专利名称：一种连铸结晶器内钢液流动行为和水口结构优化研究方法
技术领域：
本发明涉及一种考虑铸坯凝固壳厚度的连铸结晶器内钢液流动行为和水口结构优化 的研究方法，主要用于冶金领域连铸结晶器内钢液流场流动状态和水口结构参数优化的物 理模拟、数值模拟等研究。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。 因此，深入了解和控制结晶器内钢液的流动行为是提高连铸坯质量的关键。结晶器钢液 行为主要是指钢液在结晶器内部及液面的流动、传热、凝固等行为。对结晶器钢液行为 的研究，主要是研究由结晶器内钢液的流动、传热及凝固所产生的产品质量问题和生产 顺行问题。由于钢液的流动行为直接关系到传热和凝固，因此钢液流动行为就显得尤为 重要，而通常所说的结晶器钢液行为一般是指结晶器钢液的流动行为。漏钢、夹渣、裂 纹、气泡等生产事故和质量缺陷都与结晶器内部钢液流动控制有着密切的联系。
目前，对于连铸结晶器内钢液流动的模拟主要采用物理模拟和数值模拟的方法。连铸 过程中的结晶器内钢液流动是十分复杂的，直接进行实验测定又难于实现，而且成本较高。 因此很有必要对钢液的流动过程进行物理模拟和数值模拟研究，从而与理论分析结果相互 验证，相互补充。目前被广泛采用的物理模拟方法是水力学模型法，水力模型中采取的研 究方法有观察法、高速照相法、刺激响应法和测速法。水力学模型法是在相似原理指导 下的一种物理模拟手段。它在一定原则约束下，建立符合连铸过程中钢液在结晶器内流动 水力学特征的模型。为便于实验观测，这种模型往往采用透明材料制作，如有机玻璃等。 其中以某种透明流体介质作为钢液的代用品，如水、氯化铵等，使之实现与钢液流动相似 的流动。水模型在直观认识结晶器内发生的基本现象和水口优化方面发挥了很重要的作用，但毕竟结晶器内的现象比较复杂，进行结晶器内钢液流动的数值模拟很有必要。数值 模拟主要是建立结晶器数学模型，根据实际情况确定边界条件，通过仿真模拟得到不同工 况下结晶器内钢液的流动状态，从而分析影响结晶器内流动状态的主要因素，并进一步优 化水口结构参数。
国内外很多学者对连铸结晶器的流场特征已进行了大量研究。认为结晶器内流场存在 三个区域水口射流区、上回流区和下回流区。回流区的大小和强度取决于结晶器断面大 小、拉速、水口浸入深度、水口侧孔角度及吹气量等工艺参数。板坯结晶器内钢液流动的 基本特征是来自水口的钢液从水口侧孔以一定角度射出，形成一股很强的射流，射流流 出一段距离以后，趋向水平流动，然后在冲击结晶器的侧面后，由于射流的巻入和剪切作 用，形成上下两个回流区。向上的流股回流到达表面形成上回流区，并对结晶器液面产生 一定的影响，向下的流股到达最大穿透深度后向上流动形成下回流区。
对结晶器内流动状态产生影响的主要因素为拉坯速度、断面尺寸、水口结构参数、吹 氩量等。其中断面尺寸直接影响到结晶器内水口流股的冲击和扩散区域，目前的物理模拟 研究考虑了不同尺寸、特别是不同厚度结晶器的流动问题； 一般说来，不同尺寸的结晶器， 实验研究显示，其流动状态不同，对应的最佳水口尺寸也不相同。
结品器的主要作用是使钢水在结晶器内初步凝固形成铸坯坯壳，从而保证一定的铸坯 形态。结晶器是铸坯成型的关键环节，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，热量经过铜板会沿铜板厚度方向向铜板热面(钢水面)和冷面(冷却 水)以及高度方向(从铜板弯月面到结晶器出口)传递，从而产生温度分布的差异。因此，在 结晶器高度上，随着至弯月面距离的增大，凝固壳厚度逐渐增加，在结晶器出口处，凝固 壳的厚度一般均在10mm以上，正常处于10-20mm左右。其中影响凝固壳厚度的主要因素 为拉速、结晶器断面形状、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)。
