冷卻水進入方向對結晶器傳熱的影響
張路平 1,2 劉增勛 1,2 肖鵬程 1,2 朱立光 2,3 徐旺 1,2
（1. 華南理工大學冶金能源學院，河南遷安；2. 山東省優質板坯技術創新中心，山東萊蕪；3. 湖南科技大學）
摘要: 基于ANSYS仿真平臺，對方坯結晶器內冷卻水與銅壁之間的傳質進行數值模擬研究。 詳細介紹了改變冷卻水加熱方向對冷卻水溫度場和銅壁濕度場的影響。 仿真結果能夠準確表達結晶器的真實傳質狀況，為優化結晶器水隙設計和冷卻工藝參數提供參考。
關鍵詞：結晶器傳質； 冷卻過程； 數值模擬
水在模具熱作用下的理論
張,2劉,2肖,2朱,2徐旺1,2
(1.河北華北;2.河北高鋼,河北)
：根據 ANSYS，模具壁的熱量已消失。 這在水的速度，以及水在水場和墻場上的影響。
：模具熱；；
1 序言
冷卻水與銅壁之間的對流傳熱行為直接受冷卻水流量和水隙內溫度分布的影響。 合理的水槽間距和布置，使水槽內的冷卻水能夠獲得較高的流量。 水隙中產生高速紊流，保證冷卻水與銅壁良好的對流換熱狀態，使結晶器得到有效冷卻，使銅壁溫度保持高于再結晶溫度保證結晶器安全穩定運行。
2 板式結晶器工藝結構參數
表1為模擬估算中使用的板坯結晶器的工藝結構參數。
3 模具銅壁及冷卻水模型的構建
利用ANSYS-對完善、真實的有限元模型進行數值模擬和分析研究，討論加熱方向的變化對流體空氣溫度場的影響以及對鋁管空氣溫度分布的影響，提供理論為以后的實際生產過程提供了指導和參考依據。
3.1 模型的簡化和假設
根據板坯結晶器銅壁和冷卻水的傳質特性，結合前人的研究經驗[1-5]，提出以下假設來簡化模型：
1）提取耦合模擬估算出的板坯熱流，并將其應用到模型的銅板熱表面；
2）未考慮結晶器振動對鋼水傳質的影響；
3）忽略結晶器銅板變形，使用過程中狀況良好；
4）考慮冷卻水的重力效應，程序中輸入水的物理參數；
5）定義冷卻水出口壓力邊界條件，設定壓力為0.3Mpa；
6）水縫外實體墻的邊界條件為防滑墻；
7）冷卻水接頭進行網格加密處理，有利于冷卻水模型的收斂；
8）結晶器冷卻水為不可壓縮流體，流動狀態為紊流；
9）冷卻水從水槽上端流入，下端流出，冷卻水流量和溫度適用于水槽入口處。
3.2 銅壁冷卻水二維有限元模型
根據板坯結晶器銅壁與冷卻水之間的傳質特點，對模型進行簡化和假設，利用二維橫向結構構建了結晶器與冷卻水的二維物理模型。塊法。
定義模型的網格，選擇單位，設置字段號為1，定義冷卻水區域的網格； 然后選擇單位，設置字段號為2，繼續為實體區域定義網格，使用定義網格的方法。
構建的網格模型如圖1所示。冷卻水槽的網格密度小于結晶器銅壁的網格密度。 這是因為水封的長度較窄，冷卻水的流量較高，且細網格更加精密。 有利于模型分析時模擬冷卻水的最終收斂。 并且可以看出，在結晶器的結構中，結晶器的銅壁的高度低于冷卻水間隙的高度，并且銅壁的最左端和最上端的一部分沒有被直接冷卻。由冷卻水冷卻。
3.3 模型分析方法
本研究基于結晶器銅板和冷卻水的流熱穩態單向耦合分析。 ANSYS-中規定冷卻水流體區域的材質編號為1，材質編號2為結晶器銅板。 冷卻水和結晶器銅板通過不同材質編號進行區分，采用間接耦合方法進行流熱單向耦合分析。
3.4 初始條件和邊界條件
結晶器銅板的密度為/m3，導熱系數為390w/(m/℃)，比熱容為380J/(kg·K)。
由于結晶器冷卻水在冷卻水道內流動較快，且水道較細長，因此可以感覺到其內部的冷卻水處于不可壓縮的流場狀態。 冷卻水從下端口流入結晶器水縫管道，然后從上端口流出。 冷卻水的流動被認為是強制對流換熱過程。
定義冷卻水的邊界條件。 在冷卻水有限元模型的上部入口處，定義初始冷卻水流速和本體溫度。 水流速度為10m/s，溫度為308k。 在冷卻水有限元模型的下端，定義冷卻水出口壓力邊界條件，設定壓力為0.3MPa； 將其他實體壁邊界條件設置為無滑移壁。 選擇標準k-ε多項式模型進行求解。
