新型浸入式三孔水口與傳統(tǒng)兩孔水口探析范文

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摘要：

通過數(shù)值模擬和物理模擬對優(yōu)化后的三孔水口和傳統(tǒng)的兩孔水口進(jìn)行分析對比，從而得出：三孔水口形成了上、中、下3個(gè)主要的回旋區(qū)，而兩孔水口形成了兩個(gè)回旋區(qū)；三孔水口的平均表面流速為1.07m/s，相對兩孔水口流速降低了將近28%，三孔水口的平均湍動能0.0022，較兩孔水口的湍動能降低了42%；三孔水口的波峰與波谷的最大差值為7.6mm，周期為10s，而兩孔水口的波峰與波谷的最大差值為15.3mm，周期為20s。優(yōu)化后的三孔水口較傳統(tǒng)的兩孔水口能更好的提高鑄坯品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：

兩孔水口；三孔水口；數(shù)值模擬；物理模擬

近幾年，對鋼材品質(zhì)的要求更為嚴(yán)格，在鑄坯缺陷中，鑄坯表面被分為上下或者多層和微小裂紋聚集到一起形成大裂紋是中厚板表面所要解決的重要難題[1]。為了獲得品質(zhì)更好的鑄坯，很多鋼廠更加注重導(dǎo)致廢品鋼的原因，關(guān)注軋制過程、設(shè)備運(yùn)行情況以及精細(xì)檢驗(yàn)等，尤其是對可能產(chǎn)生缺陷的環(huán)節(jié)更加注意[2]。而結(jié)晶器是連鑄的“心臟”[3]，直接關(guān)系到鑄坯品質(zhì)的好壞。根據(jù)大量的研究學(xué)者的統(tǒng)計(jì)，結(jié)晶器彎月面上的熱量，指結(jié)晶器彎月面上鋼液放出的熱量較水平方向放出的熱量較少，可以忽略，在結(jié)晶器中由于鋼坯要經(jīng)過冷卻凝固的一系列熱效應(yīng)過程，因此，對結(jié)晶器的研究是十分重要的[4，5]。本文對結(jié)晶器影響最大的水口進(jìn)行分析研究，介紹優(yōu)化后的三孔水口對結(jié)晶器的流場、保護(hù)渣卷渣等方面的改善效果，從而能夠更好地提高鑄坯品質(zhì)。

1實(shí)驗(yàn)裝置及模型建立

通過物理模擬和數(shù)值模擬對兩孔水口和三孔水口進(jìn)行對比和分析，圖1為物理模擬的模型，圖2為實(shí)驗(yàn)圖。圖3傳統(tǒng)兩孔水口和圖4優(yōu)化后的三孔水口，兩個(gè)水口側(cè)孔傾角均為15°，側(cè)孔出口的面積都為2.9cm，側(cè)孔出口的長寬分別為85mm和60mm。

2研究方法

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)是在高拉速為1.8m/min時(shí)，通過數(shù)值模擬和物理模擬對三孔水口和兩孔水口的近鋼-渣界面表面流速、液面波高、保護(hù)渣的覆蓋效果進(jìn)行分析研究，從而能夠更好的說明三孔水口相對于兩孔水口的優(yōu)勢所在，使得結(jié)論更具有說服性。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)主要是根據(jù)ANSYSFLUENT15.0軟件來模擬，鋼液流經(jīng)三孔水口和兩孔水口時(shí)結(jié)晶器中鋼渣界面、結(jié)晶器流場中湍動能等的變化，再通過物理模擬進(jìn)行分析研究。

3結(jié)果與分析

3.1兩孔水口與三孔水口的流場

圖5是兩孔水口和優(yōu)化后的三孔水口流場的矢量圖，在圖6中A表示傳統(tǒng)兩孔水口，B表示新型三孔水口。由于第三孔的作用，使新型水口形成了主要的3個(gè)回旋區(qū)；從圖中可以看出，模擬鋼液從傳統(tǒng)水口流出時(shí)的最大速度為1.49m/s，而從新型水口流出的最大速度為1.07m/s，流速降低了將近28%，左右兩孔的流量為7.76kg/s，第三孔的流量為1.3kg/s，側(cè)孔流量減少了大約14.3%，從而使得結(jié)晶器窄面所受的沖刷較少，增加了窄面的壽命[6]。

