一种圆坯连铸旋流水口的设计方法与流程

本发明涉及金属铸造
技术领域：
，尤其涉及一种圆坯连铸旋流水口的设计方法。
背景技术：
随着现代制造业的快速发展和科学技术水平的逐步提高，人们对钢铁材料的使用性能和产品的生产效率要求愈来愈高，特别是现在高铁车轨所用圆坯钢的研究和开发，对圆坯的凝固组织和成分的均一性提出了更高要求。因此，保证生产圆坯的凝固过程对得到高品质、均质化的圆坯是关键步骤。在连铸过程中，钢液的流动对铸坯形成过程中传热、凝固有影响，进而对钢液中溶质的扩散产生影响。由于溶质在液相和固相的溶解度不同，造成凝固过程中溶质元素从固相向液相的排除。引起中心偏析的产生。现在工艺中，可以通过改变水口的形状来提高浇注质量，减弱中心偏析的产生。为了提高浇注质量，日本专利jp2000237852公布了一种变径内孔的浸入式旋流水口，其中变径孔中有板状旋流叶片，使得钢水自上而下产生旋流。东北大学专利201320125720.1公布在常规水口上部区域的外部添加电磁装置。使用电磁力代替机械螺旋叶片，使从水口流出的钢液具有自循环流动，达到旋流效果。中国专利zl200510047290.6公布了一种电磁旋流水口，在浸入式水口的外部施加可移动的旋流装置，使钢液出水口产生旋转流动的效果，有利于提高连铸拉锭工艺中钢坯的质量。技术实现要素：针对现有技术的缺陷，本发明提供一种圆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。一种圆坯连铸旋流水口的设计方法，包括以下步骤：步骤1、根据圆坯连铸旋流水口尺寸，运用gambit造型软件建立圆坯连铸旋流水口的三维数学模型，并对该模型进行网格化、设定模型的边界条件，完成圆坯连铸旋流水口的建模，并导出相应的msh文件；所述模型的边界条件包括圆坯连铸旋流水口的入口边界条件、出口边界条件、模型顶面边界条件以及结晶器壁面和水口壁面边界条件；步骤2、将步骤1导出的msh文件导入流体分析模拟软件ansysfluent中进行模拟计算，得到结晶器内水口下方铸坯横断面和纵截面钢液流场和温度场数据，具体方法为：步骤2.1、设置物理模型及材料；读取步骤1中保存的msh文件，检查网格，保证最小网格尺寸不小于0，设置网格区域尺寸；根据实际设置求解器类型，重力加速度为y轴负方向，选择湍流模型和温度场模型作为计算模型，设置流体材料；步骤2.2、设置操作环境和边界条件；所述边界条件包括流动边界条件和温度边界条件；对于流动边界条件，圆坯连铸旋流水口的入口速度根据质量守恒方程确定，模型壁面采用无滑移边界条件，标准壁面函数，出口流动采用流动充分发展，各变量法向导数为零；对于温度边界条件，圆坯连铸旋流水口入口温度为浇注温度，模型壁面散热考虑热通量；边界条件设定具体如下：所述入口边界条件所需要的参数包括入口速度vinlet，湍动能k，湍动能耗散率ε和入口温度tin；根据质量守恒方程，入口速度vinlet如下公式所示：其中，vcast为拉坯速度，sout为水口入口截面面积，sout为模型出口截面面积；所述湍动能k、湍动能耗散率ε分别如下两个公式所示：ε＝k1.5/rnoz其中，rnoz为圆坯连铸水口入口半径；所述入口温度tin为浇注温度，如下公式所示：tin＝tl+δt自由液面为所建模型顶部，对于该边界条件，各变量沿自由液面法线方向的分量全为零，如式下公式所示：其中，v为所建模型自由表面x与z方向的速度大小，h为钢液显热，u为拉坯方向速度；所述出口流动采用流动充分发展，各变量法向导数为零；所述模型壁面边界条件中，平行于壁面采用无滑移边界条件，垂直于壁面的分量为零，如下公式所示：voutlet＝vcast，v＝k＝0其中，voutlet为出口速度；结晶器壁与铸坯界面间局部热流密度q采用如下公式计算：其中，t为钢液流经结晶器区域所用时间；步骤2.3、设置求解方法、控制参数、监事窗口以及初始化，进行计算；计算前需要在ansysfluent软件中设置迭代步数和时间步长，时间步长的限制条件如下公式所示：其中，δt为时间步长，δx为所划分的网格尺寸，a为扩散热系数；步骤3、模拟计算结束后，在ansysfluent软件中提取结晶器内圆坯连铸旋流水口下方铸坯横断面和铸坯纵截面钢液流场和温度场数据并在tecplot或处理软件中制作流场云图和温度场云图；步骤4、根据步骤3获得的结晶器内圆坯连铸旋流水口下方铸坯横断面和纵截面钢液的流场云图和温度场云图，分析圆坯连铸旋流水口对圆坯内钢液流动和传热的影响；再根据提高铸坯内钢液高温区位置和降低过热度有利于等轴晶的生长原则，初步判断该圆坯连铸旋流水口是否满足该原则；若模拟计算结果符合上述原则，则执行步骤5，否则，返回步骤1重新调整圆坯连铸旋流水口形状并建模进行计算；步骤5、对模拟结果满足上述要求的圆坯连铸旋流水口生产铸坯，并进行现场实验，判断对最后所生产铸坯质量的影响，进而做出验证。