结晶器内钢水搅拌液固温耦合数值模拟与实验研究
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摘要
高效连铸技术是近年来世界各国钢铁企业竟相追求的目标。随着连铸速度
的提高，通过浸入水口注入结晶器的钢水流速和流量都显著增加，如果控制不
当就会造成弯月面处液面波动剧烈、冲击深度加深、夹杂物气泡不易上浮、卷
渣、裂纹、凝固壳厚度不一、中心组织疏松等缺陷。液态金属通过浸入式水口
从中间包到结晶器，本身具有很大的流动动能，目前人们利用电磁制动技术降
低这部分能量，减轻冲击深度，控制钢液的流动状态。作者通过仔细研究发现，
只要依靠浸入式水口内腔结构形状、出口倾角、浸入深度以及浇注速度就可以
使方坯连铸结晶器内钢水为旋转的涡流流动，把液态金属的流动动能利用起来。
在对结晶器内钢水流场、温度场数值分析和水模型试验研究的基础上，提出一
种全新的搅拌原理——依靠钢水本身具有的流动动能驱动结晶器内的钢水自旋
转搅拌原理，为钢铁冶金企业提供一种独特的X形浸入式水口，取代方坯连铸
结晶器内电磁制动和电磁搅拌，极大地减少设备投资，节省能耗。
连铸过程伴随着液态金属的流动、凝固传热、相态变化等。处理该问题的
复杂性表现在必须同时处理包括质量、动量、能量方程以及湍流模式在内的一
组方程，它们之间的耦合可以通过对流项、源项和热物性参数等发生。本论文
应用SIMPLE法（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations），即
求解压力耦合方程的半隐式法，开发了连铸过程液固温耦合数值模拟软件。应
用该软件对方坯连铸钢液的流动状态、凝固规律和温度场进行耦合数值分析，
对浇注方式、拉坯速度、浇注温度以及搅拌范围对温度场和流场的影响进行了
深入研究，为防止连铸缺陷的产生提供对策。通过自旋转搅拌和电磁搅拌数值
模拟，证明自旋转搅拌更有利于控制钢水的流动状态。
由于异形坯连铸形状本身的复杂性，带来钢液流动、凝固传热和温度场分
布的复杂性。目前关于异形坯连铸的研究集中在设备和现场操作方面。利用所
开发的液固温耦合数值模拟程序，考察浸入式水口倾角、浸入深度、浇注速度、
浇注温度、浸入式水口个数和形式对异形坯连铸钢液流动方式和凝固传热的影
响，为异型坯连铸的工艺设计、浸入式水口设计及流场控施提供了重要依据。
物理模拟不仅可以克服问题的复杂性、高温及测试手段的限制，而且可以
验证数值模拟结果，完善数学模型。本论文采用二十世纪八十年代发展起来的
PIV（Particle Image Velocimetry）技术就结晶器内钢水自旋转搅拌的流动状态和
速度场分布进行了水模型物理模拟，与数值模拟结果基本一致。
连铸坯的质量一直是钢铁企业最为关注的问题。本论文就方坯连铸X形浸
入式水口和漏斗形浸入式水口浇注时，连铸坯的表面质量、低倍组织、高倍组
O
燕山大学工学博士学位论文
一
织、力学性能和断口形貌进行了对比分析，结果发现X形浸入式水口浇注能改
善铸坯内外部质量、减少铸坯缺陷。与结晶器电磁搅拌相比，由于X形浸入式
水口所产生的自旋转搅拌是由内向外搅拌，不会产生负偏析，而且能达到电磁
搅拌同样的效果，可以有效地降低设备投资。
High active continuous casting has become the target being chased by one other
in steel occupation in the most country of the world recently. With the increase of
continuous casting speed, more dramatic enhance has been acquired in liquid steel
speed and flux though model of SEN water pouring. If it-be controlled incorrectly
maybe it can caused strenuous fluctuate on meniscus deepen in impact depth.
uneasy rising above of air bubble in occlusions cinder~ crackle~ thickness disparity
of freezing shell~ rarefaction of central structure etc. The liquid metal contain many
of kinetic energy when overflow the model from midst through SEN. Usually people
used electromagnetic braking to reduce this parts of energy to alleviate impact
depth. control the flow state of molten steel. Through survey carefully, we find that if
depend on pouring ve1ocity~ structural shape of SEN entocoele~ angle slope of
outlet depth of infusion together to make the liquid steel in model revolution in an
order flow then it can utilize this kind of energy completely. This paper ,under the
base of experimental investigation on watering modal and the numeric analysis of
flow field ?temperature field in model, present a new theory of stirring ,namely,
depend on the flowing energy which the liquid steel hold can implement it抯 rotation
and afford a kind of unique X type SEN to replace electromagnetism stir and
electromagnetism braking in model ,thus it can save a lot of energy and much money
in equipment investment.