在连铸生产过程中，铸坯在结晶器出口处要保证一定的坯壳厚度，初生坯壳要求均匀， 坯壳过薄或厚度不均对于连铸坯质量都会产生重要影响。对于不同结晶器断面，铸坯在结 晶器内的凝固坯壳厚度有所不同。通过比较发现，在结晶器内凝固壳的生成对于结晶器的 流动状态和水口流股的影响作用都不能忽略。但是在现有的连铸结晶器内钢液流场流动状
4态和水口结构参数优化的物理模拟、数值模拟等研究中，还没有对凝固壳的厚度予以考虑。 只是在结晶器方面的数值仿真研究中，有部分学者专门研究凝固过程如凝固壳生长、铜板 传热等考虑了凝固壳厚度。如果不考虑凝固壳厚度，在物理和数值模拟过程中，结晶器内 流动状态的物理描述将偏离真实状况，数值模拟的结果也欠准确，与实际连铸生产结晶器 流动状态不符合程度加大，这不利于连铸工艺参数、水口参数的优化和铸坯质量的提高。
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种连铸结晶器内钢液流动行为 和水口结构优化研究方法。在连铸结晶器物理和数值模拟研究过程中，通过这种研究方法 使结晶器内流动状态的物理描述更为真实、数值模拟的结果比较准确，与实际连铸生产更 加接近。
本发明的目的是这样实现的一种连铸结晶器内钢液流动行为和水口结构优化研究方 法，它包括如下研究歩骤
(1) 首先确定结晶器内铸坯凝固壳不同位置的厚度；
(2) 再将铸坯凝固壳不同位置的厚度对应地加载在结晶器内壁上形成结晶器新的内壁；
(3) 最后对连铸结晶器内钢液进行物理模拟和数值模拟研究，在研究过程中，变换、组 合不同的工艺参数和水口结构参数以获得最优化的研究结果；所述工艺参数为拉速、水口 插入深度和吹气量，水口结构参数为侧孔大小、侧孔倾角和底部形状。
其中，结晶器内铸坯凝固壳不同位置的厚度的主要因素为拉速、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)。凝固壳厚度可以通过建立 数学模型的方法，通过仿真得到的铸坯温度场来确定结晶器内凝固壳的生长情况，也可由 式(1)得到，
其中D-坯壳厚度；K-凝固比例常数，Z-铸坯某断面距离结晶器弯月面的距离；V-拉坯 速度。
本发明的有益效果是在物理和数值模拟过程中，考虑结晶器内铸坯坯壳厚度后，结 晶器内流动状态的物理描述更为真实，数值模拟的结果也比较准确，与实际连铸生产更加
发明内容接近。与目前研究不考虑铸坯凝固壳的方法比较，使整个结晶器流场流动状态和水口结构 优化研究更为准确，这对于连铸工艺参数、水口参数优化和提高铸坯质量都有重要的意义。
图l一本发明结晶器凝固壳物理模拟示意图。
具体实施例方式
下面对本发明作进一步的说明。
本发明连铸结晶器内钢液流动行为和水口结构优化研究方法，它包括如下研究步骤
a)首先确定结晶器内铸坯凝固壳不同位置的厚度；
在结晶器内钢水将热量传递给结晶器铜板，由铜板内水缝循环冷却水将热量带走。由 于冷却作用，在结晶器高度方向上，凝固壳厚度由上到下逐渐增大，在结晶器出口处凝固
壳的厚度一般均在10mm以上，正常处于10-20mm左右。其中影响凝固壳厚度的主要因素 为拉速、结晶器横断面形状和结晶器冷却参数(包括冷却水缝设计、水流速、水流量、水 压力等)。其中结晶器内凝固壳厚度可以根据数学仿真、生产实践经验和一定的测量方法 确定，也可以根据公式确定。根据式(l)可以得到结晶器内铸坯凝固壳对应某一位置的厚度， 同时坯壳厚度也可以通过建立数学模型的方法，通过仿真得到的铸坯温度场来确定结晶器 内凝固壳的生长情况。
其中D-坯壳厚度，mm; K-凝固比例常数，可以根据经验进行确定，或是通过射钉法 现场测试铸坯坯壳厚度进行推算；当根据经验确定时，根据不同形状的铸坯，取值范围有 所不同， 一般取值范围为15-27; Z-铸坯某断面距离结晶器弯月面的距离，mm; V-拉坯速 度，mm/s;
(2)再将铸坯凝固壳不同位置的厚度对应地加载在结晶器内壁上形成结晶器新的内壁；
图1为结晶器凝固壳物理模拟示意图。其中，图中1为结晶器浸入式水口， 2为结晶 器铜板，3为具有一定倒锥度的结晶器凝固壳，该凝固壳形成结晶器新的内壁。其特点为 凝固壳生长位置从弯月面附近开始，沿结晶器内壁高度方向由上至下凝固壳逐渐增大，在
