一种大方坯连铸旋流水口的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种大方坯连铸旋流水口的设计方法，该方法是通过造型软件Gambit和流体计算软件Ansys Fluent相结合对钢液在所建的三维数学模型中流动进行模拟，计算完后提取结晶器电磁搅拌器中心附近，铸坯宽面方向和窄面方向切向速度分布数据并分析，进行改进原有大方坯连铸旋流水口出口的高度和倾角，以此获得较小的铸坯宽面和窄面方向的切向速度差，从而得到更加合适的大方坯旋流水口出口的高度和倾角。通过本发明专利技术设计方法获得的大方坯连铸旋流水口出口的最佳高度和倾斜角度，改进大方坯在连铸过程中流场分布，从而提高铸坯质量。

A design method of Swirling Nozzle for bloom continuous casting

The invention relates to a design method of the flow nozzle of a bloom continuous casting. The method is to simulate the flow of the molten steel in the three-dimensional mathematical model built by the combination of the modeling software Gambit and the fluid computing software Ansys Fluent. After calculation, the direction of the wide surface of the casting billet and the direction of the narrow surface are extracted. The tangential velocity distribution data and analysis are carried out to improve the height and dip angle of the original runner outlet of the original bloom continuous casting, so as to obtain the smaller tangential velocity difference between the wide and narrow sides of the billet, so as to get a more suitable height and dip angle of the outlet of the bloom. Through the design method, the optimum height and angle of the outlet of the Swirling Nozzle of the bloom continuous casting are obtained, and the distribution of the flow field in the continuous casting process is improved and the quality of the casting billet is improved.

