[发明专利]考虑凝固壳厚度和流动质量平衡的连铸结晶器模拟方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种考虑凝固壳厚度和流动质量平衡的连铸结晶器模拟方法，并根据该 方法设计了一套结晶器模拟装置。主要用于冶金领域连铸结晶器内钢液流场流动状态和结 晶器水口优化的物理模拟研究。适用于板坯连铸、方坯连铸、圆坯连铸和其它类型的所有 连铸，特别是薄板坯连铸等领域。

背景技术

连铸结晶器是控制流体流动和凝固传热的关键部件，也是控制铸坯质量的重要环节。 连铸结晶器内发生一系列复杂的物理和化学现象，可归纳为含有流动、传热和传质的传输 现象和相变、应力等引起的变形现象，包括钢液的流动、传热、凝固、溶质再分配、夹杂 物的分布以及热应力引起的相变等。由于进入结晶器的高温钢液具有很大的动能，在凝固 壳包围的液态金属中存在强烈的湍流流动，这种流动对卷渣、卷气、液穴的形成以及结晶 器中温度分布、凝固传热和凝固壳厚度分布的均匀性都有重要影响。结晶器内钢液的流动 特性不仅关系到结晶器的传热和夹杂物的上浮，而且还与铸坯裂纹、偏析等表面及内部质 量有着非常密切的关系。因此，对结晶器内钢水流场流动状态进行研究就显得尤为重要。

随着连铸技术的发展，对结晶器内流体流动过程和优化设计研究受到重视。目前，主 要是通过物理模拟实验和数值模拟进行研究。物理模拟是通过建立物理模型，对所研究体 系进行实时观察和测量，模型建立在相似原理基础之上，利用物理模型与原型之间几何、 运动、动力等方面的相似性，研究结晶器流场的实际特征。在结晶器内钢水热量传递给结 晶器铜板，并由铜板内水缝循环冷却水带走。在结晶器高度方向上，随着至弯月面距离的 增大，钢液在结晶器内冷却时间增大，传出的热量越多，凝固壳厚度沿结晶器高度方向逐 渐增加。在结晶器出口处，凝固壳一般均在10mm以上，正常处于10-20mm左右。其中影响 凝固壳厚度的主要为拉速、横断面形状、结晶器冷却参数(包括冷却水缝设计、水流速、 水流量、水压力)等因素。结晶器内钢水凝固时，释放一定的热量，从而形成一定厚度的 坯壳，保证铸坯出结晶器后坯壳能抵抗钢水静压力而不漏钢。

目前国内外对结晶器内凝固坯壳的模拟研究方法以数值模拟为主，对结晶器流场的物 理模拟研究主要集中在不同工况下流场的分布情况，如结晶器尺寸、拉坯速度、吹氩量、 浸入深度和浸入式水口结构参数(包括内径尺寸、出口角度及个数、出口面积与内孔面积 比)等对结晶器内流场分布的影响。这些研究虽然在一定程度上对实际生产有指导意义， 但都是建立在忽略凝固壳和结晶器内流动质量平衡的基础上，与实际生产结晶器流动状态 存在一定的差异。

当钢水注入到结晶器后，由于结晶器的冷却作用，铸坯在结晶器壁附近逐渐形成凝固 坯壳。随着钢液在结晶器内冷却时间的增加，在拉坯方向上，凝固壳厚度逐渐增加。即在 冷却作用下，结晶器内一部分液相钢液逐渐转化成为固相凝固壳。根据结晶器内流动质量 平衡的思想，注入结晶器内钢液总量分为两部分，一部分为靠近结晶器壁的钢液冷却形成 凝固坯壳，另一部分为在结晶器内未凝固的钢液。在结晶器冷却过程中，结晶器内的凝固 过程对于结晶器流动状态的影响可分为两方面：一方面，钢液凝固形成凝固坯壳，结晶器 内流动空间在拉坯方向上逐渐产生收缩，即流动区域逐渐减少；另一方面，由于钢液凝固 作用，结晶器内流动钢液总量减少。传统的物理模拟研究方法没有考虑凝固坯壳的影响， 而且未考虑钢液量减少带来的影响，即结晶器出口处的钢液总量小于由水口进入结晶器的 钢液总量。这样物理模拟得到的结晶器流动状态与实际生产就有一定差异，不能真实地反 映连铸过程中结晶器流场的变化规律，水口结构优化研究结果也不够准确。