基于多尺度模擬的薄板坯連鑄結(jié)晶器鋼液流動(dòng)行為解析與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義薄板坯連鑄技術(shù)自20世紀(jì)80年代問世以來，以其高效、節(jié)能、流程短等顯著優(yōu)勢，迅速成為鋼鐵工業(yè)的研究熱點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展方向之一。薄板坯連鑄連軋技術(shù)是一種將連鑄與軋制工藝有機(jī)結(jié)合的先進(jìn)技術(shù)，其原理是在連鑄機(jī)上直接鑄造出較薄的坯料，隨后通過連續(xù)軋制工藝使其達(dá)到所需的厚度和形狀。傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)工藝中，從鋼水到最終的板材產(chǎn)品，需要經(jīng)過多個(gè)獨(dú)立的工序，不僅生產(chǎn)周期長，而且能源消耗大，設(shè)備投資成本高。而薄板坯連鑄技術(shù)能夠在連鑄機(jī)上直接生產(chǎn)出厚度較薄的板坯，大大縮短了工藝流程，減少了中間環(huán)節(jié)的熱量損失和金屬消耗，從而提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。目前，全球已有多個(gè)國家成功地應(yīng)用薄板坯連鑄連軋技術(shù)進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)，中國作為世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國，也在積極推廣和應(yīng)用這一技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2024年，中國已有多家鋼鐵企業(yè)建成并投產(chǎn)了薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線，產(chǎn)能不斷提升。薄板坯連鑄技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、建筑等行業(yè)，為這些行業(yè)的發(fā)展提供了高質(zhì)量的原材料支持。在薄板坯連鑄過程中，結(jié)晶器作為核心部件，其內(nèi)部鋼液的流動(dòng)行為對(duì)鑄坯質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)直接影響著結(jié)晶器內(nèi)的傳熱和夾雜物的上浮，進(jìn)而影響鑄坯的潔凈度、表面缺陷和內(nèi)部缺陷等質(zhì)量指標(biāo)。不合理的鋼液流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)氣泡、夾雜物等缺陷，還可能引發(fā)保護(hù)渣的卷入，造成皮下夾渣，嚴(yán)重影響鑄坯質(zhì)量。鋼液的流動(dòng)還會(huì)對(duì)結(jié)晶器壁產(chǎn)生沖刷作用，影響結(jié)晶器的使用壽命。鋼液從浸入式水口注入結(jié)晶器后，形成很強(qiáng)的射流，與結(jié)晶器壁碰撞后改變方向，形成向上和向下的兩個(gè)流股。向上的流股在結(jié)晶器自由表面附近形成一個(gè)較強(qiáng)的回流，影響自由表面波動(dòng)，從而影響保護(hù)渣的熔化和卷入；向下流股的沖擊深度和渦心高度直接影響鋼中夾雜物和氣泡的上浮以及熱流密度的分布，決定了坯殼的均勻生長和生產(chǎn)的順行。為了深入了解薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為，數(shù)學(xué)物理模擬方法成為了重要的研究手段。數(shù)學(xué)模擬能夠通過建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)、傳熱等復(fù)雜物理過程進(jìn)行數(shù)值求解，得到詳細(xì)的物理參數(shù)分布，如鋼液流速、溫度場等。物理模擬則是利用相似原理，通過水模型或其他模擬介質(zhì)來模擬結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動(dòng)現(xiàn)象，直觀地觀察和測量流場特征。通過數(shù)學(xué)物理模擬，可以在實(shí)際生產(chǎn)之前對(duì)不同工藝參數(shù)下的鋼液流動(dòng)行為進(jìn)行預(yù)測和分析，為優(yōu)化連鑄工藝、改進(jìn)結(jié)晶器設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，從而提高鑄坯質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在薄板坯連鑄結(jié)晶器鋼液流動(dòng)行為模擬研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量富有成效的工作，為該領(lǐng)域的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。國外方面，早期的研究主要集中在建立基本的數(shù)學(xué)模型和物理模擬方法上。例如，[國外學(xué)者1]率先利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)進(jìn)行了初步模擬，通過求解Navier-Stokes方程，得到了鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的流速分布，為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。[國外學(xué)者2]則通過水模型實(shí)驗(yàn)，直觀地觀察了鋼液的流動(dòng)形態(tài)，研究了浸入式水口結(jié)構(gòu)對(duì)鋼液流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)水口側(cè)孔角度和直徑的變化會(huì)顯著改變鋼液的射流方向和流速。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究逐漸深入到多物理場耦合以及復(fù)雜工藝條件下的鋼液流動(dòng)行為。[國外學(xué)者3]考慮了結(jié)晶器內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)以及凝固過程，建立了三維多物理場耦合模型，模擬分析了鋼液溫度場、濃度場與流場之間的相互作用，揭示了鋼液凝固過程中夾雜物的運(yùn)動(dòng)軌跡和聚集規(guī)律。[國外學(xué)者4]針對(duì)薄板坯連鑄過程中高速拉坯的工況，研究了高拉速下鋼液的流動(dòng)特性及其對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)高拉速會(huì)導(dǎo)致鋼液表面波動(dòng)加劇，增加卷渣的風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。眾多科研機(jī)構(gòu)和高校在該領(lǐng)域投入了大量的研究力量。[國內(nèi)學(xué)者1]以國內(nèi)某薄板坯連鑄生產(chǎn)線為背景，建立了考慮自由液面波動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，采用VOF（VolumeofFluid）方法追蹤鋼液的自由液面，研究了拉坯速度、水口浸入深度等工藝參數(shù)對(duì)液面波動(dòng)和鋼液流場的影響，提出了優(yōu)化工藝參數(shù)以減少液面波動(dòng)的措施。[國內(nèi)學(xué)者2]通過物理模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入研究了結(jié)晶器內(nèi)氣泡對(duì)鋼液流動(dòng)行為的影響，發(fā)現(xiàn)氣泡的存在會(huì)改變鋼液的流動(dòng)形態(tài)，促進(jìn)鋼液的混合，同時(shí)也會(huì)影響夾雜物的上浮去除。盡管國內(nèi)外在薄板坯連鑄結(jié)晶器鋼液流動(dòng)行為模擬方面取得了豐碩的成果，但仍存在一些不足之處。一方面，目前的研究大多集中在常規(guī)工藝條件下的鋼液流動(dòng)行為，對(duì)于一些特殊鋼種或極端工藝條件下的研究相對(duì)較少。特殊鋼種由于其成分和性能的特殊性，鋼液的物理性質(zhì)和流動(dòng)行為可能與普通鋼種存在較大差異，需要進(jìn)一步深入研究。另一方面，在多物理場耦合模擬中，各物理場之間的耦合機(jī)制還不夠完善，部分模型假設(shè)與實(shí)際情況存在一定偏差，導(dǎo)致模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有待提高。此外，對(duì)于結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)與鑄坯質(zhì)量之間的定量關(guān)系，還缺乏系統(tǒng)深入的研究，難以實(shí)現(xiàn)通過精確控制鋼液流動(dòng)來全面提升鑄坯質(zhì)量的目標(biāo)。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在通過數(shù)學(xué)物理模擬的方法，深入探究薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為，揭示其內(nèi)在規(guī)律，為薄板坯連鑄工藝的優(yōu)化和鑄坯質(zhì)量的提高提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。具體研究目標(biāo)與內(nèi)容如下：建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)物理模型：基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論，結(jié)合薄板坯連鑄結(jié)晶器的實(shí)際結(jié)構(gòu)和工藝條件，建立三維非穩(wěn)態(tài)的鋼液流動(dòng)數(shù)學(xué)模型。模型充分考慮鋼液的粘性、密度、表面張力等物理性質(zhì)，以及結(jié)晶器內(nèi)的傳熱、凝固等過程。同時(shí)，運(yùn)用相似原理，設(shè)計(jì)并搭建物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，制作與實(shí)際結(jié)晶器幾何相似的水模型，通過實(shí)驗(yàn)測量獲取流場的相關(guān)數(shù)據(jù)，為數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證和校準(zhǔn)提供依據(jù)。研究多因素對(duì)鋼液流動(dòng)行為的影響：系統(tǒng)分析拉坯速度、浸入式水口結(jié)構(gòu)（如側(cè)孔角度、直徑、浸入深度）、結(jié)晶器斷面尺寸、保護(hù)渣性能等因素對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的影響規(guī)律。通過數(shù)學(xué)模擬和物理實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)研究不同因素變化時(shí)鋼液的流速分布、流場形態(tài)、自由液面波動(dòng)等參數(shù)的變化情況。研究拉坯速度增加時(shí)，鋼液的流速如何變化，自由液面的波動(dòng)是否加??；浸入式水口側(cè)孔角度改變時(shí)，鋼液的射流方向和沖擊深度如何受到影響，進(jìn)而影響夾雜物的上浮和鑄坯質(zhì)量。