【技术实现步骤摘要】
一种大方坯连铸旋流水口的设计方法
本专利技术涉及一种大方坯连铸旋流水口的设计方法，本专利技术属于金属铸造

技术介绍
随着经济的高速发展和市场竞争的日益激烈，人们对钢铁材料的性能要求越来越高，特别是近年来航母用钢、桥梁用钢、超级钢等的研究和开发，对铸坯的凝固组织和成分的均匀化等内部质量问题提出了更高的要求。因此，在保证连铸机生产效率的同时，得到高品质、均质化的铸坯，已经成为制约高品质钢的关键步骤。由于溶质元素在液相和固相中化学势的差异和溶质在液相中的扩散行为，造成铸坯在凝固的过程，溶质元素不断地从固相向液相中排除，在凝固界面前沿形成较大的浓度梯度，从而在局部形成微观偏析。随着凝固的进行，负偏析元素不断从固相中排出，推挤如液相中，造成溶质元素在两相区中的富集程度越大。另外固液相间密度存在一定的差异，铸坯凝固时有一定的收缩，这时枝晶间钢液存在一定的流动，就会使连铸坯不同位置处产生不同类型的宏观偏析(正偏析和负偏析)。特别是在高碳钢范围内，钢中溶质元素C含量高，极易在凝固末端中产生正偏析，危害钢的质量，降低钢材的产品性能。为了提高浇注质量，日本的住友金属公司等近年开发了机械式旋流水口，具有改善结晶器内钢液流动和消除钢液过热度的作用，对改善结晶器内钢液初始凝固行为和提升铸坯内部质量有较好的作用。但机械式旋流水口容易堵塞，不利于多炉次连浇。针对该问题，东北大学开发了电磁旋流水口，专利申请号为201320125720.1，主要通过在常规水口上部区域的外部添加了一个电磁装置，使用电磁力代替机械螺旋叶片，可以使钢液在水口内形成漩涡状态，使得旋流水口流出的钢液具有自循环流动，能够有效地混匀钢液，促进钢液过热度的快速散失和钢液初始凝固。该专利技术能够消除机械式旋流水口容易堵塞的缺点，但需要在中间包和结晶器之间安装电磁搅拌装置，空间狭小，不利于操作和后期维护，且存在安全隐患。中国专利申请号为201720589543.0，公开一种大方坯连铸用旋流水口与结晶器搅拌耦合浇铸装置。该装置在结晶器外部添加了一个电磁装置，以在结晶器内获得旋流状态，进而达到过热耗散的冶金效果。但是由于大方坯截面的宽窄面长宽比一般大于1，不完全对称，然而现阶段设计水口的出口为对称型，导致在同一截面，铸坯宽窄面距离铸坯中心同一距离具有不同的速度和温度，从而导致在结晶器段有化渣不均匀的情况，影响铸坯的凝固组织有偏析和成分的不均匀化等内部质量和铸坯表面有缺陷等质量问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种大方坯连铸旋流水口的设计方法，改进大方坯在连铸过程中流场分布，从而提高铸坯质量。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种大方坯连铸旋流水口的设计方法，其包括如下步骤：S1、根据原有大方坯连铸旋流水口尺寸，运用Gambit造型软件建立三维数学模型，并进行网格化模型、制定模型边界条件定义，并导出msh文件，其中，所述边界条件包括入口边界条件、出口边界条件、模型顶面边界条件和结晶器壁面和水口壁面边界条件；S2、将步骤S1导出的msh文件导入模拟软件AnsysFluent中进行模拟计算；S3、模拟计算结束后提取数据，在AnsysFluent软件中提取结晶器电磁搅拌器中心附近，铸坯宽面方向和窄面方向切向速度分布数据，并在后处理软件Tecplot中，建立铸坯宽面和窄面方向距离与其相对应的切向速度直角坐标系点状图；S4、对后处理结果进行分析：根据步骤S3获得的所述直角坐标系点状图，判断窄面方向的切向速度与宽面方向的切向速度的大小；S5、调整大方坯连铸旋流水口出口的高度和倾角；当调整后的大方坯连铸旋流水口出口的高度和角度，使宽面方向和窄面方向的切向速度差小于0.1m/s时，为所需的最佳大方坯连铸旋流水口出口的高度和角度。其中，所述大方坯连铸旋流水口出口的高度和角度是指大方坯连铸旋流水口铸坯宽面所对应的出口距离水口底部的距离和偏角角度，及大方坯连铸旋流水口铸坯窄面所对应的出口距离水口底部的距离和偏角角度。如上所述的方法，优选地，所述步骤S2包括如下步骤：S201、网格导入与处理：读取S1中保存的msh文件，检查网格，保证minimumvolume不小于0，设置网格区域尺寸；S202、设置物理模型及材料：根据实际设置求解器类型、重力加速度为Y轴负方向，选择计算模型湍流模型和温度场模型、设置流体材料、加载电磁力；S203、设置操作环境和边界条件，其中，在边界条件中，所述入口边界条件包括进口速度vinlet、湍动能k、湍动能耗散率ε和入口温度Tin，根据公式(1)-(4)获得，式中vcast为拉坯速度，单位为m/min；Sout为模型出口截面面积，单位为m2；Sin为浸入式水口入口处截面面积，单位为m2，所述vinlet的单位为m/min；式中，Rnoz为水口入口半径，单位为m；Tin＝Tl+ΔT(4)式中，Tl为钢液液相线温度，单位为K；ΔT为钢液过热度，单位为K；所述模型顶面设为自由液面，垂直于液面的速度分量及所有其他各变量沿液面法线方向的梯度设为零，满足公式(5)，其中，v为模型自由表面x与z方向的速度大小，单位为m/min；h为钢液显热，单位为J/kg，其中h＝CpTin，Cp为比热，单位为J/kg/k；u为拉坯方向速度，单位为m/min；所述出口边界条件需要满足的条件，模型出口处流动充分发展，即各物理量沿该截面的法向导数为零；所述结晶器壁面边界条件在结晶器壁面处，垂直于壁面的速度分量为零，而平行于壁面的分量采用无滑移边界条件，满足公式(6)，voutlet＝vcast,v＝k＝0(6)所述结晶器壁与铸坯界面间局部热流密度q的根据公式(7)获得，式中，t是时间，单位为s；且t＝Lmold/vcast，即铸坯通过结晶器所需要的时间，Lmold为结晶器的有效长度；所述热流密度q的单位为MW/m2；S204、设置求解方法和控制参数：设置求解方法，打开SolutionMethods面板，压力与速度耦合方式对应SIMPLE算法，梯度选择GREEN-GaussCellBased，压力采用PRESTO格式，动量方程选用SecondOrderUpwind格式；设置求解控制参数，点击solutioncontrols面板，保持默认；S205、设置监视窗口和初始化；S206、求解:打开RunCalculation面板，在NumberofIterations下输入迭代步数，在TimeStepSize下输入时间步长；点击Calculate按钮，开始计算，其中，所述时间步长的限制条件如公式(8)所示，式中Δt是时间步长，单位为s；Δx为网格尺寸，单位为m，a为热扩散系数，单位为m2/s，所述keff是导热系数，单位W/(m·℃)；所述ceff为有效热容，J/(kg·℃)；所述ρ为钢液密度，单位为kg/m3；其中，求解获得参数包括所述入口速度vinlet、湍动能k、湍动能耗散率ε、浇注温度、出口速度voutlet、时间步长Δt和结晶器热流密度q。如上所述的方法，优选地，所述步骤S5包括：若铸坯宽面方向切向速度小于窄面方向速度，则将水口与宽面对应的出口上调2mm，与窄面对应的出口倾角上调1～2°；反之，若宽面方向的切向速度大于窄面方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大方坯连铸旋流水口的设计方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1、根据原有大方坯连铸旋流水口尺寸，运用Gambit造型软件建立三维数学模型，并进行网格化模型、制定模型边界条件定义，并导出msh文件，其中，所述边界条件包括入口边界条件、出口边界条件、模型顶面边界条件和结晶器壁面和水口壁面边界条件；S2、将步骤S1导出的msh文件导入模拟软件Ansys Fluent中进行模拟计算；S3、模拟计算结束后提取数据，在Ansys Fluent软件中提取结晶器电磁搅拌器中心附近，铸坯宽面方向和窄面方向切向速度分布数据，并在后处理软件Tecplot中，建立铸坯宽面和窄面方向距离与其相对应的切向速度直角坐标系点状图；S4、对后处理结果进行分析：根据步骤S3获得的所述直角坐标系点状图，判断窄面方向的切向速度与宽面方向的切向速度的大小；S5、调整大方坯连铸旋流水口出口的高度和倾角；当调整后的大方坯连铸旋流水口出口的高度和角度，使宽面方向和窄面方向的切向速度差小于0.1m/s时，为所需的大方坯连铸旋流水口出口的高度和角度。

