双辊薄带连铸熔池内流动、传热与凝固的模拟研究.pdf

以工字口弧形布流器的双辊薄带连铸为研究对象,建立了带宽为 mm、辊径 mm三维数值计算模型,对钢液流动状态与温度分布情况进行非稳态计算分析,以验证工字形弧形布流器的结构合理性,并分析在相同钢液入口温度条件下,不同带钢速度对熔池流场与温度场的影响.结果表明,工字口弧形布流器在熔池温度分布、流动状态、凝固情况均表现良好.在入口钢液温度为 K条件下,拉速从 m/m i n增加到 m/m i n和 m/m i n,出口处从液相质量分数从变为 和 ,凝固坯壳厚度也减为、mm,工作拉速在 m/m i n左右较为合理.关键词:双辊薄带;布流器;流场;温度场;凝固中图分类号:T F 文献标志码:A文章编号:()M o d e l l i n go f f l o w,h e a t t r a n s f e ra n d s o l i d i f i c a t i o n i n t h eb a t ho f t w i nr o l l s t r i pc o n t i n u o u s c a s t i n gY A N GZ e x i,WA N GZ i m i n g,L IY u e,Y U EQ i a n gS c h o o l o fM e t a l l u r g yE n g i n e e r i n g,A n h u iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,M a a n s h a n ,C h i n aA b s t r a c t:T a k i n gt h et w i n r o l l t h i ns t r i pc o n t i n u o u s c a s t i n ga n dr o l l i n gm o l t e np o o lw i t ha ni n v e r t e dH s h a p e da r cd i s t r i b u t o r a s t h e r e s e a r c ho b j e c t,a t h r e e d i m e n s i o n a l n u m e r i c a l c a l c u l a t i o nm o d e lw i t haw i d t ho f mma n da r o l l d i a m e t e r o f mmw a s e s t a b l i s h e d T h e f l o ws t a t ea n d t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nw e r ec a r r i e do u tt ov e r i f yt h er a t i o n a l i t yo ft h es h a p ed e s i g no ft h ei n v e r t e dH s h a p e do u t l e t,a n d t h e i n f l u e n c eo f t h es a m em o l t e ns t e e l t e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n tc a s t i n gs p e e d so nt h em o l t e np o o l f l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l dw a sa n a l y z e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n v e r t e dH s h a p e do u t l e tf l o w d i s t r i b u t o rp e r f o r m s w e l li nt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n,f l o w s t a t e a n ds o l i d i f i c a t i o no f t h em o l t e np o o l W h e nt h et e m p e r a t u r eo fm o l t e ns t e e l a t t h e i n l e t i s K,t h ec a s t i n gs p e e d i s i n c r e a s e d f r o m m/m i n t o m/m i na n d m/m i n,t h e l i q u i dm a s s f r a c t i o na t t h eo u t l e t i s c h a n g e d f r o m t o a n d ,t h e s o l i d i f i e d s h e l l i s a l s o r e d u c e d t o mma n d mmT h er a t i o n a lw o r k i n gc a s t i n gs p e e d i sa b o u t m/m i n K e yw o r d s:t w i nr o l l s t r i p;d i s t r i b u t o r;f l o wf i e l d;t e m p e r a t u r e f i e l d;s o l i d i f i c a t i o n双辊薄带连铸技术,属于近终形连铸技术之一,有助于加快生产节奏,实现带钢的快速生产,具备低能耗、低碳排放的特点,具有较大的应用前景.