3.2兩孔水口與三孔水口的表面流速

表1為鋼渣表面參數(shù)的對比，無論是最大表面流速、平均表面流速和最大、平均湍動能，優(yōu)化后的三孔水口都比傳統(tǒng)的兩孔水口要小很多，這主要是由于第三孔的分流作用而產(chǎn)生的。圖7為鋼渣界面表面流速的云圖，兩種水口的最大表面流速的位置均在距離窄面1/3[7]，這與許多學(xué)者的結(jié)論是一致的。這個(gè)結(jié)論對于新型三孔水口減少結(jié)晶器卷渣效果有所提高，同時(shí)也可以更好地控制結(jié)晶器中旋渦的作用，使得結(jié)晶器中流場更為穩(wěn)定，分布更加均勻，這有助于提高鑄坯質(zhì)量。

3.3鋼-渣界面行為對比

3.3.1鋼-渣界面波動周期的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

圖8和圖9分別是數(shù)值模擬和物理模擬下的鋼渣界面波動的情況。對于優(yōu)化的三孔水口，拉速為1.8m/min時(shí)液面波動最大達(dá)到了15.3mm。當(dāng)此情況持續(xù)了7s后降到了13.8mm，經(jīng)過了12s后再次到達(dá)高峰，波峰與波谷的差值為1.5mm，這就產(chǎn)生了周期現(xiàn)象，鋼渣界面在這個(gè)周期的范圍內(nèi)循環(huán)往復(fù)的運(yùn)動，這里的周期、波峰與波谷以及差值都會影響鑄坯的品質(zhì)。對于圖9來說，通過物理模擬可以看出14s時(shí)的液面波高情況大致與24s時(shí)的情況一致，并經(jīng)過10s左右的時(shí)間出現(xiàn)了循環(huán)往復(fù)的情況，這與數(shù)值模擬的結(jié)果基本一致，從而證明了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

3.3.2鋼、渣界面波動周期的情況分析

圖10為兩孔水口和優(yōu)化后的三孔水口的鋼渣界面波動情況對比圖，三孔水口的最大波高差值大約為7.6mm，而兩孔水口的波峰與波谷的差值為三孔水口波高差值的兩倍之多；三孔水口一個(gè)周期的時(shí)間大約為8s，傳統(tǒng)的兩孔水口一個(gè)周期的時(shí)間為20s，因此，可以看出優(yōu)化后的三孔水口時(shí)鋼渣界面波動較小、較為穩(wěn)定，卷渣情況也較小，鋼坯品質(zhì)會得到一定的提高。

4結(jié)論

（1）三孔水口由于第三孔的原因，使結(jié)晶器形成了上、中、下三個(gè)主要的回旋區(qū)，而兩孔水口只形成了上回流區(qū)和下回流區(qū)。

（2）三孔水口的分流作用較為明顯，無論是平均表面流速和最大表面流速，還是結(jié)晶器內(nèi)的平均或最大湍動能都要比傳統(tǒng)的兩孔水口要低很多，這說明三孔水口的液面波動較為平緩，卷渣情況較小。

（3）通過鋼渣界面波動周期和波峰與波谷的最大差值，也可以看出兩孔水口的結(jié)晶器更容易發(fā)生卷渣現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂亞平.淺談影響鑄坯質(zhì)量和鋼板分層的主要因素[J].酒鋼科技,2005(2):44-47.

[2]蔡開科,孫彥輝,韓傳基.連鑄坯質(zhì)量控制零缺陷戰(zhàn)略[J].連鑄,2011（3）:288-297.

[3]王挺.板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)流動傳熱和凝固收縮的數(shù)值模擬[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2012.

[4]閆小林.連鑄過程原理及數(shù)值模擬[M].石家莊:河北科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

[6]王曉紅.CSP薄板坯連鑄結(jié)晶器三維流場與溫度場的數(shù)值模擬[D].武漢：武漢科技大學(xué),2006.

[7]張大江.板坯連鑄結(jié)晶器鋼液流動行為的物理模擬研究[D].重慶：重慶大學(xué),2009.

作者:劉陽 張彩軍 劉中柱 喬士賓 單位:華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院