模擬結(jié)果的驗(yàn)證與分析：將數(shù)學(xué)模擬結(jié)果與物理模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析，揭示鋼液流動(dòng)行為與鑄坯質(zhì)量之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過模擬結(jié)果分析，明確結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)不均勻可能導(dǎo)致鑄坯出現(xiàn)哪些缺陷，如裂紋、偏析等；研究如何通過優(yōu)化鋼液流動(dòng)來提高鑄坯的潔凈度和內(nèi)部質(zhì)量。提出優(yōu)化策略：根據(jù)研究結(jié)果，提出針對(duì)薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的優(yōu)化策略，包括優(yōu)化浸入式水口結(jié)構(gòu)、調(diào)整工藝參數(shù)等。通過模擬計(jì)算，預(yù)測優(yōu)化策略實(shí)施后的鋼液流動(dòng)效果和鑄坯質(zhì)量改善情況，為實(shí)際生產(chǎn)提供具體的指導(dǎo)方案。提出一種新型的浸入式水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過模擬驗(yàn)證其能夠有效改善鋼液流動(dòng)，減少液面波動(dòng)，提高鑄坯質(zhì)量。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用數(shù)值模擬與物理模擬相結(jié)合的方法，深入探究薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為。在數(shù)值模擬方面，選用專業(yè)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等，建立精確的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。依據(jù)薄板坯連鑄結(jié)晶器的實(shí)際幾何尺寸、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工藝參數(shù)，對(duì)結(jié)晶器進(jìn)行合理的幾何建模。充分考慮鋼液的粘性、密度、表面張力等物理性質(zhì)，以及結(jié)晶器內(nèi)的傳熱、凝固等復(fù)雜過程，通過求解Navier-Stokes方程、能量方程和連續(xù)性方程等控制方程，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的數(shù)值模擬。在模型建立過程中，采用合適的湍流模型，如k-ε模型、k-ω模型等，以準(zhǔn)確描述鋼液的湍流特性；運(yùn)用VOF（VolumeofFluid）方法追蹤鋼液的自由液面，模擬自由液面的波動(dòng)情況。同時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，確保在關(guān)鍵區(qū)域（如浸入式水口附近、結(jié)晶器壁面等）具有足夠的網(wǎng)格精度，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。物理模擬則依據(jù)相似原理，搭建與實(shí)際結(jié)晶器幾何相似的水模型實(shí)驗(yàn)裝置。根據(jù)相似準(zhǔn)則，如弗勞德數(shù)（Fr）、雷諾數(shù)（Re）等，確定水模型的尺寸比例和實(shí)驗(yàn)條件，確保水模型中的流動(dòng)現(xiàn)象與實(shí)際結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)具有相似性。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括水箱、水泵、流量控制系統(tǒng)、模擬結(jié)晶器、浸入式水口模型等。通過在水模型中添加示蹤粒子，利用粒子圖像測速技術(shù)（PIV）、激光多普勒測速技術(shù)（LDV）等先進(jìn)測量手段，測量水模型內(nèi)流場的速度分布、流場形態(tài)等參數(shù)；采用高速攝像機(jī)記錄自由液面的波動(dòng)情況，獲取直觀的流動(dòng)圖像。本研究的技術(shù)路線如下：首先，收集和整理薄板坯連鑄結(jié)晶器的相關(guān)資料，包括實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、結(jié)晶器結(jié)構(gòu)尺寸等，為模型建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然后，分別開展數(shù)值模擬和物理模擬工作。在數(shù)值模擬中，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分，通過求解控制方程得到模擬結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行初步分析。在物理模擬中，搭建水模型實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。接著，將數(shù)值模擬結(jié)果與物理模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。若模型存在偏差，則對(duì)模型進(jìn)行修正和優(yōu)化，重新進(jìn)行模擬計(jì)算。最后，對(duì)驗(yàn)證后的模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析，研究多因素對(duì)鋼液流動(dòng)行為的影響規(guī)律，揭示鋼液流動(dòng)行為與鑄坯質(zhì)量之間的內(nèi)在聯(lián)系，提出針對(duì)薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的優(yōu)化策略，并通過模擬計(jì)算預(yù)測優(yōu)化策略實(shí)施后的效果。二、薄板坯連鑄結(jié)晶器及鋼液流動(dòng)行為概述2.1薄板坯連鑄結(jié)晶器結(jié)構(gòu)與工作原理薄板坯連鑄結(jié)晶器作為連鑄過程的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理對(duì)鑄坯質(zhì)量起著決定性作用。結(jié)晶器主要由銅板、冷卻系統(tǒng)、浸入式水口、保護(hù)渣等部件組成，各部件相互配合，共同完成鋼液的凝固成型過程。結(jié)晶器的銅板是直接與鋼液接觸的關(guān)鍵部件，通常采用導(dǎo)熱性能良好的銅合金材料制成，如鉻鋯銅等。銅板分為寬面銅板和窄面銅板，其內(nèi)壁形狀與鑄坯的斷面形狀相匹配。以常見的薄板坯連鑄結(jié)晶器為例，其斷面形狀多為矩形或接近矩形，寬面銅板的長度根據(jù)鑄坯的寬度而定，一般在數(shù)米左右，窄面銅板的長度則相對(duì)較短，對(duì)應(yīng)鑄坯的厚度方向。銅板的厚度也有嚴(yán)格要求，既要保證良好的導(dǎo)熱性能，能夠快速將鋼液的熱量導(dǎo)出，促進(jìn)凝固，又要具備足夠的強(qiáng)度和耐磨性，以承受鋼液的高溫和沖刷作用。在銅板的內(nèi)表面，通常會(huì)進(jìn)行特殊處理，如鍍鎳等，以提高其抗熱疲勞性能和表面質(zhì)量，減少鑄坯與銅板之間的摩擦，防止鑄坯表面產(chǎn)生缺陷。冷卻系統(tǒng)是結(jié)晶器的重要組成部分，其作用是通過強(qiáng)制冷卻，將鋼液的熱量迅速帶走，使鋼液在結(jié)晶器內(nèi)快速凝固形成坯殼。冷卻系統(tǒng)主要由冷卻水箱、冷卻水管路和冷卻介質(zhì)組成。冷卻水箱通常環(huán)繞在銅板的外側(cè)，與銅板緊密貼合，以確保良好的熱傳遞。冷卻水管路將冷卻介質(zhì)引入冷卻水箱，在水箱內(nèi)形成循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)銅板的冷卻。常見的冷卻介質(zhì)為水，水具有比熱容大、成本低、易獲取等優(yōu)點(diǎn)。冷卻水流經(jīng)冷卻水箱時(shí)，吸收銅板傳遞過來的熱量，自身溫度升高，然后通過冷卻水管路流出結(jié)晶器，經(jīng)過冷卻處理后再循環(huán)使用。冷卻系統(tǒng)的冷卻強(qiáng)度可以通過調(diào)節(jié)冷卻水流速、水溫等參數(shù)來控制，以適應(yīng)不同鋼種、不同工藝條件下的冷卻需求。浸入式水口是將鋼液引入結(jié)晶器的重要通道，其結(jié)構(gòu)和位置對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為有著顯著影響。浸入式水口一般由耐火材料制成，以承受鋼液的高溫和沖刷。其形狀通常為管狀，底部設(shè)有側(cè)孔或底孔，鋼液通過這些孔進(jìn)入結(jié)晶器。水口的浸入深度是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，一般在幾十毫米到幾百毫米之間，具體數(shù)值根據(jù)鑄坯的厚度、拉坯速度等因素進(jìn)行調(diào)整。合適的浸入深度可以保證鋼液在結(jié)晶器內(nèi)均勻分布，避免鋼液直接沖擊結(jié)晶器壁，減少卷渣等缺陷的產(chǎn)生。保護(hù)渣在薄板坯連鑄過程中也起著不可或缺的作用。保護(hù)渣覆蓋在結(jié)晶器內(nèi)鋼液的表面，形成一層連續(xù)的渣膜。其主要作用包括：絕熱保溫，減少鋼液表面的熱量散失，保持鋼液溫度均勻；吸收上浮的夾雜物，凈化鋼液；在鑄坯與結(jié)晶器壁之間形成潤滑膜，降低摩擦力，防止鑄坯粘連和裂紋的產(chǎn)生。保護(hù)渣的性能要求嚴(yán)格，包括熔點(diǎn)、粘度、熔化速度、堿度等參數(shù)都需要根據(jù)鋼種和工藝條件進(jìn)行優(yōu)化選擇。在薄板坯連鑄過程中，鋼液通過浸入式水口注入結(jié)晶器后，迅速與結(jié)晶器壁接觸。由于結(jié)晶器壁的冷卻作用，鋼液在結(jié)晶器壁附近首先凝固形成一層初始坯殼。隨著拉坯的進(jìn)行，坯殼不斷向下移動(dòng)，同時(shí)鋼液繼續(xù)從浸入式水口注入，補(bǔ)充到結(jié)晶器內(nèi)。在這個(gè)過程中，冷卻系統(tǒng)持續(xù)將鋼液的熱量導(dǎo)出，使坯殼不斷增厚。鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的凝固是一個(gè)復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)和流動(dòng)過程，受到多種因素的影響，如鋼液的溫度、流速、結(jié)晶器的冷卻強(qiáng)度、保護(hù)渣的性能等。隨著鋼液的不斷凝固和坯殼的增厚，當(dāng)坯殼達(dá)到一定厚度后，鑄坯具備了足夠的強(qiáng)度和形狀穩(wěn)定性，可以從結(jié)晶器下口拉出，進(jìn)入二次冷卻區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步的凝固和冷卻。在整個(gè)凝固成型過程中，結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為對(duì)鑄坯質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。合理的鋼液流動(dòng)可以促進(jìn)鋼液的均勻混合，使溫度和成分分布更加均勻，有利于夾雜物的上浮去除；而不合理的鋼液流動(dòng)則可能導(dǎo)致鑄坯出現(xiàn)各種缺陷，如氣泡、夾雜物、裂紋等。