该技术推动了多种材料在板材方面的快速发展,包括钢铁合金、镁铝等有色金属、以及多种复合材料 .但仍存在一些问题限制其发展,如拉速难以匹配,会受到侧封板的限制难以不间断地连续生产,以及孔隙率的问题,因此进一步优化工艺过程,有助于该技术的进一步发展.在钢液薄带连铸过程中,钢液在两个近距离的冷却辊间形成熔池,并通过双辊的快速转动和内部流经的冷却水,迅速冷却钢液并在出口处形成铸坯,之后根据需求将铸坯输送到对应的后处理阶段得到最终产品.在这过程中,双辊间的熔池与连铸过程的布流系统有着密切联系,良好的布流系统会对熔池内流场有着较好的影响,而熔池内流场的状态对熔池与铸辊间的冷却有着较大的影响,优化水口工艺参数有助于改善熔池内的流场和温度场,获得良好的熔池流场在解决连铸过程中可能出现的因熔池波动所产生的铸坯裂纹与熔池液面结壳等问题有着较好的发挥 .钢液的双辊薄带连铸过程中,布流系统中布流 年月第 卷 第期炼钢S t e e l m a k i n gA u g V o l N o 器水口的内部结构对熔池内钢液流动的稳定性有重要影响.朱光明、董建宏 等研究了布流器侧边水口的角度以及相关参数对熔池内部场域的影响,张纬栋 等学者研究了熔池液面高度和分配器在布流器内部的高度对熔池的影响,文光华 等学者对侧边水口的设计参数和布流器在熔池内的插入深度进行了物理模拟研究.此外,在国际领域,Y u e 等研究者对槽型布流器的侧方水口进一步研究,不局限水口的倾角、大小、高度对流场温度的影响,进一步探究其与液面波动程度的相关因素,使 喷 嘴 设 计 时 所 考 虑 的 因 素 更 加 全 面;C h e n 等人研究了卧式双辊轧机的不同铸嘴结构对熔池流动状态的影响,并同时分析了铸嘴宽度对铸轧区域的温度分布、流场分布产生的影响.目前,在钢液的双辊薄带连铸过程中的研究,对楔型布流器的研究较为普遍,研究多集中在楔型布流器的不同水口工艺参数、相对熔池位置和不同拉速等因素对熔池液面波动以及熔池内流动和传热的影响.本研究以某钢厂双辊薄带连铸机熔池内的流动、传热和凝固为研究对象,以弧形布流器为基础,建立包括布流器与熔池区域的数值模型,研究弧形布流器在不同拉速下的流动、传热和凝固规律,为双辊薄带连铸的布流系统的优化设计提供参考.数学模型 控制方程在双辊薄带连铸过程中,模型需要满足连续性方程、动量方程和能量方程,将模型内钢液视为稳定不可压缩的单相流后还需要满足以下方程:连续性方程:ui()xi()动量方程:uiuj()xjxje f fuixjujxiipxj()描述湍流运动的k双方程:k方程:xjujk()xje f fkkxjG()方程:xjuj()xje f fxjCkGCk()其中:湍流动能Gtuixjujxiuixj;有效黏度为e f ftCk/()其中:为分子黏度系数;t为湍流黏度系数;k和分别为k和的湍流P r a n d t l数,常用推荐值 和;C和C分别为经验常数,取值为 和 .能量方程:CpuTxvTywTzxKe f f TxyKe f fTyzKe f fTz()其中:Ke f fKCputP rt()式中:Cp为 钢 液 比 热 容,J/(k gK),取 J/(k gK);Ke f f为有效传热系数,W/(mK);K为层流传热系数,W/(mK);P rt为湍流普朗特常数,取.本文采用变黏度法对熔池凝固现象进行处理,在液相区,钢液进行湍流流动,物性不变;固相区将钢液视为完全凝固,进行层流流动,黏度可以视为被乘以一个较大的系数;而处于固液两相区内的钢液,对黏度进行处理,与固相率为线性关系,具体函数如下:e f flTTsfssl()lTsTTlsTTl()式中:e f f为钢液有效黏度,P as;fs为固相率;l为液相钢液黏度,P as;s为固相钢液黏度,P as,取值为 l.而固相率具体函数为:fsTTsTlTTlTsTsTTlTTl()式中:T为钢液温度,K;Ts为固相线温度,K;Tl为液相线温度,K.模型的基本假设在熔池内钢液具备复杂的流动逻辑,且熔池内会同时进行动量、热量的传递,为保证模型的有效计算,进行以下假设来限制模拟过程中流体流动和传热过程:)熔池内钢液各相均按照不可压缩流体进行计算,密度为常数,两相流密度为固相第期杨泽曦,等:双辊薄带连铸熔池内流动、传热与凝固的模拟研究率的函数;)不考虑熔池内冷却辊面的波动影响;)固相相变潜热远小于凝固潜热,不考虑固态相变带来的热量影响.模型建立与边界条件的设置本文采用F l u e n t软件对工字口弧形布流器进行模拟,选取布流器内部区域为模型计算域,为方便计算采用实际熔池区域的/进行模拟计算,几何结构与各项位置如图所示.模型的处理采用A N S Y SM E S H对其进行六面体结构化网格划分,对流固交界面进行边界层处理,以及对熔池出口进行加密处理,提高网格精细度,同时保证模型的连续性.