由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种圆坯连铸旋流水口的设计方法，通过比较不同旋流水口下钢液的流场、温度场云图，从而得到更加合适的圆坯连铸旋流水口。通过调整圆坯连铸旋流水口形状，使钢液在结晶器工作区内形成更加持久、更加有效的水平旋流运动，促进了过热的耗散，提高结晶器内高温区上升，使部分自由晶重熔，降低了过热度，有利于扩大等轴晶区和改善铸坯芯部质量。使结晶器区域内的钢液进行水平旋流运动，对凝固前沿产生剪切力，切断柱状晶，产生自由晶，扩大等轴晶区，提高铸坯质量。可以更好的防止卷渣现象的发生，一直铸坯皮下负偏析及中心偏析的产生，实现铸坯均质性的提高。附图说明图1为本发明实施例提供的两种不同形状的水口几何模型图，其中，(a)为直筒型水口几何模型图，(b)为四孔型旋流水口几何模型图；图2为本发明实施例提供的一种圆坯连铸旋流水口的设计方法的流程图；图3为本发明实施例提供的应用直筒型水口铸坯横截面和纵截面钢液的温度场云图与温度场和流场的流线图，其中，(a)为温度场云图，(b)为温度场和流场流线图；图4为本发明实施例提供的应用四孔旋流水口铸坯横截面和纵截面钢液的温度场云图与温度场和流场的流线图，其中，(a)为温度场云图，(b)为温度场和流场的流线图；图5为本发明实施例提供的应用两种不同形状水口铸坯纵截面钢液的流场云图，其中，(a)为应用直筒型水口下的纵截面钢液流场云图，(b)为应用四口旋流水口下的纵截面钢液流场云图；图6为本发明实施例提供的两种不同形状的水口的纵截面钢液流场云图，其中，(a)为应用直筒型水口下纵截面钢液温度场云图，(b)为应用四口旋流水口下纵截面钢液温度场云图；图7为本发明实施例提供的采用两种不同形状的水口生产的铸坯图，其中，(a)为采用直筒型水口生产的铸坯；(b)为采用四孔旋流水口生产的铸坯。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本实施例使用本发明的圆坯连铸旋流水口的设计方法对某钢厂的两种圆坯连铸旋流水口进行数值模拟。某钢厂原有的直孔圆坯连铸水口对应的圆坯直径为680mm，长为2000mm，其结晶器段有效高度为700mm，剩余的1300mm为二冷区。浸入式直孔水口浸入深度为120mm，水口内径为42mm，外径为100mm。改进的四孔旋流浸入式水口浸入深度仍然为120mm，水口内外径分别为42mm和100mm，水口的四个开口均向下倾斜15°，且四个开口在水平方向均顺时针偏转15°。浸入式直孔水口和改进的四孔旋流浸入式水口如图1(a)、(b)所示。应用这两水口生产铸坯为直径680mm的圆坯，拉坯速度为0.32m/min。该钢厂实际生产钢种42crmo钢的成分如表1所示，物性参数如表2所示。表1钢种42crmo钢的成分钢号csimncrmosp42crmo0.3～0.450.1～0.370.5～0.800.9～1.200.1～0.25≤0.04≤0.035表2钢种42crmo钢的物性参数一种圆坯连铸旋流水口的设计方法，如图2所示，包括以下步骤：步骤1、根据原有圆坯连铸旋流水口尺寸，运用gambit造型软件建立圆坯连铸旋流水口的三维数学模型，并对该模型进行网格化、设定模型的边界条件，完成圆坯连铸旋流水口的建模，并导出相应的msh文件；模型的边界条件包括圆坯连铸旋流水口的入口边界条件、出口边界条件、模型顶面边界条件以及结晶器壁面和水口壁面边界条件；本实施例中，所建立的三维数学模型的具体尺寸如表3所示。表3圆坯连铸旋流水口的三维数学模型参数参数数值圆坯断面直径，mm680mm模型计算长度，mm2000mm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°水口顺时针偏转角度，°15°根据圆坯连铸旋流水口的三维数学模型参数，运用造型软件建立三维几何数学模型，然后点击控制面板的mash按钮进行模型网格划分。