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摘要：采用液面波动VOF和传热模型，运用ANSYSCFX有限元仿真软件构建板坯在结晶器内的波动状况和温度场分布。通过有限元计算可知：液面波动VOF模型可以有效地对三维结晶器液面波动进行模拟；通过仿真研究拉速与液面波动的关系和拉速与温度场的关系，得出随着拉速的增大，液面波动加剧，卷渣增多，结晶器出口处的温度增大。
关键词：液面波动；VOF；板坯；拉速
1结晶器内的数值模拟
1.1结晶器内传热的数值方程
在结晶器传热复杂的边界条件下求解一般的微分方程是很困难的，通常的办法都是针对具体的问题做出合理的假设，进行物理模型的简化。本文对模型做如下假设：
（1）忽略成分偏析的影响。
（2）考虑钢液的强制对流对结晶器传热的影响，用有效导热系数对液相穴内的对流传热进行等效补偿，简化计算。
（3）凝固潜热平均地计入两相区的比热中。
（4）钢液面上保护渣具有保温作用，忽略钢液表面的散热量。
1.2结晶器内液面波动模型
在结晶器内液面波动的计算中，首先对流体进行网格的划分，构造出流体的体积分数函数，然后追踪各个流体体积分数，最终通过计算各个流体的体积分数将运动界面清晰的展现出来，此种方法称之为VOF（VolumeOfFluid）模型。这种方法可以很好的来模拟不互溶流体的流动。结合本文的背景可知结晶器内的钢液和其上部熔融的保护渣之间是互不相溶的，因此，在本文VOF中是可以用此模型对结晶器内的液面波动进行三维仿真模拟。在体积单元中，通常用Fs来表示钢液的体积分数，各种情况如下所示：
（1）Fs=0：表示的是结晶器中充满保护渣，而没有钢液。
（2）Fs=1：表示的是结晶器中充满钢液，而没有液态保护渣。
（3）0＜Fs＜1：表示的结晶器既有钢液又有保护渣。特别说明的是，在每个结晶器体积单元中，钢液和保护渣的体积分数之和为1。
2有限元模型的建立
2.1物理模型参数
本文所要研究的对象为板坯，板坯结晶器的参数如表1所示。采用有限元仿真软件ANSYSCFX对结晶器和水口进行几何建模，所见模型如图1所示：模型中以x轴方向作为结晶器宽度方向，以y轴方向作为结晶器的厚度方向，以z方向作为结晶器高度的方向，坐标原点设定在入水口处。在CFX仿真建模的过程中，因为要考虑到结晶器现场的实际尺寸可能过小，导致钢液在结晶器内不能充分的流动，最终将导致仿真计算结果的不收敛，因此在模拟计算过程中加大板坯结晶器的长度，使其总长达到2200mm。定义入水口下部100mm处为液态保护渣，其余部分为结晶器内的钢液。
2.2物性参数
本文根据某厂板坯生产的实际情况，采用该厂板坯生产的45钢作为模型研究对象，钢液和保护渣的流体物性参数如表2所示。
2.3模型假设
连铸结晶器液面波动模型，由于其影响较多，计算不太方便，需要对其进行合理的简化与假设。
2.4边界条件的设定
（1）入口边界条件入口位置定义在水口入口处。入口的温度设定为钢液的浇注温度1538℃。
（2）出口边界条件结晶器底部设为出口，设置其为压力出口，设置其相对压力为结晶器内钢液压力、保护渣压力和大气压力之和。
（3）各相的初设化设置距结晶器顶部100mm的截面以下全为钢液，钢液以上全为液态保护渣。
3计算结果分析
3.1拉速对结晶器出口处温度的影响
结晶器出口处的温度是在增长的。当拉速由2.5m/min增高到3.5m/min时，最低温度和最高温度分别提高了35.626℃和10.62℃，当拉速由3.5m/min提高到4.5m/min时，最低温度和最高温度分别提高了36.995℃和2.12℃，由数据可知，拉速的提升带动着结晶器出口处的温度升高，而且随着拉速提高，增长幅度在减缓。
3.2结晶器液面波动与拉速的关系
当拉速为5m/min时，保护渣-钢液界面的平均波高为1.1mm，当拉速提高到7m/min时，保护渣-钢液界面的平均波高增大至1.28mm，随着拉速增大将会导致结晶器内液面波动加剧。产生上述现象的原因是因为随着拉速的提高，结晶器内钢液流出水口时的速度和流量都将提高，钢液流动所产生的动能也在提高，使结晶器窄面的冲击力增大，对保护渣-钢液界面的冲击增大，最终导致结晶器液面波动增大。
4板坯结晶器铜板的磨损改进措施
4.1改进结晶器铜板、镀层材质及复合工艺
对结晶器铜板镀层材质进行了改进试验。为解决结晶器宽面铜板下口镀层磨损严重问题，将镀层由电镀镍改为硬度较高的镍铁，镀层耐磨性较好，较好地解决了镀层脱落问题。
4.2 改造结晶器足辊支撑方式
在足辊支撑梁与结晶器水箱螺栓连接处，支撑梁外侧设计增加四个可调支撑点，较好地改善了支撑梁受力状况，宽面足辊开口度调整精确提高，铜板磨损减轻。
4.3 控制结晶器上线安装精度
严格按照±0.3㎜的精度控制结晶器对弧精度；加强结晶器液压振动单元的检查、维护，防止结晶器偏振，确保结晶器振动轨迹精度。
4.4改进生产组织管理及浇注操作
在冶炼工序实施炼钢冶炼时刻表管理制度，保证工序衔接，严格执行典型拉速浇注制度，保证恒拉速浇注，减少拉速波动和控制铸机断浇事故，从而提高连浇炉数，减少结晶器铜板的磨损。
结束语
随着拉速不断的提高，结晶器内液面波动加剧，容易产生卷渣。结晶器出口处的温度时在增大，容易产生漏钢。采用液面波动和传热模型对结晶器内钢液的波动和传热进行研究是可行的。
参考文献：
[1]尹少华.基于实测的连铸坯/结晶器传热及力学行为模拟[D].大连理工大学，2014.
[2]李进.中碳钢连铸低氟保护渣结晶和传热行为的研究[D].中南大学，2013.
论文作者:徐涛
论文发表刊物:《基层建设》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/2
标签：结晶器论文; 液面论文; 模型论文; 水口论文; 镀层论文; 铜板论文; 流体论文; 《基层建设》2017年第28期论文;