【技术特征摘要】
1.一种大方坯连铸旋流水口的设计方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1、根据原有大方坯连铸旋流水口尺寸，运用Gambit造型软件建立三维数学模型，并进行网格化模型、制定模型边界条件定义，并导出msh文件，其中，所述边界条件包括入口边界条件、出口边界条件、模型顶面边界条件和结晶器壁面和水口壁面边界条件；S2、将步骤S1导出的msh文件导入模拟软件AnsysFluent中进行模拟计算；S3、模拟计算结束后提取数据，在AnsysFluent软件中提取结晶器电磁搅拌器中心附近，铸坯宽面方向和窄面方向切向速度分布数据，并在后处理软件Tecplot中，建立铸坯宽面和窄面方向距离与其相对应的切向速度直角坐标系点状图；S4、对后处理结果进行分析：根据步骤S3获得的所述直角坐标系点状图，判断窄面方向的切向速度与宽面方向的切向速度的大小；S5、调整大方坯连铸旋流水口出口的高度和倾角；当调整后的大方坯连铸旋流水口出口的高度和角度，使宽面方向和窄面方向的切向速度差小于0.1m/s时，为所需的大方坯连铸旋流水口出口的高度和角度。2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：S201、网格导入与处理：读取S1中保存的msh文件，检查网格，保证minimumvolume不小于0，设置网格区域尺寸；S202、设置物理模型及材料：根据实际设置求解器类型、重力加速度为Y轴负方向，选择计算模型湍流模型和温度场模型、设置流体材料、加载电磁力；S203、设置操作环境和边界条件，其中，在边界条件中，所述入口边界条件包括进口速度vinlet、湍动能k、湍动能耗散率ε和入口温度Tin，根据公式(1)-(4)获得，式中vcast为拉坯速度，单位为m/min；Sout为模型出口截面面积，单位为m2；Sin为浸入式水口入口处截面面积，单位为m2，所述vinlet单位为m/min；式中，Rnoz为水口入口半径，单位为m；Tin＝Tl+ΔT(4)式中，Tl为钢液液相线温度，单位为K；ΔT为钢液过热度，单位为K；所述模型顶面设为自由液面，垂直于液面的速度分量及所有其他各变量沿液面法线方向的梯度设为零，满足公式(5)，其中，v为模型自由表面x与z方向的速度大小，单位为m/min；h为钢液显热，单位为J/kg，其中h...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗森，张文杰，朱苗勇，陈耀，王卫领，姜东滨，顾凯旋，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21