打開空氣溫度控制多項式選項，同時將流體的流動狀態設置為湍流，其他保持默認，然后設置流體屬性參數，將冷卻水的物理屬性參數輸入到計算機采用表格形式，但冷卻水需要考慮垂直向上重力，將重力設置為9.8，然后設置冷卻水求解穩定性參數，將人工減振設置為0.2。
設置流體性質參數，用MP指令將不同水溫下冷卻水的粘度和導熱系數添加到程序的指令中，但要考慮冷卻水的垂直重力，將重力設置為9.8，然后設置冷卻水求解穩定性參數，人工減振設置為0.23。
4、冷卻水進水方向的變化對結晶器傳質的影響
在鋼廠實際生產中，冷卻水流入結晶器冷卻水槽的方法一般是從結晶器上端，從結晶器冷卻水槽下端流出。 改變供水方式，對結晶器傳質的影響。
4.1 加熱方向的變化對銅壁空氣溫度場的影響
改變水槽進水方向時，結晶器銅壁上的空氣溫度場如圖2所示。
4.2 加熱方向的變化對銅壁溫度變化規律的影響
當冷卻水進入水方向時，結晶器銅壁冷熱面空氣溫度變化規律如圖3所示。
從圖中可以看出，當冷卻水由正向加熱改為反向加熱時，結晶器銅板中下部、熱面和冷面的空氣溫度均出現不同程度的下降。 。 正向加熱時，銅壁最高溫度位于熱面彎液面下方約50mm處，為154.5℃水的密度跟溫度的表格，最低溫度位于冷卻入口與冷卻口的接觸區域。水縫與銅壁，即入口溫度35℃，銅板上部溫度46.5℃； 反向加熱時，銅壁彎月面區域空氣溫度為146.2℃，銅板上部最低溫度為35.3℃。
4.3 加熱方向的改變對冷卻水溫度變化規律的影響
當加熱方向改變時，冷卻水接頭下端空氣溫度分布如圖4所示。
從圖中可以看出，當加熱反向時，水槽下端為冷卻水槽入口溫度35℃，當加熱正向時，水槽下端為結晶器冷卻水槽出口溫度，最高溫度46.3℃，平均溫度42.8℃。
圖5為不同加熱方向時冷卻水槽上端溫度變化曲線。
從圖中可以看出，當冷卻水從底部進入，從頂部排出時，水槽頂部溫度為35℃； 當冷卻水自上而下流動時，水槽頂部的平均溫度為43.7℃。
4.4 逆向加熱時冷卻水量的變化規律
圖6為水層中部位置沿水層橫向的速度變化曲線。
從圖中可以看出，冷卻水在水縫下端的初速度為13m/s，并沿水流方向快速前進，在14.8m處水速達到最大值/s，距水縫下端129mm處，速度沿水流方向增大，在水縫上端，速度為14.2m/s。
5 推論
(1)正向加熱時，銅壁最低溫度點位于彎液面附近，最高溫度點位于銅壁冷面與上入口接觸的位置。水隙； 卡槽位置在銅壁上端，最高溫度點在銅壁底部。
(2)加熱形式由底部加熱改為頂部供水時，銅壁各位置空氣溫度都有不同程度的升高。 相同工藝條件下，銅壁彎月面下方50mm位置溫度升高8.3℃，銅壁下端溫度升高。 11.2°C。
(3)反向加熱時，水槽下端為冷卻水槽進口溫度35℃。 溫度為 42.8°C。
(4)反向加熱時，水縫下端冷卻水初流速為13m/s。 沿著水流的方向，速度快速前進。 在距離水縫下端129mm處，水流速度達到最大水的密度跟溫度的表格，水流速度為14.8m/s，隨后速度沿水流方向增大，在水縫上端，速度為14.2m/s。
參考：
[1]甘勇，邱勝濤，肖澤強。 連鑄過程物理化學模擬[M]． 上海：冶金工業出版社，2001。
[2] 王澤鵬，肖鵬程，朱立光，等。 方坯板坯結晶器鋁管空氣溫度場分析[J]. 鋼鐵，2018。
[3] 陶蘭標，唐宏偉，奚昌鎖，等。 淮鋼鋼坯結晶器鋁管本體溫度的測定[J]. 鋼鐵，2004，（04）：24-26+56。
[4] 韓志偉，馮軻，王勇，毛敬華。 模具銅板冷卻結構優化設計[J]. 鑄造技術，2007，06：856-858。
[5] 謝欣，陳登富，盧奎，等。 不同拉速下結晶器水縫傳質數值模擬研究[A]. 2014年省冶煉學術會議論文選集.
來源：2020年第三屆板坯高效技術與板坯質量控制研討會論文集