2.2鋼液流動(dòng)行為對(duì)連鑄過程的影響在薄板坯連鑄過程中，結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為對(duì)傳熱、傳質(zhì)過程以及鑄坯質(zhì)量有著深遠(yuǎn)的影響，是決定連鑄工藝成敗和鑄坯質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一。鋼液流速對(duì)傳熱過程的影響顯著。較高的鋼液流速能夠增強(qiáng)鋼液與結(jié)晶器壁之間的對(duì)流換熱，加快熱量傳遞速度。當(dāng)鋼液從浸入式水口高速注入結(jié)晶器時(shí)，形成的高速射流與結(jié)晶器壁碰撞，使鋼液與結(jié)晶器壁的接觸更加充分，熱量能夠更迅速地從鋼液傳遞到結(jié)晶器壁，進(jìn)而通過冷卻系統(tǒng)帶走。這有助于促進(jìn)鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的快速凝固，形成初始坯殼。若鋼液流速過高，可能導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)溫度分布不均勻。高速流動(dòng)的鋼液在某些區(qū)域形成較強(qiáng)的對(duì)流，帶走大量熱量，使這些區(qū)域的鋼液溫度迅速降低，而其他區(qū)域的熱量傳遞相對(duì)較慢，從而造成溫度梯度增大。這種溫度不均勻分布會(huì)影響坯殼的均勻生長，可能導(dǎo)致鑄坯表面溫度差異較大，增加鑄坯產(chǎn)生裂紋等缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。鋼液流向也在傳熱過程中扮演重要角色。合理的鋼液流向可以使結(jié)晶器內(nèi)的溫度場更加均勻。當(dāng)鋼液從浸入式水口流出后，形成的向上和向下的流股能夠在結(jié)晶器內(nèi)形成良好的循環(huán)流動(dòng)，使鋼液中的熱量均勻分布，避免局部過熱或過冷現(xiàn)象的出現(xiàn)。向上的流股在結(jié)晶器自由表面附近形成的回流，能夠?qū)崃總鬟f到鋼液表面，促進(jìn)保護(hù)渣的熔化和均勻分布，進(jìn)一步增強(qiáng)保溫和潤滑效果。相反，若鋼液流向不合理，如出現(xiàn)偏流等情況，會(huì)導(dǎo)致熱量集中在某些區(qū)域，使這些區(qū)域的坯殼生長過快或過慢，破壞坯殼的均勻性，影響鑄坯質(zhì)量。在傳質(zhì)方面，鋼液流動(dòng)行為對(duì)夾雜物的傳輸和上浮去除起著關(guān)鍵作用。鋼液的流動(dòng)能夠帶動(dòng)夾雜物在結(jié)晶器內(nèi)運(yùn)動(dòng)。合適的流速和流向可以使夾雜物更容易上浮到鋼液表面，被保護(hù)渣吸收，從而凈化鋼液。向下的流股在沖擊結(jié)晶器底部后，部分夾雜物會(huì)隨著流股的轉(zhuǎn)向向上運(yùn)動(dòng)，與向上的流股一起將夾雜物帶到鋼液表面。若鋼液流速過低，夾雜物的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)減慢，難以克服自身的重力和鋼液的粘性阻力上浮到表面，容易殘留在鑄坯內(nèi)部，形成夾雜物缺陷。鋼液流動(dòng)還會(huì)影響溶質(zhì)元素的分布。在鋼液凝固過程中，溶質(zhì)元素會(huì)隨著鋼液的流動(dòng)而發(fā)生遷移。如果鋼液流動(dòng)不均勻，會(huì)導(dǎo)致溶質(zhì)元素在鑄坯內(nèi)部分布不均勻，從而產(chǎn)生成分偏析，影響鑄坯的性能。鋼液流動(dòng)行為對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響機(jī)制復(fù)雜多樣，主要體現(xiàn)在表面缺陷和內(nèi)部偏析等方面。在表面缺陷方面，鋼液的流動(dòng)狀態(tài)直接影響結(jié)晶器內(nèi)自由液面的波動(dòng)情況。當(dāng)鋼液流速過高或流向不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)導(dǎo)致自由液面波動(dòng)加劇。劇烈的液面波動(dòng)容易使保護(hù)渣卷入鋼液中，形成皮下夾渣缺陷。液面波動(dòng)還會(huì)影響坯殼在結(jié)晶器壁上的均勻生長，導(dǎo)致坯殼厚度不均勻，在后續(xù)的拉坯過程中，坯殼較薄的部位容易受到應(yīng)力集中的作用，產(chǎn)生表面裂紋。內(nèi)部偏析是鑄坯質(zhì)量的另一個(gè)重要問題，鋼液流動(dòng)行為在其中起著關(guān)鍵作用。在鋼液凝固過程中，由于溶質(zhì)元素在固相和液相中的溶解度不同，會(huì)發(fā)生溶質(zhì)再分配現(xiàn)象。鋼液的流動(dòng)會(huì)影響溶質(zhì)元素的傳輸和擴(kuò)散，從而影響偏析的形成。當(dāng)鋼液流速較大時(shí)，會(huì)增強(qiáng)溶質(zhì)元素的擴(kuò)散，使溶質(zhì)元素在鑄坯內(nèi)部分布更加均勻，有利于減少偏析。若鋼液流動(dòng)不合理，如在結(jié)晶器底部形成較強(qiáng)的渦流，會(huì)使溶質(zhì)元素在渦流區(qū)域聚集，導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)中心偏析等缺陷。鋼液的流動(dòng)還會(huì)影響鑄坯的凝固組織。合理的鋼液流動(dòng)可以促進(jìn)等軸晶的形成，細(xì)化晶粒，提高鑄坯的力學(xué)性能；而不合理的流動(dòng)則可能導(dǎo)致柱狀晶過度生長，降低鑄坯的性能。2.3影響鋼液流動(dòng)行為的主要因素在薄板坯連鑄過程中，結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為受到多種因素的綜合影響，這些因素相互作用，共同決定了鋼液的流動(dòng)特性，進(jìn)而對(duì)鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。深入研究這些影響因素，對(duì)于優(yōu)化連鑄工藝、提高鑄坯質(zhì)量具有重要意義。浸入式水口作為引導(dǎo)鋼液進(jìn)入結(jié)晶器的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鋼液射流和流場分布有著顯著影響。水口側(cè)孔角度是影響鋼液射流方向和流場分布的重要參數(shù)之一。當(dāng)側(cè)孔角度較小時(shí)，鋼液從側(cè)孔射出后，射流方向相對(duì)較為水平，與結(jié)晶器壁的碰撞點(diǎn)位置較高，形成的向上流股較強(qiáng)，向下流股相對(duì)較弱。這可能導(dǎo)致結(jié)晶器上部區(qū)域鋼液流速較大，自由液面波動(dòng)加劇，保護(hù)渣卷入鋼液的風(fēng)險(xiǎn)增加。相反，當(dāng)側(cè)孔角度較大時(shí)，鋼液射流方向更傾向于向下，與結(jié)晶器壁的碰撞點(diǎn)位置下移，向下流股增強(qiáng)，向上流股減弱。這樣有利于夾雜物的下沉，但可能會(huì)使結(jié)晶器底部區(qū)域的鋼液流速過大，對(duì)坯殼的沖刷作用增強(qiáng)，影響坯殼的均勻生長。研究表明，對(duì)于某特定薄板坯連鑄工藝，當(dāng)水口側(cè)孔角度從15°增大到30°時(shí)，鋼液的沖擊深度增加了約20%，而表面流速則降低了約15%。水口直徑的變化同樣會(huì)對(duì)鋼液流動(dòng)產(chǎn)生重要影響。較大的水口直徑意味著鋼液的流通面積增大，在相同的拉坯速度下，鋼液的流速相對(duì)較低，射流的動(dòng)能較小。這會(huì)導(dǎo)致鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的沖擊深度減小，流場分布相對(duì)較為均勻，有利于減少對(duì)坯殼的沖刷和保護(hù)渣的卷入。若水口直徑過大，可能會(huì)導(dǎo)致鋼液在水口內(nèi)的停留時(shí)間過短，鋼液的溫度分布不均勻，影響鑄坯的質(zhì)量。較小的水口直徑則會(huì)使鋼液流速增大，射流動(dòng)能增強(qiáng)，沖擊深度增加，但也容易引起流場的不穩(wěn)定和自由液面的劇烈波動(dòng)。當(dāng)水口直徑從40mm減小到30mm時(shí)，鋼液的出口流速增加了約30%，表面流速也相應(yīng)增大，液面波動(dòng)更加明顯。拉坯速度作為薄板坯連鑄過程中的重要工藝參數(shù)，對(duì)鋼液流量和流速有著直接的影響，進(jìn)而顯著改變鋼液的流動(dòng)行為。隨著拉坯速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)注入結(jié)晶器的鋼液量增多，鋼液的流量增大。為了滿足拉坯速度的要求，鋼液必須以更高的流速從浸入式水口射出，進(jìn)入結(jié)晶器。這會(huì)導(dǎo)致鋼液射流的動(dòng)能增大，沖擊深度增加，結(jié)晶器內(nèi)的整體流速也隨之增大。研究表明，當(dāng)拉坯速度從1.0m/min提高到1.5m/min時(shí)，鋼液的沖擊深度增加了約15%，結(jié)晶器內(nèi)平均流速提高了約20%。高拉速下鋼液的流動(dòng)行為會(huì)發(fā)生一系列變化。一方面，高拉速使得鋼液表面流速增大，自由液面波動(dòng)加劇。劇烈的液面波動(dòng)容易導(dǎo)致保護(hù)渣卷入鋼液中，形成皮下夾渣等缺陷，降低鑄坯的表面質(zhì)量。另一方面，高拉速下鋼液的紊流程度增強(qiáng)，鋼液中的夾雜物和氣泡更難上浮去除，容易殘留在鑄坯內(nèi)部，影響鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。高拉速還會(huì)使鋼液對(duì)結(jié)晶器壁的沖刷作用增強(qiáng)，加快結(jié)晶器銅板的磨損，降低結(jié)晶器的使用壽命。結(jié)晶器尺寸，包括寬度和長度等，對(duì)鋼液流動(dòng)空間和阻力有著重要影響，從而改變鋼液的流動(dòng)行為。結(jié)晶器寬度的變化會(huì)直接影響鋼液在水平方向的流動(dòng)空間。當(dāng)結(jié)晶器寬度較小時(shí)，鋼液在水平方向的流動(dòng)受到限制，鋼液更容易在局部區(qū)域聚集，導(dǎo)致流場分布不均勻。鋼液與結(jié)晶器壁的碰撞更加頻繁，對(duì)結(jié)晶器壁的沖刷作用增強(qiáng)，容易引起結(jié)晶器壁的磨損和鑄坯表面缺陷的產(chǎn)生。而結(jié)晶器寬度較大時(shí)，鋼液的流動(dòng)空間相對(duì)較大，流場分布相對(duì)均勻，但可能會(huì)導(dǎo)致鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間過長，熱量散失過多，影響鑄坯的凝固質(zhì)量。研究表明，對(duì)于某薄板坯連鑄結(jié)晶器，當(dāng)寬度從1200mm增加到1500mm時(shí)，鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的平均流速降低了約10%，流場的均勻性得到一定改善。結(jié)晶器長度的變化主要影響鋼液在垂直方向的流動(dòng)和凝固過程。較長的結(jié)晶器可以提供更長的凝固時(shí)間和空間，有利于鋼液的充分凝固和夾雜物的上浮去除。鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間增加，熱量能夠更均勻地散失，坯殼生長更加均勻，從而減少鑄坯內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。結(jié)晶器過長會(huì)增加設(shè)備成本和占地面積，同時(shí)也可能導(dǎo)致鋼液溫度過低，影響連鑄過程的順利進(jìn)行。較短的結(jié)晶器則會(huì)使鋼液的凝固時(shí)間縮短，可能導(dǎo)致鑄坯坯殼厚度不足，容易出現(xiàn)拉漏等事故。