整体网格划分后网格单元数为 万个,网格节点数为 万个,网格模型图如图所示,计算采用的边界条件如表所示.模型计算过程中对热量的处理仅考虑熔池区域对外的热量交换,熔池分析对象为钢液,参数选取常用物性,具体物性参数见表.对熔池流热耦合场以及凝固情况的分析所用不同连铸拉速分别为、m/m i n,入口采用速度进口边界条件,入口 速 度 对 应 不 同 拉 速 分 别 为 、m/s,对 应 的 辊 面 旋 转 角 速 度 为 、r a d/s.为便于分析熔池内的流动和温度分布,分别在距侧边对称面 、m处自左向右创建竖直截面、,如图 b所示,其中截面过布流器出水口.在距熔池底部出口 m和 m高度处自下而上创建水平截面和,截面为过布流器出口处截面.在距熔池出口 m高度处的水平截面上选取线、,选取对称面与截面相交的三条线分别为线、.图熔池及布流器示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo fm o l t e np o o l a n dt h ed i s t r i b u t o r图熔池及布流器网格模型F i g T h em e s hm o d e l o fm o l t e np o o l a n dd i s t r i b u t o r结果与分析 熔池流场流动状态结果分析图为带钢拉速为 m/m i n下,截面处即布流器出口处速度矢量分布与流线图,图为截表模型边界条件T a b l eB o u n d a r yc o n d i t i o n s参数数值铸轧辊直径/mm 入口直径/mm 辊面对流换热系数/(WmK)冷却水温度/K 熔池表面换热系数/(Wm)侧壁温度/K 面和的速度矢量分布图,由图可知,钢液自布流器经下通道及侧边单管流入熔池,其中熔池大部分钢液是从布流器下通道流出的,该部分钢液在出口处因出口挡板,流动方向转变为横向流动,并流向辊面.在高度方向上该流股会有少部分钢液向上流动更新液面,钢液流至辊面,在冷却辊转 炼钢第 卷表模型参数T a b l eP h y s i c a l p a r a m e t e r so f t h em o l t e n s t e e l参数数值浇铸温度/K 导热系数/(WmK)密度/(k gK)潜热/(Jk g)黏度/(P as)比热容/(Jk gK)图截面处速度矢量分布与流线图(局部)F i g V e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o na n ds t r e a m l i n ed i a g r a ma tP l a n e(p a r t i a l)动作用下,以相对较高速度顺辊面向下流动,向下流动的过程所产生的剪切力会形成较小范围的紊流,但紊流区域小且扰动弱.此外,熔池下部不同区域,钢液由邻近通道的钢液不断补充,由于入口的分布呈现多点线性排列,因此熔池内的流动在图截面与的流线图F i g S t r e a m l i n e so fP l a n ea n d验证水口排列方向的流动处在不均匀性,该现象与图示踪剂在不同时刻的分布所反映的在沿着水口排列方向(熔池的长度方向)流动不完全均匀是一致的.图为截面处钢液单向(Y方向)速度分布云图,可知,在熔池长度右侧区域,整体钢液流动趋势为向更近的单侧流动,以保证两侧熔池区域的均匀性.图水模拟试验中不同时下刻示踪剂分布图F i g T r a c e rd i s p e r s i o n i nw a t e re x p e r i m e n t a td i f f e r e n t t i m e s图截面处Y方向速度分布云图F i g C o n t o u rm a po fv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nYd i r e c t i o na tP l a n e 熔池温度与凝固分布结果分析图为带钢拉速为 m/m i n下,截面到的温度分布云图.由图可知,在两侧区域的截面与截面在靠近液面处存在局部高温,过布流器区域的截面与截面的高温集中在布流器下通道附近.在同等高度下,各截面温度相近,随高度下降温度均匀变化且逐步降低,熔池整体温度分布均匀.图为线、上所选取点对应的温度曲线图(不包括侧封板),由图可知同等高度下,钢液温度横向方向上差异不大,位置距离辊面越近温度越低,辊面传热没有受到影响,熔池具备良第期杨泽曦,等:双辊薄带连铸熔池内流动、传热与凝固的模拟研究好的均匀性.图截面到截面温度分布云图F i g T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc l o u dm a pf r o mP l a n et oP l a n e图出口处温度分布曲线F i g T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc u r v ea t o u t l e t图为 m/m i n的拉速条件下,截面、的液相质量分布云图.图中液相质量分数为表示全固相,表示全液相,表示固液混合相.