板坯高拉速连铸台阶状水口的水模型研究.docx

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摘要
板坯高拉速连铸技术是现代钢铁冶炼生产中的一项重要技术，而水口是影响连铸质量的关键因素之一。本文采用CFD数值模拟方法，以台阶状水口为研究对象，探讨了不同台阶水口参数对板坯高拉速连铸过程中流场分布和结晶过程的影响。结果表明，在一定范围内，台阶状水口的凸出长度和凸出角度会对连铸过程中板坯结晶区域的宽度和形状产生影响，同时也会改变流场的分布情况。本研究能够为钢铁工业提供有关水口设计和优化方案的参考。
关键词：板坯高拉速连铸，台阶状水口，CFD数值模拟，结晶宽度，流场
1. 引言
板坯高拉速连铸技术是一种先进的钢铁冶炼技术，可以实现高效率连铸生产，提高钢坯质量。然而，由于连铸过程中钢液流动的复杂性，水口是决定连铸质量的关键因素之一。当前，钢铁工业中广泛采用蠕动水口或台阶状水口来提高连铸质量。
本文采用CFD计算方法，以台阶状水口为研究对象，探讨不同台阶水口参数对板坯高拉速连铸过程中流场分布及结晶过程的影响。通过这些研究结果，我们可以更好地了解水口的设计和优化方法，提高钢坯质量和连铸效率。
2. CFD模拟方法
CFD计算方法是一种可靠的计算模拟方法，可帮助我们更好地理解不同流场情况下的物理现象。在本研究中，我们使用ANSYS Fluent软件进行模拟计算。采用二维模型，模拟了高拉速连铸过程中钢液流动的情况，同时也考虑了结晶过程的影响。
在模拟中，我们采用了标准的k-ε湍流模型，同时对于流体动力学和传热方程进行求解。模拟中，我们将流场域划分为不同的网格，以实现流体流动和温度场的计算。模拟结果与实验结果进行比较，以验证数值计算的可靠性和有效性。
3. 模型建立
板坯高拉速连铸过程中的水口形状通常具有不同的设计参数，例如凸出长度和凸出角度等。在本研究中，我们采用了三种不同设计参数的台阶状水口进行计算模拟，并探讨不同设计参数对板坯结晶和流场的影响。
图1是我们采用的不同设计参数的水口模型示意图。其中，水口高度为35mm，下方直截区域长度为20mm，台阶区域长度分别设置为80mm、100mm、120mm，台阶宽度为5mm，凸出角度分别设置为20°、25°、30°，。
图1：不同设计参数的台阶状水口
4. 模拟结果与分析
在CFD模拟时，模型采用了板坯高拉速连铸过程中，水口和板坯结晶区域之间的距离为90mm，上方采用自由表面边界条件。
在模拟过程中，我们监测了不同设计参数下的水口形状、温度场分布和流场分布情况。通过模拟结果，我们可以得到：
水口形状变化
不同设计参数下的水口形状和凸出长度会影响钢液流动的剪切情况，从而影响板坯结晶的宽度和形状。在不同的凸出角度下，水口宽度的变化对板坯结晶宽度的影响最为明显，水口宽度增加，板坯结晶宽度也随之增加。
温度场分布
不同设计参数下的水口形状和凸出长度会对板坯结晶温度场分布情况产生影响。在不同凸出角度下，水口对板坯结晶区域温度的影响也存在差异。通过比较不同凸出角度水口对板坯结晶区域温度场分布的影响结果，得到结论，凸出角度为30°的水口设计能够有效控制板坯结晶区域的最大温度值，并且使其保持在一定的统一范围内，具有较好的加工性能。
流场分布
不同设计参数下的水口形状对板坯结晶过程中液流的分布情况也会产生影响。我们通过对模拟结果的分析，得到在不同设计参数下，水口的台阶长度和台阶角度的变化会影响流动分布情况，提高了板坯结晶的宽度，对连铸质量具有显著的影响。
5. 结论
本研究采用CFD方法，研究了台阶状水口形状对板坯高拉速连铸过程中流场分布和结晶过程的影响。研究结果表明，不同的台阶状水口设计参数会影响流场分布和板坯结晶过程，水口的凸出长度和凸出角度变化对连铸过程中板坯结晶区域的宽度和形状产生影响，并可能对连铸质量产生重要影响。
本研究结果可以为钢铁行业提供有关水口设计和优化方案的参考，为提高连铸生产效率和钢坯品质提供了良好的技术支持。该研究可在实际生产应用中进行验证，在未来的工业应用中得到广泛应用。