网格划分选择四面体网格，网格尺寸为10。进行边界条件定义过程中，将水口入口定义为模型入口边界条件inlet，将钢液与保护渣接触的面定义为surface边界条件，将结晶器与二冷区冷却壁moldwall和secondcoldwall定义为模型壁，将模型最底端定义为出口边界条件outlet。最后，建模完毕，另存为msh文件。步骤2、将步骤1导出的msh文件导入流体分析模拟软件ansysfluent中进行模拟计算，得到结晶器内水口下方铸坯横断面和铸坯纵截面钢液流场和温度场数据，具体方法为：步骤2.1、设置物理模型及材料；读取步骤1中保存的msh文件，检查网格，保证最小网格尺寸不小于0，设置网格区域尺寸；根据实际设置求解器类型，重力加速度为y轴负方向，选择湍流模型和温度场模型作为计算模型，设置流体材料；流体材料只考虑钢液的物性参数；步骤2.2、设置操作环境和边界条件；边界条件包括流动边界条件和温度边界条件；对于流动边界条件，圆坯连铸旋流水口入口速度根据质量守恒方程确定，模型壁面采用无滑移边界条件，标准壁面函数，出口流动采用流动充分发展，各变量法向导数为零；对于温度边界条件，圆坯连铸旋流水口入口温度为浇注温度，模型壁面散热考虑热通量；边界条件设定具体如下：入口边界条件所需要的参数包括入口速度vinlet，湍动能k，湍动能耗散率ε和入口温度tin；根据质量守恒方程，入口速度vinlet如下公式所示：其中，vcast为拉坯速度，sout为水口入口截面面积，sout为模型出口截面面积；湍动能k、湍动能耗散率ε分别如下两个公式所示：ε＝k1.5/rnoz其中，rnoz为水口入口半径；入口温度tin为浇注温度，如下公式所示：tin＝tl+δt自由液面为所建模型顶部，对于该边界条件，各变量沿自由液面法线方向的分量全为零，如式下公式所示：其中，v为所建模型自由表面x与z方向的速度大小，h为钢液显热，u为拉坯方向速度；出口流动采用流动充分发展，各变量法向导数为零；模型壁面边界条件中，平行于壁面采用无滑移边界条件，垂直于壁面的分量为零，如下公式所示：voutlet＝vcast，v＝k＝0其中，voutlet为出口速度；结晶器壁与铸坯界面间局部热流密度q采用如下公式计算：其中，t为钢液流经结晶器区域所用时间；本实施例中，计算得到各边界条件参数如表4所示：表4计算得到的各边界条件参数步骤2.3、设置求解方法、控制参数、监事窗口以及初始化，进行计算；计算前需要在ansysfluent软件中设置迭代步数和时间步长，时间步长的限制条件如下公式所示：其中，δt为时间步长，δx为所划分的网格尺寸，a为扩散热系数；本实施例中，由步骤1划分网格可知δx＝0.01，计算得时间步长的限制条件为δt≤0.06s。步骤3、模拟计算结束后，在ansysfluent软件中提取结晶器内圆坯连铸旋流水口下方铸坯横断面和铸坯纵截面钢液流场和温度场数据并在tecplot或处理软件中制作如图3和图4所示的应用两种不同形状的水口铸坯横截面和纵截面钢液的温度场云图与温度场和流场的流线图以及如图5和图6所示的应用两种不同形状水口铸坯纵截面钢液的流场云图和温度场云图；步骤4、根据步骤3获得的结晶器内圆坯连铸水口下方铸坯横断面和纵截面的流场云图和温度场云图，分析不同圆坯连铸水口对圆坯内钢液流动和传热的影响；再根据提高铸坯内钢液高温区位置和降低过热度有利于等轴晶的生长原则，优选出有助于提高铸坯质量的圆坯连铸旋流水口。对图3-图6进行分析发现不同圆坯连铸旋流水口形状，所提取的横截面和纵截面流场分布不同，直筒型浸入式圆坯连铸水口对应的流股冲击深度大，高温区偏上；四孔倾斜型圆坯连铸旋流水口条件下，横截面提取的流线图为水平旋流，纵截面的温度场高温区偏上。四孔倾斜型圆坯连铸旋流水口有助于产生凝固前沿的剪切力，切断柱状晶，产生游离的自由晶，同时可使部分自由晶重熔，提高热区位置，降低过热度，有利于扩大等轴晶区，改善铸坯芯部质量。本实施例为了验证该模拟的大断面圆坯连铸旋流水口是否与实际相符，通过对应钢厂进行实际检验，通过运用上述两种浸入式圆坯连铸旋流水口所生产的铸坯如图7(a)、(b)所示，从图中可以看出，该圆坯连铸旋流水口减少了所生产的铸坯的内部缺陷，如疏松、缩孔和中心偏析等表面缺陷，提高了铸坯的质量。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。当前第1页12