为进一步提升钢铁生产运作效率与稳定水准，以及进一步净化钢质，应当做有关优化结晶器水口插入深度。通过本课题的系列试验与分析，预计达到以下目的：

a.确定最优拉速。

b.为高拉速状态下结晶器的流场优化提供理论依据。

针对宝钢特钢公司的连铸设备在高拉速条件下的工艺条件，选择840L钢种，根据现有的原料条件和连铸工艺，采用Siemens PLM Software公司的Unigraphics NX（UG）进行几何模型的创建，用美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件Ansys中的Fluent套件进行计算，并进行后处理。模拟过程首先建立连铸结晶器的几何模型，确定定解条件及有关参数，划分网格，然后选择计算模型及其参数，并进行求解，获得结晶器内钢液在高拉速工艺条件下的流场，最后进行后处理获得结晶器中流场分布的云图、矢量分布图等结果。

图1.3 连铸工艺流程简图

2  连铸结晶器内钢水流动过程的数学模型

2.1 数学模型

本课题使用ansys中的fluent板块以及cfd板块，对连铸结晶器内流场进行流场分析，研究宝钢特钢公司所采用的该连铸结晶器的性能，并分析结晶器流场在拉速变化时的规律，探讨拉速影响流产的缘由，为工程实际应用提供理论依据。

2.1.1 基本假设

为建立数学以及物理模型，本课题对连铸结晶器内钢液的流动状态做出假设：

(1)假定钢液在连铸结晶器内的流动是稳态；

(2)假定液-固界面是一个非滑移边界；

(3)假定振动和凝固坯壳对流动状态没有影响；

(5)假定没有弯月面现象，结晶器内的钢液面均是平面；

(6)假定以均相介质处理连铸结晶器内的钢液。

2.1.2 控制方程

连续方程： (1)

动量方程： (2)

湍流模型方程：k 方程： (3)

(4)

式中：，，为湍流流动的时均速度 ,m/s;为流体(钢液)的密度 ,kg /m³;k为湍流脉动动能,㎡/;为湍流脉动动能耗散率P为压力,N/㎡;为有效粘性系数,kg/();t为湍流粘性系数,kg/(sm2);gi为i方向上的体积力,m/s2;i为流体(钢液)的动力粘度,kg /[26]。

2.2 边界条件

本研究取水口及相连通的结晶器内的钢水为研究对象，由于其对称性，沿水口轴线及结晶器中心线处所在的平面与结晶器壁间所围成的1/4体积进行计算，为了使所得计算结果的显示充分发展，取从结晶器内钢水液面到拉坯方向的出口处的距离为1500mm。所选计算区域如图2.1所示。其边界条件如下：

入口边界条件：浸入式水口入口处，设置为速度边界条件，根据质量守恒由拉速计算出入口处流速v，。此外，水口壁面定义为固体壁面，处理方式与结晶器壁面相同。

结晶器钢液液面：结晶器液面设置为自由液面，与液面垂直的速度分量及沿液位梯度法向的所有其他变量为零。

对称平面：垂直于对称平面的速度分量的梯度和沿着对称平面的法线的所有其他物理量被设置为等于零。

结晶器壁：在结晶器壁上，结晶器壁的内表面（包括浸入式水口的壁表面）具有无滑动的功能，并且垂直于模具壁表面的速度分量为零。它与靠近墙壁区域的结晶器壁附近的节点平行。

2.3 物理模型的建立

宝钢特钢的连铸结晶器是此次的研究对象。结晶器的主要参数见表2.1。与连铸结晶器宽表面平行的长度方向定义为x轴，与钢液表面垂直的方向定义为z轴，并且结晶器窄面的长度方向定义为y轴。

条件确立后,利用ansys中的fluent软件进行分析计算。控制方程离散化采用矩形网格和有限体积法

图2.1 边界条件设置图

表2.1 宝钢特钢公司连铸结晶器工艺参数

项目 单位 参数值

连铸机型 立式