由图可知,在熔池上部区域,同等高度下熔池凝固状态相近,并未出现局部凝固的情况,且熔池自上而下液相质量分数变化均匀,冷却辊面没有明显结壳现象,熔池凝固情况与图熔池温度分布结果一致.图 为线、上所选取点对应的液相质量分数线图.由图可知,在距离侧封板较远区域,同等高度下,液相质量分数横向方向上差异不大,且线与线之间的液相质量分数差值也表现相近;在靠近侧封板处,各线对应的液相质量分数逐步下降至,液相质量分数越高、距离侧封板越近,曲线下降的速度梯度越大,且各线的液相质量分数出现下降趋势的位置相近.而根据出口处凝固情况,宽度方向上凝固坯壳厚度稳定,较长区域维持在 mm厚度,直至侧封板处.表明熔池与冷却辊和侧封板在出口处的热交换并未受到不良因素影响,熔池凝固情况较为稳定,熔池温度场具备良好的均匀性和良好的流动性.说明熔池装有该布流器后在 m/m i n的拉速条件下,传热几乎不受流动影响,熔池的温度场与凝固情况都表现出良好的分布情况.图截面到截面液相质量分布云图F i g L i q u i dp h a s em a s s f r a c t i o nc o n t o u ro fP l a n et oP l a n e图 不同位置处的液相质量分数F i g L i q u i dp h a s em a s s f r a c t i o na td i f f e r e n tp o s i t i o n s 不同拉速对计算结果的影响图 为不同拉速下线、对应的液相质量分数点线图.由图可知,在 m/m i n拉速时,三条液相曲线重合,熔池在 m处存在K i s s点(薄带连铸过程液相完全消失的位置),出口处钢液完全凝固,上部区域液相占比随高度升高线性增加;在 m/m i n拉速时,三条液相曲线在 m高度以下区域重合,在高于 m区域线与线对应曲线重合,线高于另外两条曲线,曲线随高度升高整体呈线性上升趋势,出口处液相分数为 ,凝固坯壳厚度为 mm;在 m/m i n拉速下,三条曲线仅在低于 m区域重合,在 m以下区域线与线对应曲线重合,炼钢第 卷图 不同拉速下的液相质量分数曲线F i g L i q u i dp h a s em a s s f r a c t i o nc u r v e sa td i f f e r e n t c a s t i n gs p e e d s在高于 m、低于 m区域线对应曲线高于另外两条曲线,不同于其他拉速,三条曲线存在明显的梯度变化,说明传热过程收到影响,出口处液相分数为 ,凝固坯壳厚度为 mm.m/m i n拉速下熔池液相分布较为稳定,出口处完全凝固.m/m i n拉速下熔池绝大部分区域保持稳定,仅侧边区域因涡流影响受冷却程度较弱,使液相质量分数略高于布流器下方区域.大部分凝固坯壳厚度为 mm,侧封板处有小部分区域为完全凝固状态.m/m i n拉速下因熔池内钢液流动速度增大,流场不如低拉速下稳定,熔池温度场受流场影响较大,整体熔池钢液因冷却时间更短所以液相含量更高,使出口处坯壳厚度下降到仅为 mm,侧封板处凝固区域也大幅减少.线因所处截面过布流器水口通道,引起该位置处的局部紊流强于其他区域,因此其液相变化不同于另外两条曲线.与其他位置相比,此处钢液流速更快,钢液受冷却时间更短,液相分数更高,出口处因液相减少、固相增多以及两个冷却辊间距缩小,冷却受流动影响较弱,表现为三条液相曲线重合.在同等拉速条件下,各线的液相质量分数曲线对应的数值区间相近,所以选择各速度下都与其他曲线差别较小的线进行数据比对,以分析不同拉速下的熔池液相情况.图 为线在不同拉速下的液相质量分数点线图.由图可知,拉图 不同拉速下线的液相质量分数曲线F i g T h e l i q u i dp h a s em a s s f r a c t i o nc u r v ec o r r e s p o n d i n gt oL i n ea td i f f e r e n t c a s t i n gs p e e d s第期杨泽曦,等:双辊薄带连铸熔池内流动、传热与凝固的模拟研究速越大,熔池受冷却时间越短,整体液相质量分数越高.同时液相质量分数的曲线斜率与拉速相关,拉速越高,钢液在熔池内的停留时间越短,温度变化差值降低使曲线斜率降低.所以低拉速有助于钢液的凝固过程.结论)采用工字口弧形布流器浇注时,由于布流水口间断布置,熔池内钢液在沿着熔池长度方向上存在速度差异,但由于流速较高,温度分布总体呈现均匀分布,可以保证沿整个辊宽方向的温度分布均匀,能够满足薄带连铸过程中凝固坯壳的质量.)采用工字口弧形布流器浇注时,出口处钢液凝固均匀性仅受侧封板影响较大,铸辊的旋转速度对薄带连铸过程有显著影响,铸辊转速升高会加剧熔池内的紊流,从而导致存在速度过快的明显流股使局部冷却不充分,造成温度分布不均,凝固分布不均,而连铸拉速较低会提高K i s s点,增加熔池出口处固相区域.)基于工字口弧形布流器熔池内钢液的流动、传热和凝固过程的分析可发现,在考虑熔池内钢液的均匀性和出口处凝固坯壳的厚度的情况下,拉速从 m/m i n增加到、m/m i n,出口处从液相质量分数从变为 、,凝固坯壳也减为、mm,工作拉速在 m/m i n左右较为合理.