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薄板坯连铸过程中流动及相关现象的数值模拟

作　者: 徐绵广
导　师: 刘和平
学　校: 钢铁研究总院
专　业: 钢铁冶金
关键词: 连铸薄板坯数值模拟流动传热凝固电磁制动结晶器
分类号: TF777.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

提高连铸效率和铸坯质量,对进一步降低能源消耗、减轻环境污染和提高劳动生产率具有重大意义,并具有显著社会效益。采用数值模拟方法研究连铸过程流动及相关现象具有很大优势。本论文主要以薄板坯中CSP漏斗形结晶器和FTSC的H2结晶器为研究对象。研究人员在研究连铸过程结晶器内钢液湍流流动时,大都采用单相模型,将弯月面钢-渣界面传输行为忽略并通过弯月面钢液静压力计算波高。本文建立了描述CSP漏斗形结晶器内钢液湍流流动和熔池弯月面处钢-渣界面行为的两相流模型,研究结果证实增加拉速可增大熔池弯月面处钢-渣界面活跃程度,增大钢液射流冲击深度和加剧钢液对结晶器窄边冲击。铸坯尺寸对结晶器冶金行为具有重要影响,是确定工艺参数的依据之一。本文分别研究铸坯宽度对CSP和FTSC结晶器冶金行为的影响。CSP结晶器考虑电磁制动。研究结果表明,对于CSP和FTSC,结晶器宽度增加都会降低结晶器内涡心位置,增大漩涡范围,并且加剧自由液面波动和降低结晶器出口处凝固坯壳厚度。对于CSP漏斗形结晶器,铸坯宽度增加会弱化电磁制动效果。连铸暂态过程不可避免,降低暂态过程所带来的负面影响对研究人员仍是很大挑战。为节约钢材、降低成本,有必要对暂态阶段进行研究。本文建立了描述电磁制动下CSP漏斗形结晶器开浇过程暂态流动现象的三维数学模型。研究不同磁场强度对开浇过程中结晶器内钢液流场影响,利用流体体积方法捕捉钢液-空气界面,采用动网格模型实现引锭杆移动。研究结果表明,开浇过程填充阶段钢液射流将大量空气引入结晶器内钢液,引锭杆启动时,结晶器自由液面剧烈波动。拉坯过程中,钢液自由液面稳定时,结晶器内存在明显偏流。电磁场可显著抑制钢液湍流流动,降低引锭杆启动瞬间的弯月面波动,开浇过程电磁制动的使用可改善拉坯过程中结晶器内钢液流态并显著抑制结晶器内钢液偏流。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
主要符号列表  7-12
目录  12-16
第一章文献综述  16-30
  1.1 连铸过程简介  16-18
  1.2 连铸过程数值模拟历史  18-20
  1.3 连铸过程数值模拟现状  20-27
    1.3.1 暂态流动过程  21-22
    1.3.2 电磁制动  22-26
    1.3.3 传热凝固  26-27
  1.4 本文主要研究对象  27-29
    1.4.1 薄板坯技术简介  27-28
    1.4.2 薄板坏技术研究现状  28-29
  1.5 文献总结及研究内容  29-30
第二章 CSP漏斗形结晶器内钢-渣界面行为的数值模拟  30-48
  2.1 基本假设  30
  2.2 控制方程  30-34
    2.2.1 连续方程  30-31
    2.2.2 动量方程  31
    2.2.3 湍流模型  31-33
    2.2.4 多相流模型  33-34
  2.3 边界条件  34-37
    2.3.1 水口入口  34-35
    2.3.2 计算域出口  35-36
    2.3.3 钢-渣界面描述及对称边界条件  36
    2.3.4 其它参数  36-37
  2.4 数值计算方法  37-40
    2.4.1 网格划分  37-39
    2.4.2 控制方程离散  39
    2.4.3 收敛准则  39-40
  2.5 数值模拟结果  40-47
    2.5.1 熔池表面钢-渣界面行为  40-43
    2.5.2 结晶器内钢液流场  43-47
  2.6 本章小结  47-48
第三章铸坯宽度对薄板坯结晶器冶金行为影响的数值模拟  48-86
  3.1 基本假设  48
  3.2 控制方程  48-54
    3.2.1 连续方程  48-49
    3.2.2 动量方程  49
    3.2.3 湍流模型  49-50
    3.2.4 电磁制动  50-52
    3.2.5 凝固模型  52-53
    3.2.6 弯月面波形  53-54
  3.3 边界条件  54-60
    3.3.1 结晶器壁丽换热条件  54-56
    3.3.2 磁场边界  56-57
    3.3.3 凝固坯壳在壁面的移动  57-58
    3.3.4 其它边界条件  58
    3.3.6 其它参数  58-60
  3.4 数值计算方法  60-62
    3.4.1 计算域及网格划分  60-62
    3.4.2 控制方程离散与收敛准则  62
  3.5 CSP模拟结果  62-79
    3.5.1 流场  62-69
    3.5.2 温度场  69-76
    3.5.3 凝固坯壳生长情况  76-79
  3.6 FTSC模拟结果  79-84
    3.6.1 流场  79-82
    3.6.2 温度场  82-84
    3.6.3 凝固坯壳生长情况  84
  3.7 本章小结  84-86
第四章开浇过程暂态流动现象的数值模拟  86-106
  4.1 基本假设  86
  4.2 控制方程  86-87
  4.3 动网格模型  87-88
  4.4 边界条件  88-90
  4.5 数值计算方法  90-91
  4.6 数值模拟结果  91-104
    4.6.1 填充过程  91-96
    4.6.2 拉坯过程  96-104
  4.7 本章小结  104-106
第五章全文总结  106-107
参考文献  107-124
致谢  124-125
硕士期间研究成果  125-126
  (一) 硕士期间发表论文  125
  (二) 硕士期间参加的科研情况说明  125-126

薄板坯连铸过程中流动及相关现象的数值模拟

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