铸坯的质量，尤其在弯月面处，钢液与结晶器保护渣直接接触，结晶器内弯月面不稳定引起的卷渣，是导致产品产生缺陷的主要原因之一，如冷轧薄板的线状缺陷和厚板的表面缺陷。在结晶器润滑不均匀时，还会增加漏钢危险。弯月面液面波动主要是由于浸

2、入式水口吐出孔钢液剧烈的湍流和瞬态行为引起的。最近，在一台连铸机上浇注不同钢种已成为全世界钢铁生产商努力的一个主要方向。为了满足所有钢种的质量要求，对每个钢种都要求一定的浇注速度。对常规的浸入式水口而言，确保结晶器内有利的流动条件是一个难题。因此，比以往更需要一种新型浸入式水口，通过保持最佳的结晶器内钢液流动状态，以各种浇注速度浇注出多规格铸坯。介绍了测试新型浸入式水口流动性能的数值模型和物理模型的试验。采用URANS方法瞬态CFD模拟表明，新型浸入式水口流出的钢液瞬态行为稳定，因而弯月面以下钢液流速较慢，其效果还通过水模拟得到了验证。现场试验是在中国台湾的中钢公司进行的，试验结果表明，通

3、过优化结晶器内钢液的流动行为，结晶器液面波动明显减小，从而提高了产品质量。关键词：浸入式水口；结晶器液面；CFD；通钢量；浇注速度；板坯质量0引言由于对连铸机的要求越来越高，包括灵活调节浇注速度、增加品种、扩大产品宽度和厚度范围、提高钢水和铸坯质量、延长无故障的浇注时间、降低生产和维护成本并节约能源(增加热装)，精确协调工厂的各个工序是非常重要的[1]。为了确保这些要求，必须在设备设计时采取适当的措施。因此，采用了计算机仿真模型(CFD)和并行的物理模型，如水模型，以开发出按设计制造的设备[2，3]。对于常规板坯连铸机，浸入式水口是非常重要的，因为它对上述产品及其生产条件有相当大的影响。为

4、了满足客户要求，设备制造者和耐火原料供应商之间的密切合作也是很重要的。因此，西马克和奥镁公司决定联合开发出满足上述所有要求的新型浸入式水口。1理论分析和模拟由于各阶段钢液不稳定流动的影响，钢液内的多维热传导和溶解物扩散，连铸保护渣和钢液的各种化学反应和相变同时发生，这些过程相互影响，使得连铸结晶器内钢液凝固过程非常复杂。对于设计与开发浸入式水口，首先要考虑弯月面区域钢液的流动。浇注期间，只有钢液以一定的速度均匀而稳定地流入结晶器，避免结晶器内液面强烈波动，连铸机操作才能可靠，并获得高质量铸坯。用几何比为1∶1的水模型模拟凝固期间结晶器液面变化过程，遵守雷诺准数和弗劳德准数相似准则。水模型与

5、结晶器尺寸相同，水模型内的流速、湍流和液面波动与实际结晶器内的情况完全相同，而保护渣的影响忽略不计。试验时，接近于结晶器液面的钢液速度既可以用激光光学传感器直接测量，也可以通过测量结晶器内液面的隆起高度间接测量。为了精确计算结晶器内钢液的不稳定流动状态，采用了适合的湍流模型，该模型既能正确地观测浸入式水口内的湍流，也能正确地观测结晶器内的湍流转换到层流的情况。尽管计算机的计算能力很强，但是计算采用时间为变量(小步长)，计算过程还是需要几天甚至几周时间。为开发一个合适的浸入式水口内腔结构，必须一方面详细地观测浸入式水口出口和结晶器液面涡流的形成及其流场；另一方面，研究浸入式水口相关参数(铸坯

6、尺寸、浸入深度和浇注速度)，也有必要对结晶器液面状态进行快速和简单的过程分析。在这里，数值计算和水模试验实现了很好的互补。从CFD计算可以得到开发浸入式水口所需详细了解的钢液流动的大量数据，可提供在整个计算范围内的所有浇注速度。浸入式水口形状的改进也很顺利。采用水模型进行了试验参数研究，水模研究比数值研究时间短得多。桨测试是评价弯月面区域钢液流动的一种简单、高效的方法。本测试中，在浸入式水口和结晶器窄面间两侧各浸入一支桨，在定义的测试时间段记录偏差。试验还记录了流动方向和出现的速度峰值，以及非对称性和周期性的流动情况。为了确保浇注条件最佳，作为速度和湍流的指标，计算的平均偏差和标准偏差应该

7、在定义的范围内，从而最大限度地降低浸入式水口和结晶器铜基板之间的卷渣和搭桥风险。采用水模型进行了1200mm宽结晶器用浸入式水口几何形状的研究，图1示出桨试验结果。新开发的浸入式水口在各种浇注速度下，弯月面区域钢液流动状态比使用原设计浸入式水口稳定得多。对于新开发的浸入式水口，通过改进其出口底部的形状，弯月面区域向上方的液流得到减弱。由此可以推断，在低拉速情况下，弯月面区域液流速度很慢。2浸入式水口的设计安阳钢铁公司的板