三流异型连铸中间包结构优化的数值模拟-论文.pdf

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1、第36卷第5期武汉科技大学学报Vo1．36。No．52013年1O月JournalofWuhanUniversityofScienceandTechnology0et．2013三流异型连铸中间包结构优化的数值模拟王红娜，王鑫潮，郑宝安，樊世亮，陈列，成国光(1．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京，100083；2．西宁特殊钢股份有限公司，青海西宁，810005)摘要：根据西宁特殊钢股份有限公司三流异型连铸中间包的结构和操作参数，提出中间包结构的优化方案，应用ANSYSCFX数值模拟软件计算不同控流装置下中间包内的流场和温度场分

2、布，并建立物理模型对数值模拟的结果进行验证，确定最佳的优化方案。结果表明，原型中间包内流场和温度场分布不均匀，3个水口最大温差达3．11K，导致各水口处铸坯质量存在差异；使用U形挡墙后，中间包内钢液的流动特性得以改善，其成分和温度分布更为均匀，3个水口的最大温差仅为0．2OK。关键词：连铸中间包；结构优化；数值模拟；流场；温度场中图分类号：TF777．1文献标志码：A文章编号：1674—3644(2013)05—0337—06在连铸过程中，中间包内部钢液的流动状态、度矢量，rn·sI。；z为i方向坐标。温度分布以及内部非金属夹杂

3、物的尺寸和数量都动量方程(Navier—Stokes方程)是影响产品质量的重要因素。引入合理的控流装OUilAj厂(32Ui)ap+—一llDD一。eff-，一十曙·。+十F(2z)置，有助于改善中间包内钢液的流动特性[】]，促进钢液成分和温度的均匀分布。本文针对西宁特式中：为J方向钢液速度矢量，m·s_。；为殊钢股份有限公司(以下简称“西宁特钢”)三流异方向坐标；为有效黏度系数，Pa·S；P为压力，型中间包内温度分布不均以及各水口处铸坯质量Pa；g为重力加速度，in·s一；F为热浮力，N。存在差异等问题，用ANSYSCFX软件

4、计算不同湍动能方程控流装置下中间包内流场和温度场的分布，以期a得到较佳的中间包结构优化方案。3x,[p一差]c3式中：k为湍流动能，in。·s；e为湍流动能耗散1数学模型率，m‘s一；k为常数，k一1Ⅲ；Gk—taOuiFOulz．az1．1基本假设对本研究模型作如下假设：+]，一十一．+pC譬，其中为湍(1)中间包内钢液流动视为不可压缩牛顿流流黏度系数，Pa·s；-为层流黏度系数，Pa·s；C体的稳态流动。为常数，C一0．09。(2)中间包内钢液流动为湍流流动过程。湍动能耗散率方程(3)忽略表面渣层和液面波动的影响。(4)等温

5、流动过程中，钢液按均相介质处理，蠹一]一cc一cc4其密度和黏度等参数均假设为常数。式中：C、C、均为常数，分别取值为1．44、1．921．2控制方程和1．3[。中间包内钢液的流动行为可以用连续性方中问包内钢液的温度分布可用传热方程描程、动量方程及标准e双方程(包括湍动能方程述：和湍动能耗散率方程)来描述：pCOT--连续性方程or~z(k)+(尼等)+一0(1)旦32i3z(悬)+qv(5)式中：lD为钢液密度，kg·ITI_‘；“为i方向钢液速式中：C为比热容，J／(kg·K)；T为温度，K；五收稿日期：2013-07—03

6、作者简介：_T_~'32fI~(1987)，女，北京科技大学硕士生．E-mail：wanghn1207@163．corn武汉科技大学学报2013年第5期为传热系数，w／(m。·≥qv为源项，J。液面散热量15kW／m。，纵向壁面散热量3．8kw／1．3边界条件1TI。，横向壁面散热量3．2kW／m，底面散热量模型边界条件为：1．4kW／m。。(1)长水口为入口。根据流量平衡原理，由拉1．4模型的建立坯速率和铸坯截面计算出中间包入口质量流量。西宁特钢三炼钢分厂的三流异型中间包的结计算温度场时，人口处钢液温度取相应钢种的钢构示意图如

7、图1所示。中间包内钢包注流点在1包浇铸温度T。。号和2号水口之间，各个水口到注流点的距离不(2)自由液面忽略表面渣层影响，与气相直接等。若控流装置不合理，将直接影响3个水口流接触，表面切应力很小，可以忽略不计，变量梯度动状态的一致性，对铸坯质量控制不利。为了改]11善钢液的流动特性，提出了3种控流装置优化方为零；温度边界条件为一q，其中q为中间包uL案，如图2所示。由于原控流装置在实际应用中自由液面的散热量。制作及安装简单，故方案T1和方案T2保留了原(3)浸入式水口为出口。根据出口边界条件型的导流杯装置，仅改变了原导流杯的设计

8、参数。处理，设置平均静压力为0Pa。方案T3则取消了导流杯，而采用一种新型的U(4)壁面采用无滑移边界条件，其附近流场采形挡墙作为控流装置。用标准壁面函数计算。壁面温度边界条件为采用ANSYSCFX软件建立数学模型，对原]个一q，其中q为中间包壁面散热量。中间包