本发明涉及一种大方坯连铸旋流水口的设计方法，本发明属于金属铸造
技术领域：
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背景技术：
：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。该发明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。技术实现要素：(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本发明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，本发明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向的切向速度，将水口与窄面对应的出口上调2mm，与宽面对应的出口倾角上调1～2°，以此为初始三维数学模型尺寸，继续重复所述步骤s1-s5，直至所述宽面方向和窄面方向的切向速度差小于0.1m/s为止。(三)有益效果本发明的有益效果是：本发明提供的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ansysfluent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。通过调整大方坯连铸旋流水口出口高度和角度后：1)、有利于连铸过程中距离弯月面同一高度宽窄面中心各点速度梯度在允许的一定范围内；速度梯度相差不大可以得到更加稳定的钢液面，可以更好的防止卷渣的发生，抑制铸坯皮下负偏析的产生，以协同调控特殊钢大方坯皮下负偏析带及中心偏析，实现铸坯均质性的提高。2)、有利于在结晶器工作区内形成更加持续、更加有效的水平旋流，促进过热耗散，改善铸坯内部质量。附图说明图1为本发明方法的流程示意图；图2为初始三维数学模型；图3(a)为初始三维数学模型对应铸坯宽面方向的切向速度分布；图3(b)为初始三维数学模型对应铸坯窄面方向的切向速度分布；图4为大方坯连铸旋流水口中心处的正剖视图；图5为大方坯连铸旋流水口中心处的侧剖视图；图6(a)为本发明设计的最佳水口尺寸对应的铸坯宽面方向的切向速度分布；图6(b)为本发明设计的最佳水口尺寸对应的铸坯窄面方向的切向速度分布；图7为经过实践后所得铸坯的电子扫描图；图8为实践之前初始水口的生产的铸坯的电子扫描图，其中，(b)为(a)中方框内的放大图。【附图标记说明】1：大方坯连铸旋流水口；2：结晶器中钢液面；3：大方坯连铸旋流水口铸坯宽面所对应的出口；4：铸坯；5：电磁搅拌设备；6：连铸结晶器；7：大方坯连铸旋流水口铸坯窄面所对应的出口。具体实施方式本发明提出了一种能够根据铸坯长宽比，采用造型软件gambit和流体计算软件ansysfluent相结合，详细考察结晶器内钢液流动和温度分布行为，通过软件模拟计算分析可以确定出大方坯连铸旋流水口出口的最佳高度和倾斜角度设计合理的结晶器浸入式水口的方法。并通过对本发明的设计方法进行了实际检验，通过实际测试证明本发明方法的正确性，运用设计后大方坯连铸旋流水口出口的最佳高度和倾斜角度进行连铸生产，连铸生产的铸坯内部物明显的中心偏析、疏松和表面缺陷等现象，提高了铸坯的质量为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。实施例1一种大方坯连铸旋流水口设计方法，如图1所示，包括如下步骤：s1，根据钢厂连铸设备的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，制定的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msh文件导入模拟软件ansysfluent中进行模拟计算。具体地，模拟所对应的内容包括如下步骤：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(general→check)；设置网格区域尺寸(general→scale→meshlengthunitin→mm)s202、设置物理模型及材料。设置求解器类型，选择pressurebased，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(models→viscouslaminar→k-e/energy)；设置流体材料(materials→steel)；加载电磁力(define→userdefined→(function→compiled→setsource)/(executeondemand→getpositions→setsource))。s203、设置操作环境和边界条件。设置操作环境(define→operatingconditions保持默认)；设置边界条件(boundaryconditions→inlet/outlet/freesurface/moldwall)。其中水口入口边界条件inlet中包括的参数有进口速度vinlet，单位为m/min；湍动能k，单位为m2/s2；湍动能耗散率ε，单位为m2/s3；入口温度tin，单位为k。各参数可由以下公式得出；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。