连铸结晶器流场模拟研究现状

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1、http://www.paper.edu.cn连铸结晶器流场模拟研究现状1,222禄向阳刘国齐马天飞1北京科技大学，北京（100081）2中钢集团洛阳耐火材料研究院，河南洛阳（471039）E-mail:weainug@126.com摘要：物理模拟和数值模拟均是模拟研究结晶器内流场分布的有效手段，本文综述了物理模拟和数值模拟的原理、试验方法、试验内容和流场优劣的评价方法，并提出了一定的研究方向。关键词：物理模拟，数值模拟，流场，结晶器中图分类号：TF0随着冶金技术的发展，连铸已成为钢铁生产中一个

2、不可或缺的环节。结晶器是连铸过程中的核心部位，结晶器内钢水的流动状况包括液面的波动、注流对窄面的冲击、涡心深度等极大地影响着铸坯质量和和浇铸过程安全的进行。当对钢的质量和产量提出更高的要求时，人们开始关注结晶器内流场的状况，以寻求更好的工艺条件来提高钢的质量和产量。对于结晶器内流场行为的研究，目前有示踪法、物理模拟和数值模拟三种方法。1.示踪法示踪法是研究实际流场的一种方法，放射性同位素与钢水一起流入结晶器内，同位素由强制对流进入液相区，取铸坯片作自由射线照射，可区别强制对流区、自然对流区和停滞

3、区，但该方法试验费用昂贵，[1]应用较少。2.物理模拟物理模拟是通过物理模型并实施必要的测试手段，对所研究体系进行实时观察和测量。物理模型是建立在相似原理基础之上，利用物理模型与原型之间几何、运动、动力等方面的相似性，研究流场的实际特征。研究人员不仅可以克服流场实时测量的困难，还可以了解结晶器内流场的特征，为数学模型的验证及边界条件的简化提供必要的支持。在结晶器内流场的物理模拟中，由于水和钢液的运动粘度相近，所以以[2]水为介质的模拟研究应用最广，但也有研究人员采用低熔点合金来模拟钢液。2.1基

4、本理论水模拟中物理模型与原型之间的相似主要包括几何相似，运动相似和动力相似。评价两个同类流动相似的方式是利用一些无量纲参数，这些参数相等是相似的必要充分条件。结晶器内钢液的流动是具有自由表面的、有限空间的射流运动，其流动受重力、惯性力和黏性力的影响，流体相似需考虑Re准数和Fr准[1,3]数相等。一般情况下流体处于“第二自模化区”，所以在用水模拟钢液时只考虑弗鲁德常数Fr。2^()ρ^3⋅()υ⋅ρυ^质量加速度惯性力Re====ηη()υ⋅^2剪切力面积⋅粘性力^3⎛⎞2ρ^⋅⎜⎟υ2^υ⎝⎠

5、惯性力Fr===g^ρg^3重力g一重力加速度，υ一流动速度，一特征长度，^ρ—密度，η—粘度系数2.2试验方法1http://www.paper.edu.cn水模拟一般采用循环系统，由供水系统、中间包、浸入式水口、流量控制系统、结晶器、储水池、流量计和测量系统等组成。结晶器一般采用透明的有机玻璃制作，以便于加工和实时测量。为接近实际的条[4][5]件，Li等将结晶器设计成蛇状，YuanQuan等设计了带锥度的结晶器，以消除凝固坯壳的影响。[6]周一平等将夹杂物用直径1mm的聚丙乙烯粒子模拟，保

6、护渣用紫色甲基橙溶液着色的航空柴油模拟，[7]而齐新霞在模拟保护渣的卷入时将发泡粒子作为保护渣。2.3测量、显示设备2.3.1表面波动测量[8]利用波浪仪或波高仪等对结晶器内弯月面附近和浸入式水口附近液面波动进行测量。2.3.2流场实时显示、测量对流场实时显示和测量可以用定性和定量的方法，定性的用传统的流场显示技术，只是单纯的对流场[6][4,9]的定性显示，主要有高速摄影法与示踪剂法如注入墨水、黑芝麻等；定量的是采用流速测量的仪器如[6]二维速度传感器等，另外现代的流场显示技术往往与流速测量技

7、术相结合，并用计算机来对图象、速度[10-12][13,14]数据进行处理，主要的试验技术有粒子图象测速技术和多谱勒激光测速法。2.3.3冲击力测量[15]利用压力传感器测量窄边射流的冲击力。2.4研究内容主要研究不同工况下流场的分布情况，如结晶器尺寸、拉坯速度、吹氩量、浸入深度和浸入式水口结构参数包括内径尺寸、出口角度及个数、出口面积与内孔面积比等对结晶器内流场分布的影响。虽然国内外在这方面做了较多的工作，但目前国内在薄板坯连铸方面对结晶器内流场研究较少，需加深这方面的研究。2.5流场优劣评价

8、标准通过对不同工况下结晶器内的液面波动、流股冲击深度、涡心位置和钢液对结晶器窄面的冲击压力等对流场进行评价和综合分析。2.5.1液面波动和流速液面波动大，容易造成卷渣和钢液的裸露氧化；液面太平静，则弯月面处钢水更新慢、易使渣和钢凝壳，不利于保护渣的熔化，润滑不良，铸坯与结晶器的摩檫阻力增大，造成粘连而易拉漏。当结晶器液面[16]波动处于±3～±5mm时，铸坯质量最好。Kubota认为用结晶器液面流速来评价液面波动，结晶器表面最大速度在0.1～0.3m/s范围内铸坯表面缺陷最少。2.5.2流股冲击