中冶京诚工程技术有限公司炼钢工程技术所 北京 100176
摘要：本文采用数值模拟的研究方法以某厂双长水口-双流板坯连铸中间包为研究对象进行流动与传热耦合过程的三维数值模拟研究。运用有限元分析软件建立了两种形式的中间包有限元模型，计算了不同控流装置的下双长水口板坯和方坯形式中间包的流场和温度场，比较两种形式对中间包内流场及温度场分布的影响，分析两种中间包结构的优劣以及合理性。
关键词：控流装置；双长水口大包；板坯连铸中间包；流动特性；数值模拟
Numerical simulation of the coupled fluid flow and temperature
In two-shroud two-strand slab caster tundish
Zhao fangyi Hao ruichao Chen weiqiang
( Steelmaking and Continuous Casting Division, Capital Engineering & Research Inc., Ltd., Beijing 100176 )
Abstract：The coupled flow and heat transfer numerical simulation of two-shroud two-strand slab continuous casting tundish had been studied by using the three-dimensional numerical simulation method. The finite element model was established by using finite element analysis software, calculated flow field and temperature field in different flow control devices of billet or slab type tundish, analysis the advantages and disadvantages of the two type tundish.
Keywords：flow control device; two-shroud ladle；slab caster tundish; flow behavior; numerical simulation
连铸中间包是连结在钢包和结晶器之间的过渡性容器。它不但具有暂时存储钢液、分配钢液、实现多炉连浇以及稳定钢液流动、减小钢液静压力的功能，而且还具有钢液成份的调整、合金化、对低温钢液加热升温、合理改变流场、促使非金属夹杂上浮、均匀钢液温度等功能，所以也是一个重要的冶金反应容器。
本文采用数值模拟的研究方法，以某厂双长水口的8流方坯连铸机改造为双流板坯连铸机的中间包为研究对象，进行流动与传热耦合过程的三维数值模拟研究。运用有限元分析软件建立了两种中间包有限元模型，计算了两种中间包的流场和温度场，结合工程需要的土建改造内容及难点来分析两种中间包结构的优劣以及合理性。
1.数学模型
中间包内钢水的流动是一个比较复杂的过程，作为简化，本文研究的钢水流动是一个定常、稳态的三维湍流流动，控制方程由连续方程、N-S方程、能量方程组成，湍流模型采用Launder和Spalding提出的κ-ε双方程模型[1]。
本计算中的中间包以浇注方向对称，为了减少计算量和缩短计算时间，只计算二分之一中间包，按实际通钢量计算后入口速度，设定钢水表面为滑移壁面，其余壁面均为无滑移壁面，出口为静压力出口。在模拟温度场时，假设大包钢水以恒温注入到中间包内；在浇铸过程中，中间包壁和表面覆盖剂的热辐射视为稳定态，通过包壁和表面渣层的热通量采用Chankraborty和Sahai的推荐值[2]，即中间包纵向包壁、横向包壁、底面及表面渣层的热损失分别为3.2，3.8，1.4和15 kJ/(s•m2)。当速度和温度的计算残差均小于0.5×10-3时认为达到收敛状态。
钟良才等人的研究表明带顶檐的方形湍流控制器可以显著的抑制长水口流入中间包时的高速流动能[3]，本研究采用方形带檐的湍流控制器。