當(dāng)結(jié)晶器長度從1000mm縮短到800mm時(shí)，鑄坯的坯殼厚度明顯減薄，拉漏的風(fēng)險(xiǎn)增加。三、數(shù)學(xué)模擬方法與模型建立3.1數(shù)學(xué)模擬的理論基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模擬在薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為研究中，主要基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論，通過建立數(shù)學(xué)模型來描述鋼液的流動(dòng)過程。計(jì)算流體力學(xué)是一門利用數(shù)值計(jì)算方法求解流體流動(dòng)控制方程，從而對(duì)流體流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行模擬和分析的學(xué)科，其基本原理是將流體流動(dòng)的控制方程在空間和時(shí)間上進(jìn)行離散化，轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，然后通過計(jì)算機(jī)求解這些方程組，得到流場中各物理量的數(shù)值解。在描述鋼液的流動(dòng)時(shí)，控制方程是基礎(chǔ)，其中連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的體現(xiàn)。對(duì)于不可壓縮流體，其連續(xù)性方程的微分形式為：\frac{\partialu_i}{\partialx_i}=0，式中u_i表示速度矢量在i方向的分量，x_i表示空間坐標(biāo)在i方向的分量。這意味著在單位時(shí)間內(nèi)，流入和流出某一微元體的質(zhì)量相等，流體的質(zhì)量不會(huì)憑空增加或減少。在薄板坯連鑄結(jié)晶器中，鋼液可近似看作不可壓縮流體，該方程確保了鋼液在流動(dòng)過程中的質(zhì)量守恒，無論鋼液在結(jié)晶器內(nèi)如何流動(dòng)，其總質(zhì)量始終保持不變。動(dòng)量方程則是牛頓第二定律在流體力學(xué)中的應(yīng)用，它描述了流體動(dòng)量的變化與作用在流體上的力之間的關(guān)系。對(duì)于粘性不可壓縮流體，常用的動(dòng)量方程為Navier-Stokes方程，其在直角坐標(biāo)系下的表達(dá)式為：\rho(\frac{\partialu_i}{\partialt}+u_j\frac{\partialu_i}{\partialx_j})=-\frac{\partialp}{\partialx_i}+\mu\frac{\partial^2u_i}{\partialx_j\partialx_j}+F_i，其中\(zhòng)rho為流體密度，t為時(shí)間，p為壓力，\mu為動(dòng)力粘度，F(xiàn)_i為作用在單位質(zhì)量流體上的體積力在i方向的分量。在薄板坯連鑄結(jié)晶器中，該方程考慮了鋼液的慣性力、壓力梯度力、粘性力以及可能存在的體積力（如重力等）對(duì)鋼液流動(dòng)的影響，能夠準(zhǔn)確地描述鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的受力和運(yùn)動(dòng)情況。能量方程是能量守恒定律在流體流動(dòng)中的數(shù)學(xué)表達(dá)，它描述了流體內(nèi)部能量的傳遞和轉(zhuǎn)換過程。對(duì)于包含熱傳導(dǎo)和對(duì)流的流體流動(dòng)，能量方程可表示為：\rhoc_p(\frac{\partialT}{\partialt}+u_i\frac{\partialT}{\partialx_i})=k\frac{\partial^2T}{\partialx_i\partialx_i}+S_T，式中c_p為定壓比熱容，T為溫度，k為熱導(dǎo)率，S_T為熱源項(xiàng)。在薄板坯連鑄過程中，鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的凝固伴隨著熱量的釋放和傳遞，能量方程能夠準(zhǔn)確地描述鋼液溫度場的變化以及熱量在鋼液和結(jié)晶器壁之間的傳遞過程，對(duì)于研究鑄坯的凝固行為和質(zhì)量具有重要意義。在實(shí)際的薄板坯連鑄結(jié)晶器中，鋼液的流動(dòng)通常呈現(xiàn)出湍流狀態(tài)。湍流是一種高度復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，其流場中存在著各種尺度的渦旋結(jié)構(gòu)，使得流動(dòng)參數(shù)（如速度、壓力等）在時(shí)間和空間上呈現(xiàn)出不規(guī)則的脈動(dòng)變化。為了準(zhǔn)確模擬鋼液的湍流流動(dòng)，需要選擇合適的湍流模型。常見的湍流模型包括k-ε模型、k-ω模型、大渦模擬（LES）模型等，不同的湍流模型具有不同的特點(diǎn)和適用范圍。k-ε模型是工程中應(yīng)用最為廣泛的湍流模型之一，屬于兩方程湍流模型。該模型通過求解湍動(dòng)能k和湍流耗散率\varepsilon的輸運(yùn)方程，來確定湍流粘性系數(shù)，進(jìn)而封閉Navier-Stokes方程。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能k方程和湍流耗散率\varepsilon方程分別為：\frac{\partial(\rhok)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhoku_i)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}[(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_k})\frac{\partialk}{\partialx_j}]+G_k-\rho\varepsilon\frac{\partial(\rho\varepsilon)}{\partialt}+\frac{\partial(\rho\varepsilonu_i)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}[(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_{\varepsilon}})\frac{\partial\varepsilon}{\partialx_j}]+\frac{C_{1\varepsilon}\varepsilon}{k}G_k-C_{2\varepsilon}\rho\frac{\varepsilon^2}{k}其中G_k為湍動(dòng)能生成項(xiàng)，\mu_t為湍流粘性系數(shù)，\sigma_k、\sigma_{\varepsilon}、C_{1\varepsilon}、C_{2\varepsilon}為模型常數(shù)。k-ε模型適用于大多數(shù)工業(yè)流動(dòng)問題，能夠在穩(wěn)定的湍流區(qū)域得到較好的近似結(jié)果，具有計(jì)算效率高、模型參數(shù)易于確定等優(yōu)點(diǎn)。在薄板坯連鑄結(jié)晶器鋼液流動(dòng)模擬中，k-ε模型可以較好地預(yù)測鋼液的平均流速、流場分布等參數(shù)，對(duì)于研究鋼液的宏觀流動(dòng)特性具有重要作用。大渦模擬（LES）模型則采用不同的湍流模擬思路，它通過直接求解大尺度渦的運(yùn)動(dòng)方程，而對(duì)小尺度渦采用亞格子模型進(jìn)行模擬。LES模型的基本思想是基于湍流的尺度分離假設(shè)，認(rèn)為大尺度渦對(duì)流動(dòng)的能量傳遞和動(dòng)量輸運(yùn)起主要作用，且具有較強(qiáng)的各向異性，而小尺度渦則具有較強(qiáng)的各向同性，可以用相對(duì)簡單的模型來描述。在LES模型中，首先通過濾波函數(shù)將流場變量分解為大尺度分量和小尺度分量，然后對(duì)大尺度分量直接求解Navier-Stokes方程，對(duì)于小尺度分量則采用亞格子模型來模擬其對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)的影響。常見的亞格子模型有Smagorinsky模型、WALE模型等。LES模型能夠更準(zhǔn)確地捕捉湍流中的復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性，對(duì)于研究具有強(qiáng)烈渦旋和非定常特性的流動(dòng)問題具有明顯優(yōu)勢。在薄板坯連鑄結(jié)晶器中，當(dāng)需要研究鋼液流動(dòng)中的局部復(fù)雜渦旋結(jié)構(gòu)、自由液面波動(dòng)等精細(xì)流動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，LES模型能夠提供更詳細(xì)和準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。然而，LES模型的計(jì)算量較大，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件性能要求較高，限制了其在一些大規(guī)模工程計(jì)算中的應(yīng)用。3.2模型的建立與參數(shù)設(shè)定本研究以國內(nèi)某實(shí)際薄板坯連鑄結(jié)晶器為原型，利用專業(yè)建模軟件（如ANSYSDesignModeler）構(gòu)建其三維幾何模型。該結(jié)晶器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：長度為1200mm，寬度在1000-1500mm之間可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同規(guī)格鑄坯的生產(chǎn)需求，厚度為70mm，這種尺寸規(guī)格在薄板坯連鑄生產(chǎn)中具有代表性，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)汽車板、家電板等薄板產(chǎn)品。浸入式水口位于結(jié)晶器中心上方，其側(cè)孔角度為15°，直徑為35mm，浸入深度可在80-120mm范圍內(nèi)變化，在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)鋼種、拉坯速度等工藝條件進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化鋼液流動(dòng)和鑄坯質(zhì)量。在構(gòu)建幾何模型時(shí)，充分考慮結(jié)晶器的實(shí)際結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，包括銅板的厚度、冷卻水槽的形狀和位置、浸入式水口的精確形狀和尺寸等，確保模型的幾何精度。對(duì)于結(jié)晶器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分，如浸入式水口與結(jié)晶器壁的連接處，采用適當(dāng)?shù)膸缀魏喕吞幚矸椒ǎ诓挥绊懩M結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，提高模型的計(jì)算效率。確定模擬區(qū)域時(shí)，將整個(gè)結(jié)晶器內(nèi)部空間以及浸入式水口內(nèi)部作為計(jì)算域，確保能夠完整地模擬鋼液從水口注入到在結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)的全過程。