慦ith the process of continuous casting company the flow of liquid steel. the
heat transfer in freezing~ the change of phase state. The complexity to solve this
question is we must settle a equations set which include the equation about quality.
momentum~ energy and turbulent current, and the coupling among them can be
occurred through convection item source item and nature parameter of thermo
physics.This paper adopt SIMPLE method(namely Semi-Implicit Method for
Pr~ssure-Linked Equations) to exploit a coupled numeric analysis program for
coupling among liquid~ solid-, temperature when continuous casting, by use this
program proceed the coupled numeric analysis on temperature field and freezing
rule ~flowing state about continuous casting liquid steel state for square and allotype
billet, then it can supply a method to prevent the continuous cast deficiency. It can
be approved that it is easier to curb the flow state by use rotation than use
electromagnetic stir through the numerical simulation.
For the complexity of the shape of allotype billet, flowage of liquid steel, heat
transfer of freezing and distribution of temperature field also become complex.
Presently most investigation of allotype billet focus on the equipment and fieldwork.
By use this program to inve~tigate the effect of the declination of submerge nozzle,
桰II?
W I~M眫Li~
submerge depth, pouring speed, pouring temperature and the number of submerge
nozzle exert on liquid steel flowing mode in continuous casting of allotype billet,
which afford an very important references for technological design of allotype billet
continuous cast, design of submerge nozzle and the control of flow field.
Physical simulation can overcame not only the complexity of questions~ high
temperature and limitation of testing facility but also can testify the numerical
simulation results then perfect the mathematic model. The paper adopt PIV (Particle
Im
的提高，通过浸入水口注入结晶器的钢水流速和流量都显著增加，如果控制不
当就会造成弯月面处液面波动剧烈、冲击深度加深、夹杂物气泡不易上浮、卷
渣、裂纹、凝固壳厚度不一、中心组织疏松等缺陷。液态金属通过浸入式水口
从中间包到结晶器，本身具有很大的流动动能，目前人们利用电磁制动技术降
低这部分能量，减轻冲击深度，控制钢液的流动状态。作者通过仔细研究发现，
只要依靠浸入式水口内腔结构形状、出口倾角、浸入深度以及浇注速度就可以
使方坯连铸结晶器内钢水为旋转的涡流流动，把液态金属的流动动能利用起来。
在对结晶器内钢水流场、温度场数值分析和水模型试验研究的基础上，提出一
种全新的搅拌原理——依靠钢水本身具有的流动动能驱动结晶器内的钢水自旋
转搅拌原理，为钢铁冶金企业提供一种独特的X形浸入式水口，取代方坯连铸
结晶器内电磁制动和电磁搅拌，极大地减少设备投资，节省能耗。
连铸过程伴随着液态金属的流动、凝固传热、相态变化等。处理该问题的
复杂性表现在必须同时处理包括质量、动量、能量方程以及湍流模式在内的一
组方程，它们之间的耦合可以通过对流项、源项和热物性参数等发生。本论文
应用SIMPLE法（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations），即
求解压力耦合方程的半隐式法，开发了连铸过程液固温耦合数值模拟软件。应
用该软件对方坯连铸钢液的流动状态、凝固规律和温度场进行耦合数值分析，
对浇注方式、拉坯速度、浇注温度以及搅拌范围对温度场和流场的影响进行了
深入研究，为防止连铸缺陷的产生提供对策。通过自旋转搅拌和电磁搅拌数值
模拟，证明自旋转搅拌更有利于控制钢水的流动状态。
由于异形坯连铸形状本身的复杂性，带来钢液流动、凝固传热和温度场分
布的复杂性。目前关于异形坯连铸的研究集中在设备和现场操作方面。利用所
开发的液固温耦合数值模拟程序，考察浸入式水口倾角、浸入深度、浇注速度、
浇注温度、浸入式水口个数和形式对异形坯连铸钢液流动方式和凝固传热的影
响，为异型坯连铸的工艺设计、浸入式水口设计及流场控施提供了重要依据。
物理模拟不仅可以克服问题的复杂性、高温及测试手段的限制，而且可以
验证数值模拟结果，完善数学模型。本论文采用二十世纪八十年代发展起来的
PIV（Particle Image Velocimetry）技术就结晶器内钢水自旋转搅拌的流动状态和
速度场分布进行了水模型物理模拟，与数值模拟结果基本一致。
连铸坯的质量一直是钢铁企业最为关注的问题。本论文就方坯连铸X形浸
