冷卻水進(jìn)入方向?qū)Y(jié)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(xué)冶金能源學(xué)院，河南遷安；2. 山東省優(yōu)質(zhì)板坯技術(shù)創(chuàng)新中心，山東萊蕪；3. 湖南科技大學(xué)）
摘要: 基于ANSYS仿真平臺(tái)，對(duì)方坯結(jié)晶器內(nèi)冷卻水與銅壁之間的傳質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。 詳細(xì)介紹了改變冷卻水加熱方向?qū)鋮s水溫度場(chǎng)和銅壁濕度場(chǎng)的影響。 仿真結(jié)果能夠準(zhǔn)確表達(dá)結(jié)晶器的真實(shí)傳質(zhì)狀況，為優(yōu)化結(jié)晶器水隙設(shè)計(jì)和冷卻工藝參數(shù)提供參考。
關(guān)鍵詞：結(jié)晶器傳質(zhì)； 冷卻過程； 數(shù)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(jù) ANSYS，模具壁的熱量已消失。 這在水的速度，以及水在水場(chǎng)和墻場(chǎng)上的影響。
：模具熱；；
1 序言
冷卻水與銅壁之間的對(duì)流傳熱行為直接受冷卻水流量和水隙內(nèi)溫度分布的影響。 合理的水槽間距和布置，使水槽內(nèi)的冷卻水能夠獲得較高的流量。 水隙中產(chǎn)生高速紊流，保證冷卻水與銅壁良好的對(duì)流換熱狀態(tài)，使結(jié)晶器得到有效冷卻，使銅壁溫度保持高于再結(jié)晶溫度保證結(jié)晶器安全穩(wěn)定運(yùn)行。
2 板式結(jié)晶器工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)
表1為模擬估算中使用的板坯結(jié)晶器的工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)。
3 模具銅壁及冷卻水模型的構(gòu)建
利用ANSYS-對(duì)完善、真實(shí)的有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬和分析研究，討論加熱方向的變化對(duì)流體空氣溫度場(chǎng)的影響以及對(duì)鋁管空氣溫度分布的影響，提供理論為以后的實(shí)際生產(chǎn)過程提供了指導(dǎo)和參考依據(jù)。
3.1 模型的簡(jiǎn)化和假設(shè)
根據(jù)板坯結(jié)晶器銅壁和冷卻水的傳質(zhì)特性，結(jié)合前人的研究經(jīng)驗(yàn)[1-5]，提出以下假設(shè)來簡(jiǎn)化模型：
1）提取耦合模擬估算出的板坯熱流，并將其應(yīng)用到模型的銅板熱表面；
2）未考慮結(jié)晶器振動(dòng)對(duì)鋼水傳質(zhì)的影響；
3）忽略結(jié)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(yīng)，程序中輸入水的物理參數(shù)；
5）定義冷卻水出口壓力邊界條件，設(shè)定壓力為0.3Mpa；
6）水縫外實(shí)體墻的邊界條件為防滑墻；
7）冷卻水接頭進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，有利于冷卻水模型的收斂；
8）結(jié)晶器冷卻水為不可壓縮流體，流動(dòng)狀態(tài)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(jù)板坯結(jié)晶器銅壁與冷卻水之間的傳質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和假設(shè)，利用二維橫向結(jié)構(gòu)構(gòu)建了結(jié)晶器與冷卻水的二維物理模型。塊法。
定義模型的網(wǎng)格，選擇單位，設(shè)置字段號(hào)為1，定義冷卻水區(qū)域的網(wǎng)格； 然后選擇單位，設(shè)置字段號(hào)為2，繼續(xù)為實(shí)體區(qū)域定義網(wǎng)格，使用定義網(wǎng)格的方法。
構(gòu)建的網(wǎng)格模型如圖1所示。冷卻水槽的網(wǎng)格密度小于結(jié)晶器銅壁的網(wǎng)格密度。 這是因?yàn)樗獾拈L度較窄，冷卻水的流量較高，且細(xì)網(wǎng)格更加精密。 有利于模型分析時(shí)模擬冷卻水的最終收斂。 并且可以看出，在結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)中，結(jié)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(jié)晶器銅板和冷卻水的流熱穩(wěn)態(tài)單向耦合分析。 ANSYS-中規(guī)定冷卻水流體區(qū)域的材質(zhì)編號(hào)為1，材質(zhì)編號(hào)2為結(jié)晶器銅板。 冷卻水和結(jié)晶器銅板通過不同材質(zhì)編號(hào)進(jìn)行區(qū)分，采用間接耦合方法進(jìn)行流熱單向耦合分析。
3.4 初始條件和邊界條件
結(jié)晶器銅板的密度為/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為390w/(m/℃)，比熱容為380J/(kg·K)。