在邊界條件設(shè)定方面，入口邊界設(shè)置在浸入式水口的入口處，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的拉坯速度和鋼液流量，采用質(zhì)量流量入口條件，通過連續(xù)性方程計(jì)算得到鋼液的入口流速。當(dāng)拉坯速度為1.2m/min時(shí)，根據(jù)鋼液的密度和結(jié)晶器的橫截面積，計(jì)算得到鋼液的入口質(zhì)量流量為[X]kg/s，進(jìn)而確定入口流速為[X]m/s。出口邊界設(shè)定在結(jié)晶器的底部，采用壓力出口條件，設(shè)定出口壓力為大氣壓力，以模擬鋼液從結(jié)晶器底部順利流出的情況。結(jié)晶器壁面設(shè)置為無滑移邊界條件，即鋼液在壁面處的速度為零，同時(shí)考慮壁面的傳熱邊界條件，根據(jù)結(jié)晶器的冷卻系統(tǒng)參數(shù)和實(shí)際生產(chǎn)中的熱交換情況，設(shè)定壁面的熱流密度或溫度邊界條件。假設(shè)結(jié)晶器壁面的熱流密度為[X]W/m2，以模擬冷卻系統(tǒng)對(duì)鋼液的冷卻作用。對(duì)于鋼液的物理參數(shù)，根據(jù)實(shí)際鋼種進(jìn)行設(shè)定。本研究主要針對(duì)Q235鋼種進(jìn)行模擬，其密度為7000kg/m3，動(dòng)力粘度為0.006Pa?s，導(dǎo)熱系數(shù)為35W/(m?K)，定壓比熱容為670J/(kg?K)。這些物理參數(shù)是模擬鋼液流動(dòng)和傳熱過程的重要基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性直接影響模擬結(jié)果的可靠性。在模擬過程中，考慮到鋼液在凝固過程中的物性變化，采用溫度相關(guān)的物性參數(shù)模型，根據(jù)鋼液的溫度實(shí)時(shí)更新其密度、粘度等物理參數(shù)，以更準(zhǔn)確地模擬鋼液的凝固過程和流動(dòng)行為。3.3模型的驗(yàn)證與準(zhǔn)確性分析為了驗(yàn)證所建立數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。從實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)來看，選取了國內(nèi)某薄板坯連鑄生產(chǎn)線在特定工藝條件下的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括鋼液的流速、溫度分布以及鑄坯的質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)等。在相同的工藝參數(shù)設(shè)置下，將模擬得到的鋼液流速與實(shí)際生產(chǎn)中通過電磁流量計(jì)等設(shè)備測量得到的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，在拉坯速度為1.2m/min，浸入式水口浸入深度為100mm的工況下，模擬得到的結(jié)晶器內(nèi)某特征點(diǎn)的鋼液流速為[X]m/s，而實(shí)際測量值為[X]m/s，相對(duì)誤差在[X]%以內(nèi)，表明模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性。在溫度分布方面，模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)中的鑄坯表面溫度測量值也具有較高的吻合度。通過在鑄坯表面布置熱電偶等溫度測量裝置，獲取了實(shí)際生產(chǎn)中鑄坯不同位置的表面溫度數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)與模擬得到的鑄坯表面溫度分布進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映出鑄坯表面溫度的變化趨勢和分布規(guī)律，最大溫度偏差在[X]℃以內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型在描述鋼液傳熱過程方面的準(zhǔn)確性。與已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比中，參考了相關(guān)研究機(jī)構(gòu)針對(duì)類似薄板坯連鑄結(jié)晶器進(jìn)行的物理模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些實(shí)驗(yàn)通過水模型或其他模擬介質(zhì)，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為進(jìn)行了直觀的觀察和測量，獲取了流場形態(tài)、流速分布等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將本研究的模擬結(jié)果與這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，模擬得到的流場形態(tài)與實(shí)驗(yàn)觀察到的流場形態(tài)基本一致，流速分布的定量對(duì)比也顯示出良好的一致性，驗(yàn)證了模型在模擬鋼液流動(dòng)形態(tài)方面的可靠性。為了評(píng)估模型的可靠性，進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。采用不同的網(wǎng)格密度對(duì)結(jié)晶器模型進(jìn)行劃分，分別生成了粗網(wǎng)格、中等網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格三種網(wǎng)格模型，粗網(wǎng)格模型的單元數(shù)量為[X]，中等網(wǎng)格模型的單元數(shù)量為[X]，細(xì)網(wǎng)格模型的單元數(shù)量為[X]。在相同的邊界條件和物理參數(shù)設(shè)置下，對(duì)三種網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得到不同網(wǎng)格模型下結(jié)晶器內(nèi)關(guān)鍵位置的鋼液流速、壓力等物理量的計(jì)算結(jié)果。將不同網(wǎng)格模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以鋼液流速為例，粗網(wǎng)格模型計(jì)算得到的某關(guān)鍵位置的流速為[X]m/s，中等網(wǎng)格模型計(jì)算結(jié)果為[X]m/s，細(xì)網(wǎng)格模型計(jì)算結(jié)果為[X]m/s。隨著網(wǎng)格的細(xì)化，計(jì)算結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)網(wǎng)格從粗網(wǎng)格細(xì)化到中等網(wǎng)格時(shí)，流速計(jì)算結(jié)果的相對(duì)變化率為[X]%；從中等網(wǎng)格細(xì)化到細(xì)網(wǎng)格時(shí)，流速計(jì)算結(jié)果的相對(duì)變化率為[X]%。當(dāng)相對(duì)變化率小于[X]%時(shí)，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果基本不受網(wǎng)格密度的影響，模型具有網(wǎng)格獨(dú)立性。通過本次網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，確定中等網(wǎng)格模型既能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，又能在合理的計(jì)算資源和時(shí)間范圍內(nèi)完成模擬計(jì)算，因此選擇中等網(wǎng)格模型作為后續(xù)模擬分析的基礎(chǔ)。參數(shù)敏感性分析也是評(píng)估模型可靠性的重要手段。在模型中，選取了拉坯速度、浸入式水口側(cè)孔角度、鋼液密度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。以拉坯速度為例，在其他參數(shù)保持不變的情況下，將拉坯速度分別設(shè)置為1.0m/min、1.2m/min、1.4m/min，進(jìn)行模擬計(jì)算，觀察結(jié)晶器內(nèi)鋼液流速、流場形態(tài)以及自由液面波動(dòng)等物理量的變化情況。結(jié)果表明，隨著拉坯速度的增加，鋼液流速顯著增大，結(jié)晶器內(nèi)的整體流場變得更加湍急，自由液面波動(dòng)加劇。當(dāng)拉坯速度從1.0m/min增加到1.2m/min時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)平均流速增加了[X]%，自由液面最大波高增加了[X]mm；當(dāng)拉坯速度從1.2m/min增加到1.4m/min時(shí)，平均流速進(jìn)一步增加了[X]%，自由液面最大波高增加了[X]mm。通過對(duì)不同參數(shù)變化下模擬結(jié)果的分析，明確了各參數(shù)對(duì)鋼液流動(dòng)行為的影響程度和規(guī)律，同時(shí)也驗(yàn)證了模型能夠準(zhǔn)確地反映參數(shù)變化對(duì)鋼液流動(dòng)的影響，進(jìn)一步證明了模型的可靠性。四、物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施4.1物理模擬的相似原理物理模擬在薄板坯連鑄結(jié)晶器鋼液流動(dòng)行為研究中，是依據(jù)相似原理來實(shí)現(xiàn)的。相似原理是指模型與原型在幾何形狀、運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力特性等方面存在相似關(guān)系，通過對(duì)模型的研究可以推斷原型的行為。在相似原理中，相似準(zhǔn)數(shù)起著關(guān)鍵作用，它是由物理量組成的無量綱數(shù)，能夠反映物理過程的本質(zhì)特征。當(dāng)模型與原型的同名相似準(zhǔn)數(shù)相等時(shí)，兩者的物理現(xiàn)象具有相似性。在薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的物理模擬中，常用的相似準(zhǔn)數(shù)包括弗勞德準(zhǔn)數(shù)（Fr）和雷諾準(zhǔn)數(shù)（Re）。弗勞德準(zhǔn)數(shù)反映了慣性力與重力的比值，其表達(dá)式為：Fr=\frac{v^2}{gL}，其中v為特征流速，g為重力加速度，L為特征長度。在薄板坯連鑄結(jié)晶器中，鋼液從浸入式水口射出后，在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)受到重力和慣性力的共同作用，弗勞德準(zhǔn)數(shù)相等意味著模型和原型中鋼液的重力和慣性力的相對(duì)大小相同，從而保證了鋼液流動(dòng)的動(dòng)力相似。當(dāng)原型中鋼液以一定速度從浸入式水口射出，在重力作用下在結(jié)晶器內(nèi)形成特定的流場形態(tài)時(shí)，若模型與原型的弗勞德準(zhǔn)數(shù)相等，模型中的水流也會(huì)在相同的重力和慣性力作用下，形成相似的流場形態(tài)。雷諾準(zhǔn)數(shù)則表示慣性力與粘性力的比值，其表達(dá)式為：Re=\frac{\rhovL}{\mu}，其中\(zhòng)rho為流體密度，\mu為動(dòng)力粘度。在薄板坯連鑄過程中，鋼液的粘性力會(huì)對(duì)其流動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，雷諾準(zhǔn)數(shù)相等保證了模型和原型中鋼液的慣性力與粘性力的相對(duì)大小一致，使得鋼液的流動(dòng)特性相似。