入式水口和漏斗形浸入式水口浇注时，连铸坯的表面质量、低倍组织、高倍组
O
燕山大学工学博士学位论文
一
织、力学性能和断口形貌进行了对比分析，结果发现X形浸入式水口浇注能改
善铸坯内外部质量、减少铸坯缺陷。与结晶器电磁搅拌相比，由于X形浸入式
水口所产生的自旋转搅拌是由内向外搅拌，不会产生负偏析，而且能达到电磁
搅拌同样的效果，可以有效地降低设备投资。
High active continuous casting has become the target being chased by one other
in steel occupation in the most country of the world recently. With the increase of
continuous casting speed, more dramatic enhance has been acquired in liquid steel
speed and flux though model of SEN water pouring. If it-be controlled incorrectly
maybe it can caused strenuous fluctuate on meniscus deepen in impact depth.
uneasy rising above of air bubble in occlusions cinder~ crackle~ thickness disparity
of freezing shell~ rarefaction of central structure etc. The liquid metal contain many
of kinetic energy when overflow the model from midst through SEN. Usually people
used electromagnetic braking to reduce this parts of energy to alleviate impact
depth. control the flow state of molten steel. Through survey carefully, we find that if
depend on pouring ve1ocity~ structural shape of SEN entocoele~ angle slope of
outlet depth of infusion together to make the liquid steel in model revolution in an
order flow then it can utilize this kind of energy completely. This paper ,under the
base of experimental investigation on watering modal and the numeric analysis of
flow field ?temperature field in model, present a new theory of stirring ,namely,
depend on the flowing energy which the liquid steel hold can implement it抯 rotation
and afford a kind of unique X type SEN to replace electromagnetism stir and
electromagnetism braking in model ,thus it can save a lot of energy and much money
in equipment investment.
慦ith the process of continuous casting company the flow of liquid steel. the
heat transfer in freezing~ the change of phase state. The complexity to solve this
question is we must settle a equations set which include the equation about quality.
momentum~ energy and turbulent current, and the coupling among them can be
occurred through convection item source item and nature parameter of thermo
physics.This paper adopt SIMPLE method(namely Semi-Implicit Method for
Pr~ssure-Linked Equations) to exploit a coupled numeric analysis program for
coupling among liquid~ solid-, temperature when continuous casting, by use this
program proceed the coupled numeric analysis on temperature field and freezing
rule ~flowing state about continuous casting liquid steel state for square and allotype
billet, then it can supply a method to prevent the continuous cast deficiency. It can
be approved that it is easier to curb the flow state by use rotation than use
electromagnetic stir through the numerical simulation.
For the complexity of the shape of allotype billet, flowage of liquid steel, heat
transfer of freezing and distribution of temperature field also become complex.
Presently most investigation of allotype billet focus on the equipment and fieldwork.
By use this program to inve~tigate the effect of the declination of submerge nozzle,
桰II?
