不锈钢板坯连铸结晶器钢液流场影响因素.pdf

不专刊
活钢科技2010年第4期
不锈钢板坯连铸结晶器钢液流场影响因素
不锈钢厂叶红刚
;针对不锈钢板坯结晶器的特点建立了数学模型,考察了浸入式水口的出钢孔倾角、插入
深度、拉速、板坯宽度等对结晶器内钢液流场的影响,为实际生产中浇注工艺参数的确定提供了理论
依据,并在其后的生产中得到了应用。
关:不锈钢板坯结晶器;数值模拟;浇注参数确定;结晶器流场
1前
由于最终用途的不同,不锈钢生产对产品表面质量的要求远远大于常规碳钢钢种。众多研究结果
和现场实经验表明,合的结晶器钢液流场是保证连恃板坯表面质量的重要手段,浸人式水口的插
人深度、出钢孔的角度和尺寸、拉速的控制、相应板坯的断面尺寸,都对结晶器内钢液流场起着重要作
用[1-3]。如果在实际生产中结晶器钢液流场分布合理,保护渣的熔融状况和润滑/传热功能的实现、
钢液内夹杂物的分布和上浮情况,液面的波动情况都可以得到保证,板坯表面质量也就可以得到保
证。由此,对连恃结晶羇的研究凸显了其重要性。
在我厂奥氏体不锈钢生产初期,如何选取合适的浸入式水口参数以得到较好的板坯表面质量
直是技术人员思考的向题。本文通过对不同的水口侧孔、侵入深度、拉速、断面等因素的比较研究,为
工艺参数的确定提供实践依据,并在其后的生产中得到应用。
2结愚濾场学型的立
2.1仅设条件
在进行数值模拟之前,进行如下简化和假定
忽略结晶器内钢液凝固壳的厚度;
坯拉速均匀;
流体为常物性;
流体为稳定的薰流流动。
为了使结晶器内的钢液得到充分流动,在进行数值模执时计算长度取为4m。考虑到对称性,建立
了结晶器的14模型。
2.,2结内钢液流动的控制方程及边界条件的确定
2.2.1控制方程
采用标准一模型模拟结晶器中钢液的三维流流动。
2.2.2连续性方程
其中速度分量,i=1,2,3
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动量守恒方程
u)=
的,a
其中;e等效粘性系数
钢液的粘若性系数
?素流粘性系数,定义为
其中:k療动能8素动能耗散率对于标准k-8模型C是常数
2.2.3素动能方程
(0)-a
pe+ WAD (4)
=?
部+)
其中
2.,2.4耗散率方程
°(cuCp
上述方程中的各常效分别取为:
Cu=0.09.C1=1.44,02=192,ok=1.0,or8=1.3,ot-=0.9
2.3边环条件
2.3.1水口的人口法向速度可根据拉坏速度由质量守恒换算得到,其余两个方向速度为零;
2.3.2对称面的法向速度为零,其余两个方向速度未知;
2.3固定壁面的三个方向速度都为零
2.3.4出口是用压力为标识
2.3.5壁面模型选用适于低 Prand山数的 Spalding模型,壁面参数采用程序的默认值。
3数学型的计算和结県讨论
控制容积积分法用于本模型,泰勒级数展开法导出公式用于对离散方程进行数学特性分析。根据
上述微分方程和边界条件,建立接近其结晶器内钢液流动数学模型
3.1水口倾角对结晶器内流场的形响
3.1.1工艺条件
钢种:304,板坯宽度:1260mm,拉速:1,30 m min,水口插入深度:160mm
3.1.2计算与讨论
图1所示为不同水口傾角(-15°,09,15°,25°)条件下钢液在结晶器内平行于宽面的中心截面上的
流场分布。
由图1-1可见,改变水口倾角对结晶器内钢液流场的形响是非常显著的。
随射流角度的增加,水口出口流股对结晶器窄边的冲击点向上移动,上、下回流区的大小和相对
位量都有明显的变化,即冲击深度减小,涡心位随着倾角的增加有上移的趋势,冲击流股在到达结
晶器獐边前趋向分散,冲击能减弱,有利于初生坯壳均匀生长,且对夹杂物上浮也有利;但同时,随着
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a)-15°
b)0°
c)15°
d)25°
1浸入式水口倾角对结晶流场的影响
水口出口角度的增加,钢液面动能增加。因为窄边流股冲击点上升,上回流区钢液的动能随之增加,
对液面的扰动能力增强,因而液画衰动能增加,即液面的波动度增大,液面稞露增加,钢液二次氧化
程度严重。
当倾角向下的水口被选用时,下回流区域加大,冲击深度增加,涡心位置下移,不利于凝固坯売的
生长,由于奥氏体不锈钢凝固收缩率的原因,在浇注316L等100%奥氏体相的不锈钢时,不均匀的初
生坯壳在结晶器内存在明显的薄弱区,在冷却和润滑不良的情况下有可能形成出结晶器坯壳漏钢,当
然,下倾角的水口可以带来稳定的液面,卷渣可能性降低。
综合上述情况,选择向上倾角水口有利于奥氏体不锈钢的浇注。从计算结果看,15倾角水口可以
在绝大多数奥氏体不钙钢的浇注中使用;在浇注含奥氏体不锈钢时,25°倾角水口可以减缓由于保
护渣变性带来的熔融情况恶化等情况,从而减少由于化渣原因造成的板坯表面质量不良和漏钢等质
量和生产问题。
3.2水口插入深度对结晶器内流场的影响
3.2.1工艺条件
钢种:304,板坯宽度:1260mm,拉速:1.30m/min,水口出钢口倾角:15°
3.2.2计算与讨论
图2所示为不同水口插人深度条件下(120mm,160m)条件下钢液在结晶器内平行于宽面的中
心截面上的流场分布。
从图中典型流场可以看出,浸入式水口插入深度也是影响结晶器内钢液流场的一个重要因素。
在长时间连浇过程中调节水口插人深度可以選免水口渣线在某一位置被过度侵蚀导致浇注异
常,甚至浇注中断。因此浇注过程调整水口插人深度可以使渣线侵蚀均匀,达到延长连浇炉数的目的。
在本厂不锈钢连铸中间包高度方向可调行程范围内,以10mm为台阶对不同的水口插入深度进
行了计算。从水口出钢孔流出的钢液对结晶器窄边的冲击点随水口插人深度的增加而下降,同时向上
回流钢液的范围增大,使得向上流鼓动能分散,液面織动减弱。由于水口插入深度增加也使涡心位置