板坯结晶器流场优化数值与物理模拟研究

论文摘要

随着连铸技术的迅速发展和市场对钢材质量要求的日益提高,结晶器冶金越来越受到人们的关注。结晶器是连铸生产过程中净化钢质的最后一个环节,其钢水流动状态对夹杂物的排除、保护渣的卷入、凝固坯壳的形成以及铸坯微观凝固组织等都有较大的影响。因此,优化结晶器操作参数及浸入式水口结构对于提高铸坯质量和高效生产具有重要意义。本文以南钢超低头连铸机板坯结晶器为研究对象,分别进行了利用CFD商业软件FLUENT6.2.16的数值模拟研究以及相似比为0.6：1的物理模拟实验,考察了铸坯拉速,浸入式水口结构参数,水口插入深度和水口偏移等参数对结晶器内流场的影响,得出如下结论。(1)数值模拟和水模拟实验结果均表明：若采用现行操作参数及浸入式水口A,提高拉速后将会引起结晶器内流股对窄面冲击强度和向下冲击深度增加,导致液面不稳定并产生严重的卷渣问题。(2)增大浸入式水口插入深度、水口侧孔倾角和水口内径有助于减小液面流速和液面波动,降低卷渣可能性；但同时却增大了向下流股冲击深度,这不利于初生坯壳长大和下回流内夹杂、气泡上浮。(3)浸入式水口偏移结晶器中心会导致结晶器内流场明显不对称,增加液面波动和卷渣的可能性,不利于初生坯壳均匀对称长大,恶化铸坯质量。(4)水模拟实验结果表明,增大浸入式水口的侧孔面积能够明显改善拉速提高条件下的结晶器流场。在水口插入深度200mm时,采用优化水口J能够满足板坯1000×180mm2和1200×180mm2的拉速分别从1.3m/min和1.25m/min提高到1.5m/min和1.45m/min后的生产要求,水口J对应的原型水口参数为：水口内径50mm,出口倾角为18°,出口R=25mm、H=20mm。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 本课题提出背景及研究目的、意义
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第二章 文献综述
• 2.1 结晶器内流场的研究方法
• 2.2 国内外结晶器内流场研究的现状
• 2.2.1 国外对结晶器内流场的研究
• 2.2.2 国内对结晶器内流场的研究
• 第三章 板坯结晶器流场数值模拟
• 3.1 流场数值模拟基本理论
• 3.1.1 流体动力学控制方程
• 3.1.1.1 基本控制方程
• 3.1.1.2 湍流的控制方程
• 3.1.2 近壁面函数
• 3.1.3 控制方程的离散
• 3.1.3.1 离散化概述
• 3.1.3.2 离散化方法
• 3.1.4 有限体积法建立离散方程
• 3.1.5 SIMPLE算法
• 3.2 FLUENT商用软件
• 3.2.1 FLUENT软件概述
• 3.2.2 FLUENT程序的结构
• 3.2.3 FLUENT可以求解的问题
• 3.2.4 FLUENT求解问题的步骤
• 3.3 结晶器数学模型的建立和计算方法
• 3.3.1 基本假设
• 3.3.2 控制方程
• 3.3.3 计算区域和网格划分
• 3.3.4 边界条件
• 3.3.5 控制参数和迭代求解
• 3.3.6 计算结果分析讨论
• 3.4 原型模拟结果讨论
• 3.4.1 板坯结晶器内流场总体特征
• 3.4.2 拉坯速度的影响
• 3.5 物理模型数值模拟结果分析
• 3.5.1 水口不对中对流场的影响
• 3.5.2 拉坯速度对流场的影响
• 3.5.3 水口插入深度对流场的影响
• 3.5.4 水口内径对流场的影响
• 3.5.5 水口侧孔倾角对流场的影响
• 3.5.6 水口侧孔出口面积对流场的影响
• 第四章 板坯结晶器流场物理模拟
• 4.1 物理模拟的理论依据
• 4.2 物理模型设计
• 4.3 物理模拟实验方案
• 4.3.1 实验装置
• 4.3.2 实验方法
• 4.3.3 实验内容
• 4.4 物理模拟结果分析
• 4.4.1 连铸工艺操作参数对结晶器流场的影响
• 4.4.1.1 拉坯速度对流场的影响
• 4.4.1.2 水口插入深度对流场的影响
• 4.4.1.3 水口不对中对流场的影响
• 4.4.2 水口结构对结晶器流场的影响
• 4.4.2.1 内径对流场的影响
• 4.4.2.2 水口侧孔倾度流场的影响
• 4.4.2.3 水口侧孔出口面积对流场的影响
• 4.4.3 结晶器内卷渣模拟分析
• 4.4.3.1 水口附近旋涡卷渣
• 4.4.3.2 窄面剪切卷渣
• 4.4.4 实验结果的优化分析
• 4.4.4.1 现用水口模拟结果分析
• 4.4.4.2 优化水口模拟结果分析
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 主要符号表