由于結(jié)晶器冷卻水在冷卻水道內(nèi)流動(dòng)較快，且水道較細(xì)長，因此可以感覺到其內(nèi)部的冷卻水處于不可壓縮的流場(chǎng)狀態(tài)。 冷卻水從下端口流入結(jié)晶器水縫管道，然后從上端口流出。 冷卻水的流動(dòng)被認(rèn)為是強(qiáng)制對(duì)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(shè)定壓力為0.3MPa； 將其他實(shí)體壁邊界條件設(shè)置為無滑移壁。 選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε多項(xiàng)式模型進(jìn)行求解。
打開空氣溫度控制多項(xiàng)式選項(xiàng)，同時(shí)將流體的流動(dòng)狀態(tài)設(shè)置為湍流，其他保持默認(rèn)，然后設(shè)置流體屬性參數(shù)，將冷卻水的物理屬性參數(shù)輸入到計(jì)算機(jī)采用表格形式，但冷卻水需要考慮垂直向上重力，將重力設(shè)置為9.8，然后設(shè)置冷卻水求解穩(wěn)定性參數(shù)，將人工減振設(shè)置為0.2。
設(shè)置流體性質(zhì)參數(shù)，用MP指令將不同水溫下冷卻水的粘度和導(dǎo)熱系數(shù)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(shè)置為9.8，然后設(shè)置冷卻水求解穩(wěn)定性參數(shù)，人工減振設(shè)置為0.23。
4、冷卻水進(jìn)水方向的變化對(duì)結(jié)晶器傳質(zhì)的影響
在鋼廠實(shí)際生產(chǎn)中，冷卻水流入結(jié)晶器冷卻水槽的方法一般是從結(jié)晶器上端，從結(jié)晶器冷卻水槽下端流出。 改變供水方式，對(duì)結(jié)晶器傳質(zhì)的影響。
4.1 加熱方向的變化對(duì)銅壁空氣溫度場(chǎng)的影響
改變水槽進(jìn)水方向時(shí)，結(jié)晶器銅壁上的空氣溫度場(chǎng)如圖2所示。
4.2 加熱方向的變化對(duì)銅壁溫度變化規(guī)律的影響
當(dāng)冷卻水進(jìn)入水方向時(shí)，結(jié)晶器銅壁冷熱面空氣溫度變化規(guī)律如圖3所示。
從圖中可以看出，當(dāng)冷卻水由正向加熱改為反向加熱時(shí)，結(jié)晶器銅板中下部、熱面和冷面的空氣溫度均出現(xiàn)不同程度的下降。 。 正向加熱時(shí)，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(qū)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(shí)，銅壁彎月面區(qū)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(duì)冷卻水溫度變化規(guī)律的影響
當(dāng)加熱方向改變時(shí)，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(dāng)加熱反向時(shí)，水槽下端為冷卻水槽入口溫度35℃，當(dāng)加熱正向時(shí)，水槽下端為結(jié)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(shí)冷卻水槽上端溫度變化曲線。
從圖中可以看出，當(dāng)冷卻水從底部進(jìn)入，從頂部排出時(shí)，水槽頂部溫度為35℃； 當(dāng)冷卻水自上而下流動(dòng)時(shí)，水槽頂部的平均溫度為43.7℃。
4.4 逆向加熱時(shí)冷卻水量的變化規(guī)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(jìn)，在14.8m處水速達(dá)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(shí)，銅壁最低溫度點(diǎn)位于彎液面附近，最高溫度點(diǎn)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(diǎn)在銅壁底部。
(2)加熱形式由底部加熱改為頂部供水時(shí)，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(shí)，水槽下端為冷卻水槽進(jìn)口溫度35℃。 溫度為 42.8°C。
(4)反向加熱時(shí)，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(jìn)。 在距離水縫下端129mm處，水流速度達(dá)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(qiáng)。 連鑄過程物理化學(xué)模擬[M]． 上海：冶金工業(yè)出版社，2001。
[2] 王澤鵬，肖鵬程，朱立光，等。 方坯板坯結(jié)晶器鋁管空氣溫度場(chǎng)分析[J]. 鋼鐵，2018。
[3] 陶蘭標(biāo)，唐宏偉，奚昌鎖，等。 淮鋼鋼坯結(jié)晶器鋁管本體溫度的測(cè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 鑄造技術(shù)，2007，06：856-858。
[5] 謝欣，陳登富，盧奎，等。 不同拉速下結(jié)晶器水縫傳質(zhì)數(shù)值模擬研究[A]. 2014年省冶煉學(xué)術(shù)會(huì)議論文選集.
來源：2020年第三屆板坯高效技術(shù)與板坯質(zhì)量控制研討會(huì)論文集