连铸结晶器内的流场和液面波动的数值模拟

论文摘要

结晶器是连铸机中最关键的部件，它的性能对连铸机的生产能力和铸坯质量起着十分重要的作用，被称为连铸机的“心脏”。结晶器内钢液的流动状态和液面波动直接影响连铸生产和铸坯质量。铸坯大多数表面缺陷都源于结晶器。同时，要提高连铸产量，就需要较高的拉坯速度，但拉坯速度提高会使结晶器内钢水流动和液面扰动变得剧烈，给铸坯质量带来新的问题。因此，进行结晶器内钢液流场和液面波动的分析研究就显得尤为重要。连铸结晶器内的钢液流动是一个在高温下极其复杂的物理过程，直接测量结晶器内的钢液流动难度很大。利用数值模拟的方法对结晶器内的流场进行研究，定量的了解结晶器内钢液的流动状态和特征是一种行之有效的手段。一直以来，因为自由表面的非稳态相界面处理起来比较困难困难，一般结晶器内钢液的流动行为研究一般会简化成稳态来处理，并且不考虑自由液面的波动，忽略了由于界面张力而引起的弯月面而常将弯月面设成光滑壁面或是对称面。为了了解自由液面的液面行为，本人利用多相流VOF模型，将湍流模型与多相流模型耦合计算，为优化浇注工艺提供依据。本文以断面为180mm×1280mm的结晶器为研究对象，运用FLUENT商业软件对结晶器内钢液流场和液面波动进行了三维数学模拟。结果表明：在稳定浇注过程中，结晶器的自由液面实际上是处在具有小周期的不稳定的波动状态之中；水口插入结晶器内的深度较大，或是水口侧孔倾角向下倾斜的角度变大时，冲击点的位置下移，同时液面波动减小，这将不利于夹杂物上浮。拉速、浸入式水口出口角度、水口插入深度等参数对结晶器内流场和液面波动的均有重要影响；当拉速增大时，液面波动也随之增大，结晶器内钢液速度都会有明显的增大；因此在工艺设计时，注重各参数间的优化组合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 连续铸钢技术的概况及发展历程
• 1.1.1 国内连铸技术的发展
• 1.1.2 国外连铸技术的发展
• 1.1.3 新型连铸技术的开发
• 1.2 结晶器的作用和结晶器的研究现状
• 1.2.1 结晶器的作用
• 1.2.2 结晶器流场的研究
• 1.3 本课题所用的模拟方法
• 1.3.1 物理模拟
• 1.3.2 数学模拟方法
• 1.4 连铸过程中数值模拟技术的应用及发展现状
• 1.5 数值模拟的研究过程
• 2 课题研究的意义和主要内容
• 2.1 课题研究的意义
• 2.2 课题研究的主要内容
• 3 钢液流动行为分析
• 3.1 流体力学知识
• 3.2 离散化概述
• 3.3 FLUENT 软件介绍
• 3.4 运动界面的追踪：VOF 方法
• 4 板坯结晶器流场和液面波动的数学模型
• 4.1 基本方程
• 4.2 模型参数
• 4.3 结晶器内的基本假设
• 4.4 结晶器内的边界条件
• 4.5 结晶器内流场和液面波动的求解方法
• 5 模拟结果分析
• 5.1 结晶器内流场的基本特征和流场的考察指标
• 5.1.1 结晶器内钢液流场的考察指标
• 5.1.2 结晶器内流场的基本特征
• 5.2 结晶器内钢液的液面波动
• 5.2.1 结晶器内钢液的液面波动随时间的变化
• 5.2.2 结晶器内钢液液面波动的三维图
• 5.3 拉速对结晶器内钢液流场和液面波动的影响
• 5.3.1 板坯拉速对结晶器内流场的影响
• 5.3.2 拉速对结晶器内钢液液面波动的影响
• 5.3.3 拉速对结晶器内钢液液面速度的影响
• 5.3.4 拉速对结晶器内钢液液面湍流动能的影响
• 5.4 浸入式水口倾角对结晶器内流场和液面波动的影响
• 5.4.1 浸入式水口倾角对结晶器内流场的影响
• 5.4.2 浸入式水口倾角对结晶器内钢液液面波动的影响
• 5.4.3 浸入式水口倾角对结晶器内钢液液面速度的影响
• 5.4.4 浸入式水口倾角对结晶器内钢液液面湍流动能的影响
• 5.5 浸入式水口浸入深度对结晶器内流场和液面波动的影响
• 5.5.1 浸入式水口浸入深度对结晶器内流场的影响
• 5.5.2 浸入式水口浸入深度对结晶器内钢液的液面波动的影响
• 5.5.3 浸入式水口浸入深度对结晶器内钢液的液面速度的影响
• 5.5.4 浸入式水口浸入深度对结晶器内钢液的液面速度湍流动能的影响
• 5.6 综合因素的相互影响
• 6 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