74小方坯旋流水口連鑄結(jié)晶器流場數(shù)學模擬研究9-27

1、國家自然科學基金資助項目(No.50674066)，上海自然科學基金（N0.07ZR14038），長江學者創(chuàng)新團隊（No.IRT0739）通訊作者：雷作勝，副研究員，Emeil:.；1小方坯旋流水口連鑄結(jié)晶器流場數(shù)學模擬研究小方坯旋流水口連鑄結(jié)晶器流場數(shù)學模擬研究于湛于湛1，雷作勝雷作勝1，賈洪海賈洪海1，鄧康鄧康1，陳家昶陳家昶2，華文杰華文杰2，任忠鳴任忠鳴1（1上海大學材料學院，上海200072；2上海寶鋼集團特殊鋼公司，上海20

2、0940）摘要摘要使用水力學模型和數(shù)學模型研究了旋轉(zhuǎn)水口結(jié)晶器內(nèi)流場，分析了葉片角度和位置對結(jié)晶器內(nèi)流場的影響。結(jié)果表明：旋流水口使結(jié)晶器內(nèi)的流動均勻，出現(xiàn)上環(huán)流區(qū)；葉片角度的減小，旋轉(zhuǎn)流股的沖擊深度減小，環(huán)流區(qū)上移，當葉片角度為60o，出現(xiàn)下環(huán)流區(qū)；轉(zhuǎn)子距水口出口的距離越大，旋轉(zhuǎn)流股的沖擊深度越大。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞直通水口，旋流水口，沖擊深度，環(huán)流區(qū)NumericalSimulationofFlowFieldUsingSwirlingFl

3、owNozzleinContinuousCastingBilletMouldYUZhan1LEIZuosheng1JIAHonghai1，DENGKang1CHENJiachang2HUAWenjie2，RENZhongming1(1SchoolofMaterialScienceEngineeringShanghaiUniversityShanghai2000722SpecialsteelBranchBaosteelGroupShang

4、hai200936)AbstractAbstract：Thewatermathematicalmodelingwascarriedouttostudytheflowfieldusingswirlingflownozzleincontinuouscastingbilletmouldtheinfluentoftheanglelocationofthebladeonflowpatterninsidethemouldwasanalyzed.Th

5、eresultsshowedthattheflowfieldinmouldwasunifmedtheuppercirculationregionswereobservedwithswirlingflownozzletheperationdepthofswirlingfluidwasreducedtheuppercirculatingregionsmovedupwardwiththeangleofthebladereducedthelow

6、ercirculationregionswereobservedinthecaseof60obladeangletheperationdepthofswirlingflowwasincreasedwiththedistanceincreasedbetweenthebladeoutlet.KeywdsKeywds：straightnozzleswirlingflownozzleimpactdepthcirculationregions結(jié)晶

7、器內(nèi)流場直接影響凝固坯殼的厚度、均勻性，固、液相成分及溫度分布，并決定鋼液中氣體和夾雜物的去除，鋼水液面的波動和熔渣行為，以及產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，結(jié)晶器內(nèi)流場的形態(tài)及其控制至關(guān)重要。在該領(lǐng)域，目前已進行了大量的數(shù)值模擬和物理模擬的研究[18]。研究者通過優(yōu)化水口結(jié)構(gòu)、施加外部電磁場和電磁力等手段，開發(fā)出許多行之有效的技術(shù)，如結(jié)晶器鋼液的電磁攪拌技術(shù)，以及利用靜磁場對鋼水的制動作用開發(fā)的電磁制動等流態(tài)控制技術(shù)來控制結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流動狀態(tài)。除

8、了改變和優(yōu)化水口結(jié)構(gòu)外，Yokoya等人提出在浸入式水口中段的一定高度上設(shè)置旋轉(zhuǎn)磁場，使鋼液流過旋轉(zhuǎn)電磁攪拌裝置后形成旋流運動，由此控制鋼液進入結(jié)晶器的流態(tài)[12]，并進行了水模擬研究，通過浸入式水口內(nèi)安裝導流裝置來控制水口出流和結(jié)晶器內(nèi)的流動，對傳統(tǒng)水口和旋流水口進行了模擬比較，結(jié)果顯示，旋流水口有改善了結(jié)晶器內(nèi)流場。ShavkatKholmatov等人結(jié)合旋流水口和水口出口角度的變化對方坯連鑄的流場和溫度場進行了模擬研究[9]，而Y

