[发明专利]一种大方坯连铸旋流水口的设计方法

说明书

本发明涉及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Ansys Fluent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。通过本发明设计方法获得的大方坯连铸旋流水口出口的最佳高度和倾斜角度，改进大方坯在连铸过程中流场分布，从而提高铸坯质量。

技术领域

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。

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。

发明内容

(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边界条件；

S2、将步骤S1导出的msh文件导入模拟软件Ansys Fluent中进行模拟计算；