参 考 文 献S AGE,I S A C M,G U T H R I E R I LP r o g r e s si ns t r i pc a s t i n gt e c h n o l o g i e sf o rs t e e l;t e c h n i c a ld e v e l o p m e n t sJI S I J I n t e r n a t i o n a l,():S AGE,I S A CM,G U T H R I ERIL P r o g r e s s o f s t r i p c a s t i n gt e c h n o l o g yf o rs t e e l;h i s t o r i c a ld e v e l o p m e n t sJI S I JI n t e r n a t i o n a l,():Z H UCY,Z E N GJ,WA N G WLT w i n r o l l s t r i pc a s t i n go fa d v a n c e dm e t a l l i cm a t e r i a l sJ S c i e n c eC h i n a:T e c h n o l o g i c a l S c i e n c e s,():X I A Y K,Z H A N G Y X,WU T M,e ta l D e f o r m a t i o nt w i n n i n g c a u s e db yw a r mr o l l i n ga n ds e c o n d a r yr e c r y s t a l l i z a t i o ni nt w i n r o l ls t r i pc a s t i n g F e G a a l l o yJ J o u r n a l o fA l l o y s a n dC o m p o u n d s,D O I:/j j a l l c o m WA N GZJ,L IY W,Z H A N G W N,e ta l M i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o na n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t i t a n i u m a l l o y i n gh i g hb o r a t e ds t e e l s h e e t s f a b r i c a t e db yt w i n r o l l s t r i pc a s t i n gJM a t e r i a l sS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g:A,D O I:/j m s e a G U T H R I ERIL,I S A CM M C o n t i n u o u sc a s t i n gp r a c t i c e sf o rs t e e l:p a s t,p r e s e n ta n df u t u r eJM e t a l s,():蒋恩,刘刚双辊薄带连铸铸辊水冷系统数值模拟J一重技术,():徐益龙,孙济鹏,潘湾萍,等低碳钢薄带双辊连铸凝固过程的数值模拟J上海金属,():任三兵,杜锋,樊俊飞,等薄带连铸布流器数学物理模拟研究J宝钢技术,():王三众,黄兆猛,于辉,等双辊铸轧布流系统优化及熔池流场规律研究J燕山大学学报,():朱光明,殷继丽,任青文,等基于有限元法的布流器水口结构优化研究J钢铁研究学报,():董建宏,王楠,陈敏,等双辊薄带铸轧熔池内流场和温度场数值模拟J过程工程学报,():张纬栋,任三兵,杜锋,等双辊薄带连铸布流系统的数理模拟J过程工程学报,(增刊):文光华,祝明妹,王纪元,等双辊薄带连铸熔池液面波动及流体混合特征模拟研究J钢铁研究,():Y U EBW,Z H UGM,C A OXL,e t a l U n c e r t a i n t ya n a l y s i so f t h e i n f l u e n c eo f d e l i v e r ys y s t e mn o z z l es t r u c t u r eo n f l u i d t h e r m a l c o u p l i n gi nc a s t i n g m o l t e np o o lJ I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fM a t e r i a lF o r m i n g,():C H E N Y,WA N G A Q,T I A N H W,e ta l S t u d y o no p t i m i z a t i o no fn o z z l ef o rc o p p e r a l u m i n i u mc l a dp l a t et w i n r o l lc a s t r o l l i n gJJ o u r n a lo f M a t e r i a l s R e s e a r c h a n dT e c h n o l o g y,():炼钢第 卷