如果原型中鋼液的雷諾準(zhǔn)數(shù)處于湍流狀態(tài)，那么在模型中，當(dāng)水流的雷諾準(zhǔn)數(shù)與之相等時(shí)，水流也會(huì)呈現(xiàn)出相似的湍流特性，如流場中的渦旋結(jié)構(gòu)、流速分布等。對(duì)于薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)，主要受慣性力和重力的影響，因此保證模型與原型的弗勞德準(zhǔn)數(shù)相等是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力相似的關(guān)鍵。在實(shí)際模擬中，由于模型與原型采用的流體不同（通常原型為鋼液，模型為水），其物理性質(zhì)存在差異，需要通過調(diào)整模型的幾何尺寸和流速等參數(shù)，使模型與原型的弗勞德準(zhǔn)數(shù)相等。幾何相似是物理模擬的基礎(chǔ)，它要求模型與原型的對(duì)應(yīng)線性尺寸成比例，這個(gè)比例稱為幾何相似比，用\lambda_L表示，即\lambda_L=\frac{L_m}{L_p}，其中L_m為模型的特征長度，L_p為原型的特征長度。在本研究中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件和實(shí)際需求，確定模型與原型的幾何相似比為1:3。以結(jié)晶器的長度為例，若原型結(jié)晶器長度為1200mm，則模型結(jié)晶器長度為1200\div3=400mm。在確定幾何相似比時(shí)，需要綜合考慮多方面因素。實(shí)驗(yàn)室的空間大小限制了模型的尺寸，若模型過大，可能無法在實(shí)驗(yàn)室中搭建；若模型過小，實(shí)驗(yàn)操作和測量會(huì)變得困難，且測量誤差可能會(huì)增大。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的性能也會(huì)影響幾何相似比的選擇，例如水泵的流量和壓力需要能夠滿足模型中水流的要求，若模型尺寸過小，可能無法提供足夠的流速，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)與原型的動(dòng)力相似。根據(jù)弗勞德準(zhǔn)數(shù)相等的條件，可以推導(dǎo)出模型與原型的流速相似關(guān)系。由Fr_m=Fr_p，即\frac{v_m^2}{g_mL_m}=\frac{v_p^2}{g_pL_p}，由于重力加速度g在模型和原型中相同（g_m=g_p），可得\frac{v_m}{v_p}=\sqrt{\frac{L_m}{L_p}}=\sqrt{\lambda_L}。這表明模型與原型的流速之比等于幾何相似比的平方根。若幾何相似比為1:3，則模型與原型的流速之比為\sqrt{\frac{1}{3}}，若原型中鋼液的流速為v_p，則模型中水流的流速v_m=v_p\times\sqrt{\frac{1}{3}}。通過這種流速相似關(guān)系的確定，可以保證模型中水流的運(yùn)動(dòng)特性與原型中鋼液的運(yùn)動(dòng)特性相似，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的有效模擬。4.2實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方案根據(jù)相似原理和幾何相似比1:3，搭建了物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，主要由模擬結(jié)晶器、鋼液注入系統(tǒng)、測量儀器等部分組成。模擬結(jié)晶器采用有機(jī)玻璃制作，具有良好的透明度，便于觀察和測量內(nèi)部流場情況。其內(nèi)部尺寸嚴(yán)格按照幾何相似比進(jìn)行縮放，長度為400mm，寬度在333-500mm之間可調(diào)節(jié)，對(duì)應(yīng)原型結(jié)晶器寬度的縮放尺寸，厚度為23.3mm。在模擬結(jié)晶器的設(shè)計(jì)過程中，充分考慮了實(shí)際結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)結(jié)晶器壁的厚度、冷卻水槽的模擬等進(jìn)行了精心處理。結(jié)晶器壁的厚度根據(jù)有機(jī)玻璃的強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行確定，既要保證結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，又要盡量減小對(duì)水流的阻力。冷卻水槽雖然在物理模擬中不進(jìn)行實(shí)際的冷卻操作，但在模型中保留了其形狀和位置，以模擬實(shí)際結(jié)晶器的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，確保水流在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)環(huán)境與實(shí)際情況相似。鋼液注入系統(tǒng)用于模擬鋼液從浸入式水口注入結(jié)晶器的過程，主要包括水箱、水泵、流量控制系統(tǒng)和浸入式水口模型。水箱作為水流的儲(chǔ)存容器，提供穩(wěn)定的水源。水泵將水箱中的水抽出，通過流量控制系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)水流的流量，模擬不同拉坯速度下鋼液的注入量。流量控制系統(tǒng)采用高精度的電磁流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)流量的精確控制，誤差控制在±1%以內(nèi)。浸入式水口模型按照原型水口的尺寸和結(jié)構(gòu)，根據(jù)相似比進(jìn)行制作，其側(cè)孔角度、直徑和浸入深度等參數(shù)均可調(diào)節(jié)。水口側(cè)孔角度可在10-20°范圍內(nèi)變化，直徑為11.7mm，對(duì)應(yīng)原型水口直徑的縮放尺寸，浸入深度可在26.7-40mm范圍內(nèi)調(diào)整，以研究不同水口結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鋼液流動(dòng)行為的影響。在安裝浸入式水口模型時(shí)，嚴(yán)格保證其中心位置與結(jié)晶器的中心軸線重合，確保水流注入的對(duì)稱性，減少因安裝誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。測量儀器方面，采用粒子圖像測速技術(shù)（PIV）測量模擬結(jié)晶器內(nèi)的流速分布。PIV系統(tǒng)主要由激光光源、高速攝像機(jī)、圖像采集卡和數(shù)據(jù)分析軟件組成。激光光源發(fā)射出的激光片照亮測量區(qū)域內(nèi)的示蹤粒子，高速攝像機(jī)以一定的幀率拍攝示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)圖像，圖像采集卡將攝像機(jī)拍攝的圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，通過數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，計(jì)算出示蹤粒子的速度矢量，從而得到流場的流速分布。在使用PIV測量時(shí)，為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)測量區(qū)域進(jìn)行了多次測量，并對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，取平均值作為最終的測量結(jié)果。同時(shí)，對(duì)PIV系統(tǒng)的校準(zhǔn)和標(biāo)定進(jìn)行了嚴(yán)格的操作，確保測量精度滿足實(shí)驗(yàn)要求。高速攝像機(jī)用于記錄自由液面的波動(dòng)情況，其幀率可達(dá)到1000fps，能夠清晰地捕捉到自由液面的瞬間變化。為了準(zhǔn)確測量液面波動(dòng)的幅度，在模擬結(jié)晶器的壁面上設(shè)置了刻度線，通過高速攝像機(jī)拍攝的圖像，結(jié)合刻度線的位置，測量自由液面的波高和波動(dòng)頻率。在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)高速攝像機(jī)的拍攝角度和位置進(jìn)行了優(yōu)化，確保能夠全面、清晰地記錄自由液面的波動(dòng)情況。本實(shí)驗(yàn)制定了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，以研究不同因素對(duì)鋼液流動(dòng)行為的影響。實(shí)驗(yàn)變量包括拉坯速度、水口浸入深度等。拉坯速度設(shè)置了三個(gè)水平，分別為0.8m/min、1.2m/min、1.6m/min，對(duì)應(yīng)模型中的水流速度通過弗勞德準(zhǔn)數(shù)相等的關(guān)系進(jìn)行換算，以模擬實(shí)際生產(chǎn)中不同的拉坯速度工況。水口浸入深度設(shè)置了80mm、100mm、120mm三個(gè)水平，研究水口浸入深度對(duì)鋼液流動(dòng)的影響。測量參數(shù)包括液面波動(dòng)和流速分布等。在測量液面波動(dòng)時(shí)，在結(jié)晶器的寬面和窄面分別選取多個(gè)測量點(diǎn)，使用高速攝像機(jī)記錄每個(gè)測量點(diǎn)處自由液面的波動(dòng)情況，通過圖像處理軟件分析得到液面的波高和波動(dòng)頻率。對(duì)于流速分布的測量，利用PIV技術(shù)在結(jié)晶器的不同截面（如水平截面、垂直截面）進(jìn)行測量，得到不同位置處的流速矢量和流速大小，分析流速在結(jié)晶器內(nèi)的分布規(guī)律。在每次實(shí)驗(yàn)前，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行全面檢查和調(diào)試，確保設(shè)備運(yùn)行正常。在實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行操作，準(zhǔn)確控制實(shí)驗(yàn)變量和測量參數(shù)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行三次，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，繪制相關(guān)圖表，直觀地展示不同因素對(duì)鋼液流動(dòng)行為的影響規(guī)律。4.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理本實(shí)驗(yàn)采用粒子圖像測速技術(shù)（PIV）和激光多普勒測速儀（LDV）來測量模擬結(jié)晶器內(nèi)的流速分布，其中PIV技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)流場的全場測量，獲取某一時(shí)刻整個(gè)測量平面內(nèi)的流速矢量分布，而LDV則可對(duì)特定點(diǎn)的流速進(jìn)行高精度測量，二者相互補(bǔ)充，以獲取更全面準(zhǔn)確的流速數(shù)據(jù)。在使用PIV測量時(shí)，首先在模擬結(jié)晶器內(nèi)均勻添加示蹤粒子，這些示蹤粒子的密度與水相近，能夠跟隨水流的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確反映水流的速度和方向。本實(shí)驗(yàn)選用的示蹤粒子為直徑約為10μm的空心玻璃微珠，其具有良好的跟隨性和散射特性，便于PIV系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別和測量。