冷却水进入方向对结晶器传热的影响
张路平 1,2 刘增勋 1,2 肖鹏程 1,2 朱立光 2,3 徐旺 1,2
（1. 华南理工大学冶金能源学院，河南迁安；2. 山东省优质板坯技术创新中心，山东莱芜；3. 湖南科技大学）
摘要: 基于ANSYS仿真平台，对方坯结晶器内冷却水与铜壁之间的传质进行数值模拟研究。 详细介绍了改变冷却水加热方向对冷却水温度场和铜壁湿度场的影响。 仿真结果能够准确表达结晶器的真实传质状况，为优化结晶器水隙设计和冷却工艺参数提供参考。
关键词：结晶器传质； 冷却过程； 数值模拟
水在模具热作用下的理论
张,2刘,2肖,2朱,2徐旺1,2
(1.河北华北;2.河北高钢,河北)
：根据 ANSYS，模具壁的热量已消失。 这在水的速度，以及水在水场和墙场上的影响。
：模具热；；
1 序言
冷却水与铜壁之间的对流传热行为直接受冷却水流量和水隙内温度分布的影响。 合理的水槽间距和布置，使水槽内的冷却水能够获得较高的流量。 水隙中产生高速紊流，保证冷却水与铜壁良好的对流换热状态，使结晶器得到有效冷却，使铜壁温度保持高于再结晶温度保证结晶器安全稳定运行。
2 板式结晶器工艺结构参数
表1为模拟估算中使用的板坯结晶器的工艺结构参数。
3 模具铜壁及冷却水模型的构建
利用ANSYS-对完善、真实的有限元模型进行数值模拟和分析研究，讨论加热方向的变化对流体空气温度场的影响以及对铝管空气温度分布的影响，提供理论为以后的实际生产过程提供了指导和参考依据。
3.1 模型的简化和假设
根据板坯结晶器铜壁和冷却水的传质特性，结合前人的研究经验[1-5]，提出以下假设来简化模型：
1）提取耦合模拟估算出的板坯热流，并将其应用到模型的铜板热表面；
2）未考虑结晶器振动对钢水传质的影响；
3）忽略结晶器铜板变形，使用过程中状况良好；
4）考虑冷却水的重力效应，程序中输入水的物理参数；
5）定义冷却水出口压力边界条件，设定压力为0.3Mpa；
6）水缝外实体墙的边界条件为防滑墙；
7）冷却水接头进行网格加密处理，有利于冷却水模型的收敛；
8）结晶器冷却水为不可压缩流体，流动状态为紊流；
9）冷却水从水槽上端流入，下端流出，冷却水流量和温度适用于水槽入口处。
3.2 铜壁冷却水二维有限元模型
根据板坯结晶器铜壁与冷却水之间的传质特点，对模型进行简化和假设，利用二维横向结构构建了结晶器与冷却水的二维物理模型。块法。
定义模型的网格，选择单位，设置字段号为1，定义冷却水区域的网格； 然后选择单位，设置字段号为2，继续为实体区域定义网格，使用定义网格的方法。
构建的网格模型如图1所示。冷却水槽的网格密度小于结晶器铜壁的网格密度。 这是因为水封的长度较窄，冷却水的流量较高，且细网格更加精密。 有利于模型分析时模拟冷却水的最终收敛。 并且可以看出，在结晶器的结构中，结晶器的铜壁的高度低于冷却水间隙的高度，并且铜壁的最左端和最上端的一部分没有被直接冷却。由冷却水冷却。
3.3 模型分析方法
本研究基于结晶器铜板和冷却水的流热稳态单向耦合分析。 ANSYS-中规定冷却水流体区域的材质编号为1，材质编号2为结晶器铜板。 冷却水和结晶器铜板通过不同材质编号进行区分，采用间接耦合方法进行流热单向耦合分析。
3.4 初始条件和边界条件
结晶器铜板的密度为/m3，导热系数为390w/(m/℃)，比热容为380J/(kg·K)。
由于结晶器冷却水在冷却水道内流动较快，且水道较细长，因此可以感觉到其内部的冷却水处于不可压缩的流场状态。 冷却水从下端口流入结晶器水缝管道，然后从上端口流出。 冷却水的流动被认为是强制对流换热过程。
定义冷却水的边界条件。 在冷却水有限元模型的上部入口处，定义初始冷却水流速和本体温度。 水流速度为10m/s，温度为308k。 在冷却水有限元模型的下端，定义冷却水出口压力边界条件，设定压力为0.3MPa； 将其他实体壁边界条件设置为无滑移壁。 选择标准k-ε多项式模型进行求解。