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submerge depth, pouring speed, pouring temperature and the number of submerge
nozzle exert on liquid steel flowing mode in continuous casting of allotype billet,
which afford an very important references for technological design of allotype billet
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Physical simulation can overcame not only the complexity of questions~ high
temperature and limitation of testing facility but also can testify the numerical
simulation results then perfect the mathematic model. The paper adopt PIV (Particle
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引文
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102 文光华等．薄板坯连铸结晶器内三维流场和温度场的数值模拟．炼钢，1997(8)：25～29
103 马范军，文光华．板坯连铸结晶器内钢液流动数值模拟．金属学报，2000，36(4)：399～402
104 王恩刚，赫冀成．结晶器内连铸小方坯凝固过程及应力分布的有限元数值模拟，金属学报，1999，35(4)：433～438
105 荆德君，蔡开科．连铸结晶器内热—力耦合状态有限元模拟．金属学报，2000，36(4)：403～406
106 周德光．工艺参数对连铸轴承钢坯碳偏析的影响．钢铁，1999，34(6)：22～26
107 周德光．轴承钢连铸坯碳偏析的形成机理及影响因素．北京科技大学学报，1999，21(2)：131～134
108 纪振双．连铸过程采用电磁搅拌时的负偏析带的形成机理．钢铁研究学报，1993，5(2)，9～15
109 郑贤淑．电磁铸造大板坯半连铸过程温度场的数值模拟．金属学报，1999，35(8)：861～864
110 横谷 真一郎．连续铸造用浸渍旋回流吐出流分布制御．铁钢，1994，80(10)：20～24
111 横谷 真一郎．连续铸造用浸渍内内旋回流持吐出流数值解析．铁钢，1994，80(10)：2～30
112 三木佑司．远心分离溶钢中介在物分离．铁钢，1994，82(6)：498～503
113 池田郁夫．铸型内溶钢流动数值解析．铁钢，1993，79(2)：160～166
114 杨江．连铸凝固仿真的进展．钢铁，1998，33(9)：66～68
115 陈海耿．冶金工业中的计算传热问题和计算传热学的应用．钢铁，1998，33(9)：57～61
116 黄军涛，赫冀成．方坯结晶器电磁制动夹杂物运动轨迹的数值模拟．东北大学学报，2000，21(1)：97～100
117 黄军涛，赫冀成．方坯结晶器电磁制动的数值模拟．东北大学学报，2000，21(6)：622～425
118 邓安元，赫冀成．小方坯初始凝固三维数值模拟．钢铁研究，2000，1：14～18
119 陈永范．大板坯连铸结晶器内的流场实验研究．炼钢，1998(2)，25～28
120 包燕平．薄板坯结晶器内卷渣现象的研究．北京科技大学学报，1999，21(6)
121 沈昶，周俐，李建中．异形坯连铸结晶器流场的水模型研究．炼钢，2000，16(1)，30～33
122 阮小东，基于BICC算法的PIV技术．实验力学，1998，13(4)，514～519
123 李振林，董守平．应用PIV技术研究重力式油、气、水分离器的内部流场．实验力学，1999，14(4)，492～497
124 梁宝社．旋转浅水系统Rossby孤立涡选的实验研究．实验力学，1998，13(1)，15～19
125 董守平，双凯．PIV图像粒子像斑定位偏差综合评估试验及其测速误差评估．实验力学，1997，12(1)，98～104
126 汪健生．用热线风速仪同时测量流场速度和温度．实验力学，1998，13(3)，393～398
127 姚仁太，张茂栓．环境风洞中流动的PIV测量．流体力学实验与测量，1999，13(3)：91～96
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131 张薇译．浸入式水口在连铸中的侵蚀．国外耐火材料，1999(2)：13～19
132 金荣译．连铸用长寿Al_2O_3-C质长水口的开发．国外耐火材料，1999(5)：27～31
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135 姚全灵，王义长译．连铸用抗氧化铝堵塞水口的研制．国外耐火材料，199(10)：59～61
136 黄锦亮，李文超，钟香崇．ZrO2-CaO-BN复合材料的研制．耐火材料，1999，33(5)：257～258
137 荻林成章，池本 正．连续铸造浸渍内壁付着机构防止对策．耐火物，1994，46(4)，166～178
138 冢本 升，仓科幸信，柳川浩洋．段差型浸渍开发适用．耐火物，1994，46(4)，215～223
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29 崔小朝，史荣．焓式有限元法模拟连续铸轧凝固过程．矿业工程，1996，16(2)：65～47
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93 王恩刚．气隙对连铸坯凝固影响的有限元数值模拟．钢铁，1996，31(11)：22～26
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99 八田夏夫，福井隆志．溶钢铸型内流动自由表面形状上流速的非定常举动．铁钢，1996～82(6)：285～296
100 横谷 真一郎．偏流对策用段付特性．铁钢，1996，82(7)：581-586
101 文光华等．薄板坯连铸结晶器内钢液凝固传热数值模拟．连铸，1995(5)：14～20
102 文光华等．薄板坯连铸结晶器内三维流场和温度场的数值模拟．炼钢，1997(8)：25～29
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