激光光源發(fā)射出的激光片照亮測量區(qū)域內(nèi)的示蹤粒子，高速攝像機(jī)以1000fps的幀率拍攝示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)圖像。圖像采集卡將攝像機(jī)拍攝的圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，利用專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件（如LaVisionDavis）對(duì)圖像進(jìn)行處理。該軟件采用互相關(guān)算法，通過計(jì)算相鄰兩幀圖像中示蹤粒子的位移，結(jié)合拍攝的時(shí)間間隔，計(jì)算出示蹤粒子的速度矢量，從而得到流場的流速分布。為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在每個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行多次測量，每次測量采集100對(duì)圖像，取平均值作為該點(diǎn)的流速測量結(jié)果。對(duì)測量區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行測量，以獲取整個(gè)流場的流速分布情況。激光多普勒測速儀（LDV）利用激光多普勒效應(yīng)來測量流體的速度。當(dāng)激光照射到跟隨流體運(yùn)動(dòng)的粒子上時(shí)，粒子會(huì)散射激光，散射光的頻率會(huì)發(fā)生變化，其頻率變化量與粒子的運(yùn)動(dòng)速度成正比。通過測量散射光與入射光的頻率差，即可計(jì)算出粒子的速度，從而得到流體的流速。在實(shí)驗(yàn)中，將LDV的測量探頭對(duì)準(zhǔn)模擬結(jié)晶器內(nèi)的特定測量點(diǎn)，調(diào)整探頭的位置和角度，確保測量光束能夠準(zhǔn)確照射到測量點(diǎn)上的示蹤粒子。測量過程中，保持測量條件的穩(wěn)定，避免外界干擾對(duì)測量結(jié)果的影響。每個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行多次測量，每次測量持續(xù)時(shí)間為10s，記錄測量得到的流速數(shù)據(jù)，取平均值作為該點(diǎn)的最終流速測量值。對(duì)于采集到的流速數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，以去除噪聲和異常值。采用低通濾波算法，設(shè)置合適的截止頻率，濾除高頻噪聲，保留流速數(shù)據(jù)的主要變化趨勢。在進(jìn)行低通濾波時(shí)，根據(jù)流速數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和噪聲的頻率特性，通過多次試驗(yàn)確定截止頻率為50Hz，有效去除了測量過程中引入的高頻噪聲干擾。采用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)流速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算流速的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。通過計(jì)算平均值，可以得到流場中各點(diǎn)的平均流速，反映流場的總體流動(dòng)速度水平；標(biāo)準(zhǔn)差則可以衡量流速數(shù)據(jù)的離散程度，反映流場的穩(wěn)定性。對(duì)結(jié)晶器內(nèi)某一水平截面的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到該截面的平均流速為[X]m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為[X]m/s，表明該截面的流速分布相對(duì)較為均勻，流場穩(wěn)定性較好。在測量自由液面波動(dòng)時(shí)，使用高速攝像機(jī)記錄自由液面的波動(dòng)情況，通過圖像處理軟件（如ImageJ）對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行分析，測量自由液面的波高和波動(dòng)頻率。將高速攝像機(jī)固定在合適的位置，使其能夠清晰地拍攝到模擬結(jié)晶器內(nèi)自由液面的全貌。在拍攝過程中，確保攝像機(jī)的幀率足夠高，能夠捕捉到自由液面的瞬間變化。將拍攝得到的圖像導(dǎo)入圖像處理軟件ImageJ中，利用軟件中的測量工具，沿著結(jié)晶器的寬面和窄面選取多個(gè)測量點(diǎn)，測量每個(gè)測量點(diǎn)處自由液面的高度隨時(shí)間的變化。通過對(duì)這些高度數(shù)據(jù)的分析，得到自由液面的波高和波動(dòng)頻率。在結(jié)晶器寬面的某一測量點(diǎn)處，通過圖像處理分析得到自由液面的平均波高為[X]mm，波動(dòng)頻率為[X]Hz。五、模擬結(jié)果與分析5.1數(shù)學(xué)模擬結(jié)果分析通過數(shù)學(xué)模擬，得到了結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場的速度矢量圖和流線圖，這些圖像直觀地展示了鋼液的流動(dòng)形態(tài)和速度分布規(guī)律。在速度矢量圖中，箭頭的方向表示鋼液的流動(dòng)方向，箭頭的長度則代表鋼液的流速大小。從圖中可以清晰地看到，鋼液從浸入式水口側(cè)孔高速射出后，形成強(qiáng)烈的射流，射流與結(jié)晶器窄面碰撞后，一部分鋼液向上流動(dòng)，形成上回流；另一部分鋼液向下流動(dòng)，形成下回流，呈現(xiàn)出典型的雙輥流形態(tài)。在浸入式水口側(cè)孔附近，鋼液的流速較高，達(dá)到[X]m/s以上，隨著與水口距離的增加，流速逐漸降低。在結(jié)晶器的中心區(qū)域，鋼液流速相對(duì)較低，處于[X]-[X]m/s之間，流場相對(duì)較為平穩(wěn)。流線圖則進(jìn)一步展示了鋼液的流動(dòng)軌跡，流線的疏密程度反映了流速的大小，流線越密集的區(qū)域，流速越大。從流線圖中可以看出，鋼液在結(jié)晶器內(nèi)形成了較為規(guī)則的循環(huán)流動(dòng)，上回流和下回流的流線分別圍繞著各自的渦心旋轉(zhuǎn)。上回流的渦心位于結(jié)晶器上部靠近自由液面的位置，下回流的渦心則位于結(jié)晶器下部靠近底部的位置。這種循環(huán)流動(dòng)有利于鋼液的均勻混合和熱量傳遞，但如果流場不穩(wěn)定，可能會(huì)導(dǎo)致夾雜物難以浮出，影響鑄坯質(zhì)量。在不同拉坯速度下，結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場發(fā)生了顯著變化。隨著拉坯速度從1.0m/min增加到1.5m/min，鋼液的流量相應(yīng)增加，導(dǎo)致鋼液從浸入式水口射出的速度增大。從模擬結(jié)果來看，拉坯速度為1.0m/min時(shí)，鋼液的沖擊深度約為[X]mm；當(dāng)拉坯速度提高到1.5m/min時(shí)，沖擊深度增加到[X]mm，增加了約[X]%。這是因?yàn)槔魉俣鹊奶岣呤沟娩撘旱膭?dòng)能增大，射流的沖擊力增強(qiáng)，從而能夠更深地穿透結(jié)晶器內(nèi)的鋼液。高拉速還導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)整體流速增大，自由液面波動(dòng)加劇。當(dāng)拉坯速度為1.0m/min時(shí)，自由液面的最大波高為[X]mm；拉坯速度提高到1.5m/min時(shí)，最大波高增大到[X]mm，增加了約[X]%。劇烈的液面波動(dòng)容易使保護(hù)渣卷入鋼液，形成夾渣缺陷，影響鑄坯表面質(zhì)量。水口浸入深度對(duì)鋼液流場也有重要影響。當(dāng)水口浸入深度從80mm增加到120mm時(shí)，鋼液射流的沖擊點(diǎn)位置下移，沖擊深度減小。浸入深度為80mm時(shí)，沖擊深度約為[X]mm；浸入深度增加到120mm時(shí)，沖擊深度減小到[X]mm，減小了約[X]%。這是因?yàn)樗诮肷疃鹊脑黾邮沟娩撘荷淞髟诮Y(jié)晶器內(nèi)的行程變長，能量逐漸衰減，從而沖擊深度減小。水口浸入深度的變化還會(huì)影響上回流和下回流的強(qiáng)度和范圍。隨著浸入深度的增加，上回流的強(qiáng)度減弱，下回流的強(qiáng)度相對(duì)增強(qiáng)，這是由于沖擊點(diǎn)下移，使得向上流動(dòng)的鋼液量減少，向下流動(dòng)的鋼液量增加。上回流強(qiáng)度的減弱可能會(huì)影響夾雜物的上浮，而下回流強(qiáng)度的增強(qiáng)則可能對(duì)結(jié)晶器底部的坯殼產(chǎn)生更大的沖刷作用。5.2物理模擬結(jié)果分析在物理模擬實(shí)驗(yàn)中，通過高速攝像機(jī)清晰地觀察到了鋼液的流動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)拉坯速度較低時(shí)，如0.8m/min，結(jié)晶器內(nèi)自由液面相對(duì)較為平穩(wěn)，波動(dòng)較小，液面波高在[X]mm以內(nèi)。此時(shí)，鋼液從浸入式水口流出后，形成的射流相對(duì)較弱，與結(jié)晶器壁碰撞后，上回流和下回流的強(qiáng)度適中，流場較為穩(wěn)定。在水口側(cè)孔附近，可以觀察到鋼液的流速相對(duì)較大，形成明顯的射流區(qū)域，隨著與水口距離的增加，流速逐漸減小，流場逐漸趨于平緩。隨著拉坯速度增加到1.6m/min，自由液面波動(dòng)明顯加劇，液面波高增大到[X]mm以上，出現(xiàn)了明顯的漩渦。高速拉坯使得鋼液的流量和流速大幅增加，從水口射出的鋼液射流動(dòng)能增大，與結(jié)晶器壁碰撞后產(chǎn)生的沖擊力增強(qiáng)，導(dǎo)致自由液面不穩(wěn)定。在結(jié)晶器的某些區(qū)域，由于鋼液流速的不均勻分布，形成了局部的漩渦，漩渦的存在會(huì)影響鋼液的流動(dòng)穩(wěn)定性，增加夾雜物卷入的風(fēng)險(xiǎn)。在結(jié)晶器的寬面中心區(qū)域，觀察到漩渦的形成，漩渦的直徑約為[X]mm，其旋轉(zhuǎn)方向與鋼液的整體流動(dòng)方向相關(guān)，對(duì)該區(qū)域的鋼液流動(dòng)和傳熱產(chǎn)生了顯著影響。對(duì)比不同拉坯速度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析工藝參數(shù)對(duì)鋼液流動(dòng)行為的影響趨勢。隨著拉坯速度的提高，結(jié)晶器內(nèi)平均流速呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。當(dāng)拉坯速度從0.8m/min增加到1.2m/min時(shí)，平均流速從[X]m/s增加到[X]m/s，增加了約[X]%；當(dāng)拉坯速度進(jìn)一步提高到1.6m/min時(shí)，平均流速達(dá)到[X]m/s，較1.2m/min時(shí)又增加了約[X]%。這表明拉坯速度的變化對(duì)鋼液的流動(dòng)速度有著直接的影響，拉坯速度越大，鋼液的整體流動(dòng)速度越快。液面波高也隨著拉坯速度的增加而增大。拉坯速度為0.8m/min時(shí)，平均液面波高為[X]mm；拉坯速度提高到1.2m/min時(shí)，平均液面波高增大到[X]mm；當(dāng)拉坯速度達(dá)到1.6m/min時(shí)，平均液面波高進(jìn)一步增大到[X]mm。液面波高的增大意味著自由液面的穩(wěn)定性變差，保護(hù)渣卷入鋼液的風(fēng)險(xiǎn)增加，從而影響鑄坯的表面質(zhì)量。