打开空气温度控制多项式选项，同时将流体的流动状态设置为湍流，其他保持默认，然后设置流体属性参数，将冷却水的物理属性参数输入到计算机采用表格形式，但冷却水需要考虑垂直向上重力，将重力设置为9.8，然后设置冷却水求解稳定性参数，将人工减振设置为0.2。
设置流体性质参数，用MP指令将不同水温下冷却水的粘度和导热系数添加到程序的指令中，但要考虑冷却水的垂直重力，将重力设置为9.8，然后设置冷却水求解稳定性参数，人工减振设置为0.23。
4、冷却水进水方向的变化对结晶器传质的影响
在钢厂实际生产中，冷却水流入结晶器冷却水槽的方法一般是从结晶器上端，从结晶器冷却水槽下端流出。 改变供水方式，对结晶器传质的影响。
4.1 加热方向的变化对铜壁空气温度场的影响
改变水槽进水方向时，结晶器铜壁上的空气温度场如图2所示。
4.2 加热方向的变化对铜壁温度变化规律的影响
当冷却水进入水方向时，结晶器铜壁冷热面空气温度变化规律如图3所示。
从图中可以看出，当冷却水由正向加热改为反向加热时，结晶器铜板中下部、热面和冷面的空气温度均出现不同程度的下降。 。 正向加热时，铜壁最高温度位于热面弯液面下方约50mm处，为154.5℃水的密度跟温度的表格，最低温度位于冷却入口与冷却口的接触区域。水缝与铜壁，即入口温度35℃，铜板上部温度46.5℃； 反向加热时，铜壁弯月面区域空气温度为146.2℃，铜板上部最低温度为35.3℃。
4.3 加热方向的改变对冷却水温度变化规律的影响
当加热方向改变时，冷却水接头下端空气温度分布如图4所示。
从图中可以看出，当加热反向时，水槽下端为冷却水槽入口温度35℃，当加热正向时，水槽下端为结晶器冷却水槽出口温度，最高温度46.3℃，平均温度42.8℃。
图5为不同加热方向时冷却水槽上端温度变化曲线。
从图中可以看出，当冷却水从底部进入，从顶部排出时，水槽顶部温度为35℃； 当冷却水自上而下流动时，水槽顶部的平均温度为43.7℃。
4.4 逆向加热时冷却水量的变化规律
图6为水层中部位置沿水层横向的速度变化曲线。
从图中可以看出，冷却水在水缝下端的初速度为13m/s，并沿水流方向快速前进，在14.8m处水速达到最大值/s，距水缝下端129mm处，速度沿水流方向增大，在水缝上端，速度为14.2m/s。
5 推论
(1)正向加热时，铜壁最低温度点位于弯液面附近，最高温度点位于铜壁冷面与上入口接触的位置。水隙； 卡槽位置在铜壁上端，最高温度点在铜壁底部。
(2)加热形式由底部加热改为顶部供水时，铜壁各位置空气温度都有不同程度的升高。 相同工艺条件下，铜壁弯月面下方50mm位置温度升高8.3℃，铜壁下端温度升高。 11.2°C。
(3)反向加热时，水槽下端为冷却水槽进口温度35℃。 温度为 42.8°C。
(4)反向加热时，水缝下端冷却水初流速为13m/s。 沿着水流的方向，速度快速前进。 在距离水缝下端129mm处，水流速度达到最大水的密度跟温度的表格，水流速度为14.8m/s，随后速度沿水流方向增大，在水缝上端，速度为14.2m/s。
参考：
[1]甘勇，邱胜涛，肖泽强。 连铸过程物理化学模拟[M]． 上海：冶金工业出版社，2001。
[2] 王泽鹏，肖鹏程，朱立光，等。 方坯板坯结晶器铝管空气温度场分析[J]. 钢铁，2018。
[3] 陶兰标，唐宏伟，奚昌锁，等。 淮钢钢坯结晶器铝管本体温度的测定[J]. 钢铁，2004，（04）：24-26+56。
[4] 韩志伟，冯轲，王勇，毛敬华。 模具铜板冷却结构优化设计[J]. 铸造技术，2007，06：856-858。
[5] 谢欣，陈登富，卢奎，等。 不同拉速下结晶器水缝传质数值模拟研究[A]. 2014年省冶炼学术会议论文选集.
来源：2020年第三届板坯高效技术与板坯质量控制研讨会论文集