结晶器出口处，坯壳厚度一般大于10mm，正常保持在10-20mm。凝固壳在结晶器出口处 的厚度根据物理模拟的工况(拉速、结晶器横断面形状和结晶器冷却参数等)进行确定。
(3)最后对由凝固壳形成新的内壁的连铸结晶器内钢液进行物理模拟和数值模拟研究， 在研究过程中，变换、组合不同的工艺参数和水口结构参数以获得最优化的研究结果，将 该研究结果用于指导实际生产；所述工艺参数为拉速、水口插入深度和吹气量，水口结构 参数为侧孔大小(指面积和长宽比)、侧孔倾角和底部形状。上述六个参数，在掌握一定 变化规律的基础上可以在变换其中一个参数或两个参数的情况下，保持其他参数不变，研 究钢液流动行为变化规律；同样地，可以单独研究工艺参数/水口结构参数，而保持水口 结构参数/工艺参数不变。
由于铸机结晶器的冷却有差异，不同形状的结晶器，其凝固壳的生长情况也有所不 同。如对于板坯，凝固壳厚度模拟可以根据结晶器冷却情况，分为宽面和窄面两种情况； 对于方坯，由于结晶器冷却的对称性，各侧面可以按照同一凝固壳厚度变化情况进行考 虑；对于圆坯，圆周方向上也可以按同一凝固壳变化规律考虑；而对于薄板坯，是否考 虑凝固壳对结晶器内流动状态影响程度最大，由于结晶器形状比较特殊，分为平板形结 晶器和漏斗形结晶器，其中平板形结晶器可以按照板坯凝固壳的考虑方法，而漏斗形结 晶器宽面的凝固壳可以考虑为漏斗形。对于不同形状的结晶器可以根据凝固壳厚度的实 际情况进行处理，满足不同断面结晶器模拟研究的需要。
在物理模拟过程中，考虑凝固壳厚度后，结晶器内壁的收缩对流场产生一定的影响， 其中，主要影响到结晶器内流动状态和结晶器水口的优化结果。
根据不同形状结晶器的凝固壳模拟方法，考虑凝固壳厚度后，结晶器流动状态更接近 于实际情况。其中，在上回流区附近，流股冲向结晶器的凝固壳，由于坯壳厚度的影响， 与不考虑凝固壳相比，流股冲击距离縮短，流股提前改变流动方向，流股向上速度变大， 水口出口流股形成的上回流动能也有所变化，对结晶器整个流场产生影响；上回流区的结 晶器液面波动变大，巻渣情况也有所改变，上回流区的位置整体向上移动；同样，在下回 流区附近，由于凝固壳厚度增大，其影响趋势也随之变大。
另外，考虑结晶器内坯壳厚度后对结晶器水口结构参数优化结果影响较大。例如，对 于板坯，考虑凝固坯壳厚度后，两个窄面的收縮可能对流场有一定影响，如浸入式水口侧孔角度可能有所下倾，但凝固壳厚度的考虑使钢液流动作用在宽度方向的收縮与宽面凝固 收縮对侧面倒锥度的调节数据基本相当，所以影响相对较小；而对铸坯宽面的凝固，宽面 凝固后，使钢液在侧面方向的流动受到很大影响，水口的侧孔尺寸和倾角优化必须考虑这 些因素，传统研究方法通常将这一影响忽略，而这些通常是水口结构参数优化的关键。考 虑结晶器内凝固壳后，通过物理模拟和数值模拟比较不同水口结构参数下结晶器流动状 态，如结晶器液面波动情况、巻渣情况、液渣层分布、流场分布等情况，通过优化得到一 定工艺参数下最佳的水口结构参数，从而优化结果更接近实际生产，更为准确。
在物理模拟过程中，根据相似原理采用有机玻璃板做成结晶器模型，如图1所示。 在结晶器内壁方向从弯月面位置开始，考虑凝固壳的生长情况，将具有一定倒锥度的凝 固壳安装在内壁上。凝固壳的厚度可以按直线增加考虑，保证结晶器出口处凝固壳的厚 度。其中，具体的凝固壳厚度可以根据拉速、横断面形状、结晶器冷却参数等确定。
数值模拟过程中，在结晶器内壁方向从弯月面位置开始，考虑凝固壳的生长情况，将 结晶器凝固壳内壁考虑为边界，并根据实际情况添加边界条件，通过模拟得到结晶器内钢 液流动状态的变化规律。凝固壳的厚度也可以按直线增加考虑，这样有利于数值计算网格 的划分。对于不同形状的结晶器模拟，可以考虑将凝固壳、水口流股区域局部网格细化， 提高数值模拟计算的效率和水平。