ε＝k1.5/rnoz(3)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，根据钢种查询手册可得；δt为钢液过热度，单位为k。模型顶面设为自由液面freesurface，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。满足如下条件：式中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，已知钢种，可由查钢种手册得出；u为拉坯方向速度，单位为m/min。出口边界条件outlet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。结晶器壁面边界条件moldwall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，满足如下条件：voutlet＝vcast,v＝k＝0(6)结晶器壁与铸坯界面间局部热流密度q的计算公式：式中，t是时间，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，由三维数学模型已知条件可知。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，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。具体地，打开runcalculation面板，在numberofiterations下输入迭代步数，在timestepsize(s)下输入时间步长；点击calculate按钮，开始计算。如下是模拟过程中时间步长的限制条件：式中δt是时间步长，单位为s；δx为网格尺寸，m，在s1中可获得；a为热扩散系数，单位为m2/s。其中，keff是导热系数，单位为w/(m·℃)；ceff为有效热容，单位为j/(kg·℃)；ρ为钢液密度，单位为kg/m3，可对应钢种查表获得。s3、计算完毕后，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中建立大方坯连铸旋流水口所对应的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获得的大方坯连铸旋流水口所对应的铸坯宽面和窄面方向距离与其相对应的速度直角坐标系点状图，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。通过调整大方坯连铸旋流水口出口的高低和角度来实现宽面方向和窄面方向切向速度大小差减小在一定范围内。由于高温钢液流动速度在结晶器内具有热浮力等影响因素，通过力学直接计算水口出口高度和倾角比较复杂，所以本发明通过模拟计算得到数据分析后对大方坯连铸旋流水口出口的三维数学模型进行修改的方法来发明一种大方坯连铸旋流水口。具体地，如果结晶器电磁搅拌器中心附近，铸坯宽面方向的切向速度小于窄面方向的切向速度，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向的切向速度，将水口与窄面对应的出口上调2mm，与宽面对应的出口倾角上调1～2°，以此为初始三维数学模型尺寸，继续步骤s1-s5。若所测宽面、窄面切向速度差小于0.1m/s，则该水口尺寸为所需最佳尺寸。实施例2本实施例是在实施例1的基础上进行，针对某钢厂原有四口大方坯连铸旋流水口对应的长宽高分别为1500mm、460mm、320mm，其中结晶器段有效高度700mm，剩余为800mm为二冷区。水口垂直460mm×320mm面，浸入深度为120mm，水口内径42mm，外径100mm，水口的四个出口均匀分布在距水口底部20mm，开口向下倾斜15°。如图2。其生产的为320*460mm方坯，水口入口内径为21mm，结晶器有效高度为0.7m，水口浸入结晶器液面深度为0.12m，钢液入口速度为0.65m/min，如下表1是实际所生产钢种q235钢的物性参数。表1钢种参数物性参数数值物性参数数值固相线温度1763k导热系数34w/m/℃液相线温度1803k比热680j/kg/℃潜热270e3j/kg密度7020kg/m3过热度30℃粘度6.2e-3j/kg结晶器传热系数1270w/m2/℃重新设计大方坯连铸旋流水口，具体步骤如下：步骤1，根据钢厂连铸设备工艺尺寸，运用gambit造型软件建立模拟所需三维数学模型，如下表2是三维数学模型具体尺寸，如下表2是三维数学模型具体尺寸。表2三维数学模型参数参数数值铸坯断面尺寸，mm460mm*320mm模型计算长度，mm1500mm水口浸入深度，mm120mm结晶器有效高度，mm700mm水口出口距水口底部的距离，mm20mm水口向下倾角，°15°具体地，打开gambit造型软件，根据上述参数创建几何模型(y负方向为重力方向)，在控制面板单击mash按钮，对三维几何模型进行网格划分，然后进行边界条件的定义，定义的边界条件有水口入口边界条件inlet，模型顶部自由表面边界条件freesurface，模型宽窄壁面边界条件moldwall和出口边界条件outlet。建模完毕，将三维数学模型另存为mold.msh文件；其中，320mm这一侧边为窄面，460mm的这一侧边为宽面。