新型浸入式三孔水口與傳統兩孔水口探析范文

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摘要：

通過數值模擬和物理模擬對優化后的三孔水口和傳統的兩孔水口進行分析對比，從而得出：三孔水口形成了上、中、下3個主要的回旋區，而兩孔水口形成了兩個回旋區；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。優化后的三孔水口較傳統的兩孔水口能更好的提高鑄坯品質。

關鍵詞：

兩孔水口；三孔水口；數值模擬；物理模擬

近幾年，對鋼材品質的要求更為嚴格，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]。為了獲得品質更好的鑄坯，很多鋼廠更加注重導致廢品鋼的原因，關注軋制過程、設備運行情況以及精細檢驗等，尤其是對可能產生缺陷的環節更加注意[2]。而結晶器是連鑄的“心臟”[3]，直接關系到鑄坯品質的好壞。根據大量的研究學者的統計，結晶器彎月面上的熱量，指結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，在結晶器中由于鋼坯要經過冷卻凝固的一系列熱效應過程，因此，對結晶器的研究是十分重要的[4，5]。本文對結晶器影響最大的水口進行分析研究，介紹優化后的三孔水口對結晶器的流場、保護渣卷渣等方面的改善效果，從而能夠更好地提高鑄坯品質。

1實驗裝置及模型建立

通過物理模擬和數值模擬對兩孔水口和三孔水口進行對比和分析，圖1為物理模擬的模型，圖2為實驗圖。圖3傳統兩孔水口和圖4優化后的三孔水口，兩個水口側孔傾角均為15°，側孔出口的面積都為2.9cm，側孔出口的長寬分別為85mm和60mm。

2研究方法

2.1實驗設計

本次試驗是在高拉速為1.8m/min時，通過數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、保護渣的覆蓋效果進行分析研究，從而能夠更好的說明三孔水口相對于兩孔水口的優勢所在，使得結論更具有說服性。

2.2實驗方法

本實驗主要是根據ANSYSFLUENT15.0軟件來模擬，鋼液流經三孔水口和兩孔水口時結晶器中鋼渣界面、結晶器流場中湍動能等的變化，再通過物理模擬進行分析研究。

3結果與分析

3.1兩孔水口與三孔水口的流場

圖5是兩孔水口和優化后的三孔水口流場的矢量圖，在圖6中A表示傳統兩孔水口，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個回旋區；從圖中可以看出，模擬鋼液從傳統水口流出時的最大速度為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，側孔流量減少了大約14.3%，從而使得結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，優化后的三孔水口都比傳統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]，這與許多學者的結論是一致的。這個結論對于新型三孔水口減少結晶器卷渣效果有所提高，同時也可以更好地控制結晶器中旋渦的作用，使得結晶器中流場更為穩定，分布更加均勻，這有助于提高鑄坯質量。

3.3鋼-渣界面行為對比

3.3.1鋼-渣界面波動周期的驗證實驗

圖8和圖9分別是數值模擬和物理模擬下的鋼渣界面波動的情況。對于優化的三孔水口，拉速為1.8m/min時液面波動最大達到了15.3mm。當此情況持續了7s后降到了13.8mm，經過了12s后再次到達高峰，波峰與波谷的差值為1.5mm，這就產生了周期現象，鋼渣界面在這個周期的范圍內循環往復的運動，這里的周期、波峰與波谷以及差值都會影響鑄坯的品質。對于圖9來說，通過物理模擬可以看出14s時的液面波高情況大致與24s時的情況一致，并經過10s左右的時間出現了循環往復的情況，這與數值模擬的結果基本一致，從而證明了數值模擬結果的可靠性。

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；三孔水口一個周期的時間大約為8s，傳統的兩孔水口一個周期的時間為20s，因此，可以看出優化后的三孔水口時鋼渣界面波動較小、較為穩定，卷渣情況也較小，鋼坯品質會得到一定的提高。

4結論

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

（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，還是結晶器內的平均或最大湍動能都要比傳統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晶器更容易發生卷渣現象。

參考文獻：

[1]呂亞平.淺談影響鑄坯質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.連鑄坯質量控制零缺陷戰略[J].連鑄,2011（3）:288-297.

[3]王挺.板坯連鑄結晶器內流動傳熱和凝固收縮的數值模擬[D].西安：西安建筑科技大學,2012.

[4]閆小林.連鑄過程原理及數值模擬[M].石家莊:河北科學技術出版社，2001.

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

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

作者:劉陽 張彩軍 劉中柱 喬士賓 單位:華北理工大學冶金與能源學院