9、uichiTsukaguchi將旋流水口用于板坯結(jié)晶器的連鑄模擬中[10]，目前該水口系統(tǒng)的技術(shù)思想和技術(shù)特點已獲得業(yè)內(nèi)認可，但對其旋轉(zhuǎn)磁場攪拌器的安裝位置、效果、操作等應(yīng)用問題尚缺少具體研究。為此，本文通過水力學模擬和數(shù)學模型，針對上述旋流水口應(yīng)用于小方坯連鑄（特別是特鋼的小方坯連鑄）的一些工藝、裝備、操作3為了檢驗數(shù)學模型的正確性，與水模擬實驗結(jié)果進行對比，從圖2的對比結(jié)果可看出數(shù)學模擬的結(jié)果與水模擬實驗的結(jié)果有較好的一致性。3.2

10、結(jié)晶器內(nèi)流場的分析結(jié)晶器內(nèi)流場的分析由圖3（a）可見，直通式水口“沖出”速度的液流呈“喇叭狀”向下沖擊，其為錐形分布，沿結(jié)晶器中心線的流速最大，結(jié)晶器上方區(qū)域中的液流的流速很小。沖擊深度可達550mm（流體速度衰減到與拉速的差值趨零處與水口出口的距離定義為沖擊深度)；對于旋流水口，流體流經(jīng)轉(zhuǎn)子，由于葉片的導向作用產(chǎn)生了切向速度，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動。當流體進入結(jié)晶器內(nèi)后，旋轉(zhuǎn)流動產(chǎn)生的卷吸作用，使結(jié)晶器內(nèi)的流體被卷吸進旋轉(zhuǎn)流股內(nèi)，致使旋轉(zhuǎn)流股中

11、心的速度迅速減小，在結(jié)晶器的上部形成兩個環(huán)流區(qū)，如圖（3）b。旋轉(zhuǎn)流動的卷吸作用使整個結(jié)晶器上部的流動增強，其沖擊深度可達250mm?？梢娦D(zhuǎn)流動有利于增強結(jié)晶器上部流體的流動，而使結(jié)晶器內(nèi)下部流體的流動減弱。3.3葉片角度對結(jié)晶器內(nèi)流場的影響葉片角度對結(jié)晶器內(nèi)流場的影響由圖4可見，葉片角度為70o時，沖擊深度為350mm，結(jié)晶器上部產(chǎn)生環(huán)流區(qū)；葉片角度為65o時，沖擊深度較小為250mm，上部環(huán)流區(qū)上移；葉片角度為60o時，旋轉(zhuǎn)液體流

12、入結(jié)晶器內(nèi)迅速卷吸周圍的流體，沖擊深度為150mm，上部環(huán)流區(qū)進一步上移，結(jié)晶器上部流體的流動進一步加強。由于旋轉(zhuǎn)作用增強，旋轉(zhuǎn)流股明顯分叉，并對器壁產(chǎn)生沖刷作用，在旋轉(zhuǎn)作用的區(qū)域的末端，結(jié)晶器中心出現(xiàn)環(huán)流區(qū)。3.4轉(zhuǎn)子位置對結(jié)晶器內(nèi)流場的影響轉(zhuǎn)子位置對結(jié)晶器內(nèi)流場的影響圖5是轉(zhuǎn)子放置的位置對結(jié)晶器內(nèi)流場的影響。由圖可見，轉(zhuǎn)子距水口出口的距離越大，上部環(huán)流區(qū)中心位置越低，沖擊深度越大。這是由于轉(zhuǎn)子的位置高，水口器壁對旋轉(zhuǎn)流動的抑止作用，

13、抑制了由葉片角度所產(chǎn)生的切向速度的發(fā)展。b旋轉(zhuǎn)水口（Y=0處XZ面）圖3結(jié)晶器內(nèi)流場結(jié)晶器內(nèi)流場Fig.3Flowpatternsinthemouldmsa直通水口（Y=0處XZ面）a距水口出口125mmb距水口出口225mm圖5轉(zhuǎn)子位置對流場的影響轉(zhuǎn)子位置對流場的影響Fig.5Theinfluentoflocationsofbladeonflowpatternsmsa葉片角度70ob葉片角度65o（c）葉片角度60o圖4葉片角度對流場