原8流方坯连铸机中间罐布置图如下
原8流方坯连铸机为2台中间罐车形式，长水口的两个水口分别将钢水注入至两侧的中间罐内，每个中间罐负责浇注4流小方坯。在前期与业主的交流中，因订单较多，希望在短期内尽快改造完毕，同时成本需控制在接受的范围内，将此方坯连铸机改造为板坯连铸机，最大程度上的利用原有浇注平台、钢包及回转台，针对此要求分别设计了以下2种方案的中间包，结构示意图如下：
2.模拟结果与讨论
2.1流体的流动特征
从计算结果图3(a)、 3(c)可以看出，因为是双长水口，每个长水口的通钢量为单长水口的大包通钢量的一半，板坯、方坯形式的中间包的钢水经双长水口注入中间罐的流速较低，钢水从长水口注入各自的湍流控制器后经湍流控制器的抑制作用后向上流动，这个过程湍流控制器内的钢水流动撞击剧烈，有利于夹杂物的聚集、长大，且柱流区的流动得到了较好的控制，钢水流向液面的速度降低，这就有利于夹杂物被表面的覆盖剂吸附、去除，同时两个湍流控制器距离较远，两股钢水互相干扰较小，冲击区的流动都得到了较好的控制，相对而言方坯的冲击区区域较大，冲击区域的钢水液面扰动更小，不容易卷渣。
图3(b)、3(d)为中间罐流出水口对称面的速度矢量图，钢水从表面流向挡渣堰沿挡渣堰向下流动然后经导流小坝导流在流向中包液面，这样的流动增加了钢水在中包内的停留时间，且钢水第二次流向液面，增加了夹杂物与覆盖剂的接触，这样就能更好的起到去除夹杂的效果，在采用了同样的挡渣堰和坝的组合设计后可以看出此部分的流动状态也比较接近，说明双长水口方坯形式的T型中间罐应用在本改造工程中也是可行的。
2.2流体的温度分布
通过比较各方案的温度场结果可以看出，板坯形式的中间罐对称面以及包壁面上的钢水温降要比方坯的温降小，因为相同液面深度及流间距情况下T型的方坯中间罐容量较板坯形式大了不少，表面及壁面面积更大，长时间的浇注后温降略大3-5℃，此范围也是在允许范围内的。从温度场分布来看两种中间罐均可行，板坯形式的中间罐钢水温降较小。
2.3浇注平台的柱网布置
若采用板坯形式的中间罐，原有的方坯水口落点至铸机基准线较远，必须对现有的中间罐车轨道进行改造以及调整平台柱网的布置，土建基础改造成本会相对较高，同时工期相对较长，改造难度较高。
采用双长水口的T型中间罐，可以利用原有的中间罐车轨道，仅需新设计新的中间罐车，加固原有的中间罐车轨道，即可满足改造需求。不仅降低了改造难度及成本，改造工期也会缩短。方坯形式中间包相对于板坯形式中间包对相关的土建基础及相关设备布置影响较小，本改造工程中方坯形式的双长水口中间罐会比较适用。
3.结论
(1) 板坯形式的双长水口中间包和方坯形式中间包采用湍流控制器及堰坝空流装置后流动分布均可满足生产需求，方坯的冲击区较大，可以避免卷渣的情况，对钢水的纯净度有更好的保障。
(2) 板坯中间罐的温降比方坯中间罐小，更有利于生产，但是方坯的温降也在正常生产允许范围内。
(3) 综合业主要求在降低成本和缩短工期的要求下，采用方坯形式的双长水口是可行的，对浇注平台改动最小，工期短，改造难度也大大降低。
参考文献
[1]Launder B E, Spalding D B. Mathematical models of turbulence[M] London: Academic Press, 1972.
[2]Chakrabory S, Sahai Y. Mathematical modelling of transport phenomena in continuous casting tundish [J]. Ironmaking and Steelmaking, 1992, 19: 487.
[3]钟良才，张立，黄耀文，等. 湍流控制装置的结构对中间包流体流动特性的影响[J].钢铁研究学报，2002，14(4)，6-9
作者简介：赵方毅，男，硕士，工程师，从事连铸工艺设计，zhaofangyi@ceri.com.cn
论文作者:赵方毅,郝瑞朝,陈卫强
论文发表刊物:《基层建设》2017年第9期
论文发表时间:2017/7/24
标签：水口论文; 钢水论文; 湍流论文; 形式论文; 两种论文; 罐车论文; 双流论文; 《基层建设》2017年第9期论文;