步骤2：将msh文件导入模拟软件ansysfluent中进行模拟计算，具体地：(1)、打开ansysfluent模拟软件，将步骤1保存的mold.msh文件导入fluent中，检查网格，保证minimumvolume不小于0(general→check)；设置网格区域尺寸(general→scale→meshlengthunitin→mm)。(2)、设置求解器类型，选择pressurebased，重力加速度为y轴负方向，大小为9.8m/s2；选择计算模型湍流模型和温度场模型(models→viscouslaminar→k-e/energy)；设置流体材料(materials→steel)；加载电磁力(define→userdefined→(function→compiled→setsource)/(executeondemand→getpositions→setsource))。(3)、设置操作环境(define→operatingconditions保持默认)；设置边界条件(boundaryconditions→inlet/outlet/freesurface/moldwall)。入口边界条件inlet：进口速度vinlet根据公式(1)计算可得vinlet＝1.15m/s；湍动能k可由公式(2)得出，且k＝0.00194481m2/s2；由公式(3)得湍动能耗散率ε＝0.005717741m2/s3；由公式(4)，入口温度tin＝1803+30＝1833k；模型顶面设为自由液面freesurface，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，满足如下条件：出口边界条件outlet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；结晶器壁面边界条件moldwall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，满足如下条件：voutlet＝vcast＝0.0108m/s,v＝k＝0。结晶器壁与铸坯界面间局部热流密度q可以由公式(7)得出q＝1360000w/m2，其中铸坯经过结晶器所需要的时间是t＝700/0.0108＝65s。(4)、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。(5)、设置监视窗口和初始化。即按程序的初始化，保持默认。(6)、求解过程中，打开runcalculation面板，在numberofiterations下输入迭代步数，在timestepsize(s)下输入时间步长，时间步长可以由式(8)获得δt≤0.031s，其中由步骤1划分网格可知δx＝0.4～0.5，a＝2m2/s，；点击calculate按钮，开始计算。上述所得参数具体数据见表3。表3获得参数的数据步骤3：计算结束后点击file→export→solution获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，导入tecplot后处理软件中，得如图3所示。步骤4：对图3结果分析发现窄面方向的切向速度大于宽面方向切向速度，步骤5：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°，即此时模型尺寸中大方坯连铸旋流水口与宽面相对应的水口高度为22mm，倾角为向下15°，窄面距水口底端高度为20mm，倾角为13°，以此尺寸返回步骤1进行三维数学建模，继续循环步骤1至步骤5。当大方坯连铸旋流水口出口尺寸调整后，如图4，图5所示，其中，1为大方坯连铸旋流水口，内径为42mm，外径100mm；3为大方坯连铸旋流水口铸坯宽面所对应的出口，其内径21mm，偏角为向下5°，距离水口底部为15mm；7为窄面所对应的大方坯连铸旋流水口的出口，内径为21mm，偏角为向下15°，距离水口底部20mm；2为结晶器中钢液面；4为320*460mm铸坯；5为电磁搅拌设备；6为连铸结晶器；7为大方坯连铸旋流水口窄面所对应的出口。此时得到的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结晶器电磁搅拌器中心附近，铸坯宽面方向的速度图如图6(a)所示，窄面方向切向速度图如图6(b)所示。由图6可看出，得出在截面宽窄面各中心的速度相差不大，小于0.1m/s，有助于化渣，行程优异的铸坯表面。此大方坯连铸旋流水口尺寸即大方坯连铸旋流水口铸坯宽面所对应的出口，其内径21mm，偏角为向下5°，距离水口底部为15mm；窄面所对应的大方坯连铸旋流水口的出口，内径为21mm，偏角为向下15°，距离水口底部20mm，为对应本钢厂模拟的最佳旋流水口。为了验证模拟所得水口尺寸是否与实际相符，通过在对应模拟钢厂进行实际检验，将获得的大方坯连铸旋流水口出口的最佳高度和倾角通过实践后进行生产铸坯，所得铸坯如图7所示。而未改进之前原始生产的铸坯如图8所示，可看出使用初始水口的生产的铸坯，其内部缺陷(疏松)较为严重，采用本发明设计后的改进的大方坯旋流水口所生产的铸坯(图7)，明显减少了连铸生产铸坯内部缺陷如中心偏析、疏松等和表面缺陷，提高了铸坯的质量。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。当前第1页12