特大圆坯连铸用新型浸入式水口的设计与研究

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1、冶金之家网站特大圆坯连铸用新型浸入式水口的设计与研究张兴中1，郑学然2，刘庆国1，王超3(1.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北秦皇岛066004；2.连铸技术国家工程研究中心，北京100081；3.一重集团大连设计研究院，辽宁大连116600)摘要：针对特大截面圆坯连续浇铸的特点，基于依靠浸入式水口自身结构减小钢流冲击深度，同时保证流动与传热沿周向分布均匀的思想，首次提出了新型浸入式伞形水口设计方案，并建立了结晶器内钢水的流-热-固耦合模型，对钢水的流动、传热和凝固行为进行了数值耦合模拟分析，验证了

2、此水口的优越性与合理性：伞形水口的射流在结晶器内形成上下两个回流区，不仅有利于夹杂物、气体等的上浮分离，还能有效降低钢流冲击深度，使过热钢液均匀分布在结晶器上部，可提高弯月面温度和化渣效果；沿周向凝壳生长均匀，减轻了纵裂纹的萌生概率；在0.35m/min拉速下，出结晶器凝壳厚度达到31.2mm，满足安全生产要求。关键词：特大圆坯；连铸；伞形浸入式水口；流场；凝固；温度场近些年，大口径无缝钢管、大型压力容器、回转件、机车车轮等领域产品需求强劲。特大截面圆坯因自身几何形状便于后续加工的独特优点而得到迅速发展，但随着连铸圆坯

3、截面尺寸的增大，铸坯产生裂纹、偏析、疏松等缺陷的趋势也不断增加，改进特大圆坯的生产工艺和提高铸坯质量已成为目前亟需解决的问题。浸入式水口结构尺寸和出流口形状直接决定着注入钢液在结晶器中的流动状态，并对钢液的凝固传热及最终铸坯的质量产生不容忽视的影响[1-2]。目前，广泛用于小圆坯连铸的是直筒型水口，它具有结构简单成本低、周向温度均匀等优点；但同时也有钢流冲击深度大、夹杂物上浮困难、弯月面温度低等很多缺点，且随着连铸坯断面的增大，这些缺点尤为突出。因此在大圆坯连铸中，直筒型水口和结晶器电磁搅拌配套使用，以改善结晶器内钢液

4、流场及温度分布的均匀性。但电磁搅拌器的安装成本及维护费用很高，因此有学者[3]提出了具有近似电磁搅拌功能的多孔旋流水口，从而降低生产成本。本文提出的伞形浸入式水口，对水口的形状、结构进行了设计，并通过数值仿真分析了采用该水口浇铸时结晶器内钢液的流动及凝固传热行为，从仿真结果可以看出，此水口使结晶器内钢液流动和凝固均匀，且冲击深度小，验证了其合理性和优越性，有广泛的推广应用价值。1浸入式水口设计针对特大断面的圆坯连铸，伞形水口的结构体现了“中心对称”和“小冲击深度”的设计思想，如图1所示。其出流口是以一个平行四边形为母线

5、将整个水口壁沿周向切开而形成的，在任意过轴线的纵截面内，出流方向与径向的水平夹角均为α，α即为水口的出流倾角。因出流口的形状呈伞状，故将该水口命名为“伞形水口”。表1列出了伞形水口的结构参数。冶金之家网站2数学模型的建立2.1模型的基本假设建立连铸过程中结晶器内流动、传热与凝固耦合模型，结合实际作如下假设：1)钢液为不可压缩的牛顿型流体；2)忽略结晶器锥度和结晶器弧度；3)不考虑结晶器振动的影响；4)简化了弯月面的真实物理形态，将结晶器钢液面视为水平面；5)未考虑保护渣对结晶器液面传热和流动的影响；6)不计钢液凝固过程

6、中产生的收缩变形。2.2计算模型结晶器内钢液的流动和凝固传热过程控制方程有湍流模型方程、动量守恒方程、能量守恒方程、质量守恒方程、凝固模型方程，这里不再赘述。钢液的凝固潜热认为在两相区均匀释放，液相分数在固液两相区内认为与温度成线性关系，如式(1)所示：式中：β为液相分数；T为钢液温度；Tl为液相线温度；Ts为固相线温度。2.3计算网格及边界条件针对特大断面圆坯，结晶器有效长度为700mm，为提高模拟分析的精度，该模型的计算域取为600mm×1500mm。由于结构的对称性，取物理模型的1/2建模，网格划分和几何边界分

7、别如图2和3所示。冶金之家网站2.3.1入口边界入口边界采用速度入口，给定垂直于入口的平均速度、温度以及湍流参数。湍动能由式(2)确定：式中：κ为湍动能；为入口处流体的平均流速；I为湍流强度；Re为雷诺数。湍动能耗散率ε由式(4)确定：式中：l为湍流长度尺度；Cμ为湍流常数，取0.09。2.3.2钢液面和对称面钢液面及对称面采用对称边界，即钢液面上法向速度为0，切向速度自由，其他各物理量沿边界法向梯度为0。2.3.3出口出口为自由出流，并且给定已凝固坯壳的速度为拉坯速度。该边界处，径向允许梯度存在，但假定垂直于出口截面

8、方向上的扩散通量为0，即除压力外其他变量的梯度为0。2.3.4计算域铸坯表面边界及水口壁面采用无滑移固壁边界，壁面附近采用标准壁面函数法计算各量。计算域铸坯表面沿拉坯方向分为结晶器内外两个部分，简称为内段和外段，分别加载热边界条件。内段采用修正的热流公式，采用文献[4]中提出的方法计算出热流密度，并参考文献[5-7]基于实测提出的