例如，对于板坯，l卯0mmX160mm断面的板坯和结晶器，板坯连铸一般正常状态下， 出结晶器的凝固壳厚度一般为15mm左右。研究中，不考虑凝固壳厚度时，某板坯结晶 器宽面上口和下口的尺寸分别为1940mm、 1925mm，窄面上口和下口的尺寸分别为 167mm、 166mm，结晶器本身具有一定的倒锥度。考虑结晶器坯壳后，结晶器出口处宽 面和窄面出口分别为1895mm和136mm，比较考虑坯壳前后的数据，在结晶器出口处， 厚度方向上由于坯壳的原因收縮了将近1/6。考虑凝固壳前后，结晶器厚度方向上变化较 大，结晶器流动状态发生了较大变化。因此，从这方面考虑，当不考虑结晶器坯壳厚度 时，研究结晶器内的流动状态和优化水口结构得到的物理模拟和数值模拟结果与实际情 况有较大差异，不能准确反映结晶器内的流动状态。
若对于薄板坯，凝固壳厚度的考虑与否，实验与数值仿真的结果的差异更大。对于 60mm厚度薄板坯结晶器，若出结晶器凝固壳厚度为15mm左右。由于薄板坯本身结晶器
8倒锥度较大，加上坯壳厚度，出结晶器时铸坯整个凝固了一半左右。如果没有考虑坯壳 厚度的研究，应该说结果基本不能反映连铸的真实情况。对于薄板坯水口的优化，在没 有考虑凝固壳情况下的优化结果与实际相差较大。
对方坯和圆坯，150mmX150mm和4)150mm断面，若出结晶器坯壳厚度为15mm左 右，在结晶器出口处凝固壳厚度的考虑与否，对物理模拟实验和数值仿真研究的结果也有 很大影响。
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。 深入研究结晶器内钢液的流动行为是提高连铸坯质量的关键。在物理模拟和数值模拟过程 中，考虑结晶器内凝固壳厚度后，研究结晶器流动状态和优化水口结构参数得到的物理模 拟和数值模拟结果更为准确。无论对于板坯、方坯、圆坯还是薄板坯，采用考虑凝固壳厚 度的研究方法能够真实地反映连铸的实际情况，使结晶器流动状态和水口的优化结果与实 际情况更为符合，对于连铸工艺优化和铸坯质量提高都具有重要意义。研究在不同工况下 考虑坯壳厚度后结晶器内流动状态的变化规律，准确优化水口和连铸工艺参数。根据结晶 器形状不同，本发明研究方法可以直接对实际生产中连铸工艺参数和水口结构参数提供技 术指导。
权利要求
1、一种连铸结晶器内钢液流动行为和水口结构优化研究方法，其特征在于它包括如下研究步骤(1)首先确定结晶器内沿内壁方向上不同位置的铸坯凝固壳厚度；(2)再将铸坯凝固壳不同位置的厚度对应地加载在结晶器内壁上形成结晶器新的内壁；(3)最后对连铸结晶器内钢液进行物理模拟和数值模拟研究，在研究过程中，变换、组合不同的工艺参数和水口结构参数以获得更为准确的研究结果。
2、 根据权利要求1所述的连铸结晶器内钢液流动行为和水口结构优化研究方法，其 特征在于结晶器内铸坯凝固壳不同位置的厚度由式(l)得到，其中D-坯壳厚度；K-凝固比例常数，Z-铸坯某断面距离结晶器弯月面的距离；V-拉坯 速度。
3、根据权利要求1或2所述的连铸结晶器内钢液流动行为和水口结构优化研究方法， 其特征在于所述工艺参数为拉速、水口插入深度和吹气量，水口结构参数为侧孔大小、 侧孔倾角和底部形状。
全文摘要
本发明涉及一种连铸结晶器内钢液流动行为和水口结构优化研究方法，首先确定结晶器内铸坯凝固壳不同位置的厚度；再将铸坯凝固壳不同位置的厚度对应地加载在结晶器内壁上形成结晶器新的内壁；最后对连铸结晶器内钢液进行物理模拟和数值模拟研究，在研究过程中，变换、组合不同的工艺参数和水口结构参数以获得最优化的研究结果。本发明在物理和数值模拟过程中，考虑结晶器内铸坯坯壳厚度后，结晶器内流动状态的物理描述更为真实，数值模拟的结果也比较准确，与实际连铸生产更加接近，整个结晶器流场流动状态和水口结构优化研究更为准确。
文档编号B22D11/16GK101618447SQ20091010437
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月17日 优先权日2009年7月17日
发明者佐祥均, 科 冯, 宋立伟, 张大江, 张夫恩, 张献光, 王翠娜, 鑫 谢, 陈登福, 星 靳, 韩志伟 申请人:重庆大学