摘要:介绍了采用Matlab计算分析软件对结晶器内钢水流动进行模拟分析,找到了敬业板坯裂纹发生的原因,并采取相应措施并取得了良好的效果。
关键词:数值计算 连铸 质量 裂纹
敬业炼钢厂(南区)板坯连铸机自2007年投产以来,铸坯质量存在问题较多,突出问题是铸坯裂纹(表面纵裂、内裂纹)、中板轧后纵裂废品居高不下,技术科结合连铸及冶炼车间,通过对连铸——中板生产线的跟踪调查,并进行了数据计算与大量的统计分析,查清了纵裂产生的主要原因,通过采取措施,取得了良好效果。
1 基本理论
1.1 控制方程
本文采用К-ε双方程模型来描述结晶器内钢水的湍流流动情况。
连续性方程:
动量方程:
湍动能(k)方程:
湍流耗散项方程:
其中:
为湍流流动的时均速度,m/s;
ρ为密度,kg/m3;
为有效粘性系数,kg/(s·m2),
为湍流粘性系数,kg/(s·m2),
方程中出现的系数取Launder和Spalding推荐的值:C1=1.44,C2=1.92,Cμ=0.09, =1.0,σε=1.3。
1.2 基本假设
在结晶器中的金属流体的流动和凝固是一个具有自由表面的湍流流动和传热(含凝固)过程。根据其特征,我们采用如下假定:
1.2.1 金属流体可看作不可压缩牛顿流体,可用标准的 κ-ε湍流模型模拟[1];
1.2.2 流动处于定常状态,以直角坐标系为参考坐标系;
1.2.3 忽略已凝固坯壳对流动的影响;
1.2.4 忽略结晶器弯月面的波动;
1.2.5 忽略结晶器锥度的影响;
1.2.6 忽略结晶器振动的影响.
1.3 数值计算所涉及到的主要性能参数:
铸机半径 8 m
中间包容量 20 t
矫直方式 多点矫直
浇注断面 220mmX1600 mm
计算长度 4000 mm
水口内径 70 mm
水口外径 120 mm
水口侧孔高度 80 mm
水口侧孔宽度 40 mm
浇注速度 0.80m/min
图 1 浸入深度为130mm 结晶器液面控制方式 塞棒+液面自动控制系统二冷配水方式 二级计算机动态控制
1.4 边界条件[1-2]
鉴于模型的双对称性,取模型的1/4进行计算.
1.4.1 入口边界条件.入口定义在浸入式水口入口处.入口钢水速度根据连铸机拉速和质量守恒计算确定,方向垂直于入口.
1.4.2 对称面.垂直于对称面的速度分量和所有其他各物理量沿对称面法线方向的梯度设为零.
1.4.3 结晶器液面.垂直于液面的速度分量和所有其他各变量沿液面法线方向的梯度设为零.
(4)出口边界条件.出口处为计算区域底部,采用质量边界条件,即出口处与入口处质量守恒.
1.4.4 结晶器壁面.在结晶器壁面处,垂直于结晶器壁面的速度分量为零,而平行于结晶器壁面的分量采用无滑移边界条件,即粘度设为无穷大.在靠近结晶器壁的节点上,平行于结晶器壁面的分量由壁面函数确定.
2 计算结果及数据分析
2.1 水口浸入深度对结晶器流场的影响
图 2 浸入深度为130mm 图1、图2是拉速为0.8 m/min,水口侧孔倾角为向下15º时不同浸入深度的结晶器宽面对称面上的流场.浸入深度分别为130,170mm,浸入深度是指从自由液面到水口侧孔上沿的距离.从图1、图2可以看出,随着浸入深度的增大,回流区的面积增大,这有利于液面的稳定,降低了保护渣卷入的可能性,但同时冲击点位置下移,下涡心也随着下移,这不利于夹杂物的上浮,也会影响坯壳的生长速度,使坯壳变薄,从而导致漏钢.2.2 浸入式水口插入深度对纵裂的影响
浸入式水口设计、插入深度与纵裂有很大关系,水口插入深度对纵裂的影响表现在插得太深,则钢流带到钢液面上的热量不足,保护渣不能均匀熔化;水口插入深度太浅,液面翻动严重,导致液渣层不稳定,流入液渣不稳定。
由图3可以看出,浸入深度为130 mm时,自由液面的湍动能明显比浸入深度为170mm 的湍动能大,所以更容易引起液面的波动,造成保护渣的卷入,从而降低铸坯的质量.
图 3 浸入深度对自由液面附近湍动能的影响
由于生产节奏加快,我厂板坯连浇炉数大幅提高,单只浸入式水口使用时间由4~5炉增加到8~9炉,水口换渣线次数增加,造成水口使用后期插入深度变浅,现场多次发现最后一、二炉水口插入深度还不到100mm。为了确定最佳水口插入深度,进行了计算,如图3所示。图3是不同浸入深度时距自由液面5 mm 处沿结晶器宽面中心线上的湍动能分布,可以看出最佳插入深度在110-150mm之间,考虑到计算和实际之间的差距,水口插入深度控制到120-140mm。并统计了约600炉水口插入深度与纵裂的关系如图4所示,从图4可以得出理论计算和实际统计结果比较吻合。 图 4 浸入式水口插入深度对纵裂的影响 3 措施与结论3.1 本文采用Matlab计算分析软件对结晶器内钢水流动进行模拟分析与实际情况基本吻合,可以作为以后生产的理论分析依据。