在不同水口浸入深度的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)水口浸入深度較淺時(shí)，如80mm，鋼液射流的沖擊深度較大，對(duì)結(jié)晶器底部的沖刷作用較強(qiáng)。從實(shí)驗(yàn)觀察來看，鋼液射流能夠直接沖擊到結(jié)晶器底部，在底部形成較強(qiáng)的回流，導(dǎo)致底部區(qū)域的流速較大。這可能會(huì)對(duì)鑄坯底部的坯殼生長產(chǎn)生不利影響，增加底部缺陷的產(chǎn)生概率。隨著水口浸入深度增加到120mm，沖擊深度明顯減小，鋼液射流在結(jié)晶器內(nèi)的行程變長，能量逐漸衰減，使得沖擊深度減小。此時(shí)，結(jié)晶器底部的流速降低，流場相對(duì)更加穩(wěn)定。水口浸入深度的增加還會(huì)使上回流和下回流的強(qiáng)度和范圍發(fā)生變化。上回流的強(qiáng)度減弱，下回流的強(qiáng)度相對(duì)增強(qiáng)，這會(huì)影響夾雜物的上浮和分布情況。對(duì)比不同水口浸入深度下的流速分布數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著水口浸入深度的增加，結(jié)晶器上部區(qū)域的流速逐漸減小，而下部區(qū)域的流速則先減小后略有增大。當(dāng)水口浸入深度從80mm增加到100mm時(shí)，結(jié)晶器上部區(qū)域的平均流速從[X]m/s減小到[X]m/s，下部區(qū)域的平均流速從[X]m/s減小到[X]m/s；當(dāng)水口浸入深度進(jìn)一步增加到120mm時(shí)，上部區(qū)域的平均流速繼續(xù)減小到[X]m/s，下部區(qū)域的平均流速則增大到[X]m/s。這種流速分布的變化與水口浸入深度對(duì)鋼液射流和流場結(jié)構(gòu)的影響密切相關(guān)。5.3數(shù)學(xué)模擬與物理模擬結(jié)果的對(duì)比將數(shù)學(xué)模擬與物理模擬得到的鋼液流速進(jìn)行對(duì)比，以結(jié)晶器內(nèi)某特征點(diǎn)為例，在拉坯速度為1.2m/min，浸入式水口浸入深度為100mm的工況下，數(shù)學(xué)模擬得到該點(diǎn)的鋼液流速為[X]m/s，物理模擬測量值為[X]m/s。兩者的相對(duì)誤差在[X]%以內(nèi)，整體趨勢較為一致，都表明隨著拉坯速度的增加，該點(diǎn)的鋼液流速呈上升趨勢。在拉坯速度從1.0m/min增加到1.5m/min的過程中，數(shù)學(xué)模擬和物理模擬得到的流速增量分別為[X]m/s和[X]m/s，變化趨勢基本相同。在液面波動(dòng)方面，數(shù)學(xué)模擬計(jì)算得到的自由液面最大波高與物理模擬測量結(jié)果存在一定差異。在相同工藝條件下，數(shù)學(xué)模擬得到的自由液面最大波高為[X]mm，而物理模擬測量值為[X]mm，相對(duì)誤差為[X]%。從變化趨勢來看，兩者都顯示隨著拉坯速度的提高，液面波高增大。在拉坯速度從0.8m/min增加到1.6m/min時(shí)，數(shù)學(xué)模擬和物理模擬得到的液面波高增量分別為[X]mm和[X]mm。對(duì)于兩者之間的一致性，主要源于兩種模擬方法都基于相似的物理原理和假設(shè)。數(shù)學(xué)模擬通過求解控制方程來描述鋼液的流動(dòng)，物理模擬則依據(jù)相似原理構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，保證了模型與原型在流動(dòng)特性上的相似性。在相似準(zhǔn)數(shù)相等的條件下，物理模擬中的水流和數(shù)學(xué)模擬中的鋼液具有相似的慣性力、重力和粘性力的相對(duì)大小，從而使得兩種模擬方法得到的流速和液面波動(dòng)的變化趨勢能夠相互印證。差異的產(chǎn)生原因主要包括模型簡化和實(shí)驗(yàn)誤差。在數(shù)學(xué)模擬中，為了便于求解控制方程，對(duì)實(shí)際物理過程進(jìn)行了一定的簡化和假設(shè)。假設(shè)鋼液為不可壓縮的牛頓流體，忽略了結(jié)晶器振動(dòng)、保護(hù)渣的復(fù)雜作用以及鋼液凝固過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化等因素。這些簡化可能導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差，尤其是在描述自由液面波動(dòng)等復(fù)雜現(xiàn)象時(shí)。在模擬自由液面波動(dòng)時(shí)，雖然采用了VOF方法，但由于實(shí)際鋼液表面存在保護(hù)渣層，其對(duì)鋼液表面張力和粘性的影響較為復(fù)雜，難以在模型中精確體現(xiàn)，從而導(dǎo)致模擬得到的液面波高與實(shí)際測量值存在差異。物理模擬實(shí)驗(yàn)中也不可避免地存在實(shí)驗(yàn)誤差。測量儀器的精度限制是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差的重要因素之一。PIV測量流速時(shí)，示蹤粒子的跟隨性、激光光源的穩(wěn)定性以及圖像采集和處理過程中的噪聲等因素，都可能影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在使用PIV測量流速時(shí)，示蹤粒子與水流的密度不完全相同，可能導(dǎo)致示蹤粒子不能完全準(zhǔn)確地跟隨水流運(yùn)動(dòng)，從而使測量得到的流速存在一定誤差。實(shí)驗(yàn)條件的控制也難以做到完全精確。在調(diào)整拉坯速度、水口浸入深度等實(shí)驗(yàn)變量時(shí)，存在一定的誤差范圍，這也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。在設(shè)置拉坯速度為1.2m/min時(shí)，實(shí)際的水流速度可能在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，從而導(dǎo)致測量結(jié)果與理論值存在偏差。六、鋼液流動(dòng)行為的影響因素分析6.1浸入式水口結(jié)構(gòu)對(duì)鋼液流動(dòng)的影響浸入式水口結(jié)構(gòu)作為影響薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的關(guān)鍵因素之一，其側(cè)孔角度、直徑等參數(shù)的變化會(huì)顯著改變鋼液的射流方向、沖擊深度和流場分布，對(duì)鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。不同側(cè)孔角度的浸入式水口對(duì)鋼液射流方向有著決定性影響。當(dāng)側(cè)孔角度較小時(shí)，如10°，鋼液從側(cè)孔射出后，射流方向相對(duì)較為水平，與結(jié)晶器窄面的碰撞點(diǎn)位置較高。從模擬結(jié)果的速度矢量圖和流線圖可以清晰地看到，此時(shí)鋼液形成的向上流股較強(qiáng)，向下流股相對(duì)較弱。在結(jié)晶器上部區(qū)域，鋼液流速較大，自由液面附近的流速可達(dá)[X]m/s，這使得自由液面波動(dòng)加劇，保護(hù)渣卷入鋼液的風(fēng)險(xiǎn)增加。由于向上流股較強(qiáng)，夾雜物在向上運(yùn)動(dòng)過程中更容易受到干擾，不利于夾雜物的下沉去除，可能導(dǎo)致夾雜物殘留在鑄坯內(nèi)部，影響鑄坯的潔凈度。隨著側(cè)孔角度增大，如增加到30°，鋼液射流方向更傾向于向下，與結(jié)晶器窄面的碰撞點(diǎn)位置下移。此時(shí)，向下流股增強(qiáng)，向上流股減弱。在結(jié)晶器下部區(qū)域，鋼液流速明顯增大，沖擊深度增加，對(duì)結(jié)晶器底部的沖刷作用增強(qiáng)。研究表明，側(cè)孔角度為30°時(shí)，鋼液的沖擊深度比10°時(shí)增加了約[X]mm。雖然向下流股的增強(qiáng)有利于夾雜物的下沉，但如果沖擊深度過大，可能會(huì)對(duì)結(jié)晶器底部的坯殼產(chǎn)生較大的沖刷力，影響坯殼的均勻生長，增加鑄坯底部出現(xiàn)缺陷的概率。浸入式水口直徑的變化同樣會(huì)對(duì)鋼液流動(dòng)產(chǎn)生顯著影響。較大直徑的水口，如40mm，意味著鋼液的流通面積增大。在相同的拉坯速度下，鋼液的流速相對(duì)較低，射流的動(dòng)能較小。從模擬結(jié)果可知，此時(shí)鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的沖擊深度減小，流場分布相對(duì)較為均勻，有利于減少對(duì)坯殼的沖刷和保護(hù)渣的卷入。水口直徑過大，鋼液在水口內(nèi)的停留時(shí)間過短，鋼液的溫度分布不均勻，可能導(dǎo)致鑄坯質(zhì)量下降。較小直徑的水口，如30mm，會(huì)使鋼液流速增大，射流動(dòng)能增強(qiáng)。在模擬中觀察到，鋼液的出口流速比40mm直徑水口時(shí)增加了約[X]m/s，沖擊深度明顯增加。高流速的鋼液射流會(huì)使結(jié)晶器內(nèi)的流場變得更加湍急，自由液面波動(dòng)加劇，增加了卷渣的風(fēng)險(xiǎn)。較小的水口直徑還可能導(dǎo)致水口堵塞的風(fēng)險(xiǎn)增加，影響連鑄過程的順利進(jìn)行。為了優(yōu)化水口結(jié)構(gòu)以改善鋼液流動(dòng)狀態(tài)，需要綜合考慮側(cè)孔角度和直徑的影響。通過模擬不同側(cè)孔角度和直徑組合下的鋼液流動(dòng)行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)側(cè)孔角度為20°，直徑為35mm時(shí)，能夠在一定程度上平衡向上流股和向下流股的強(qiáng)度，使鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的流場分布較為均勻，沖擊深度適中，既能保證夾雜物的有效上浮和下沉，又能減少對(duì)坯殼的沖刷和自由液面的波動(dòng)。在實(shí)際生產(chǎn)中，還需要根據(jù)鋼種、拉坯速度等工藝條件，進(jìn)一步調(diào)整水口結(jié)構(gòu)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的鋼液流動(dòng)狀態(tài)和鑄坯質(zhì)量。6.2拉坯速度對(duì)鋼液流動(dòng)的影響拉坯速度作為薄板坯連鑄過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為有著顯著影響，進(jìn)而關(guān)系到鑄坯的質(zhì)量和生產(chǎn)的穩(wěn)定性。隨著拉坯速度的增加，鋼液的流量和流速呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢。根據(jù)連續(xù)性方程，在薄板坯連鑄過程中，鋼液的流量Q與拉坯速度v、鑄坯橫截面積A之間存在關(guān)系Q=vA。當(dāng)拉坯速度增大時(shí)，為了滿足鑄坯的拉出需求，單位時(shí)間內(nèi)注入結(jié)晶器的鋼液量必須相應(yīng)增加，即鋼液流量增大。在某薄板坯連鑄工藝中，當(dāng)拉坯速度從1.0m/min提高到1.5m/min時(shí)，鋼液流量從[X]m3/min增加到[X]m3/min，增加了約[X]%。鋼液流量的增大直接導(dǎo)致鋼液從浸入式水口射出的速度增大。從能量守恒的角度來看，拉坯速度的提高使得鋼液獲得了更大的動(dòng)能，以滿足快速拉出鑄坯的要求。當(dāng)拉坯速度為1.0m/min時(shí)，鋼液從浸入式水口射出的速度為[X]m/s；當(dāng)拉坯速度提高到1.5m/min時(shí)，射出速度增大到[X]m/s，增加了約[X]%。這種流速的增大使得鋼液射流的沖擊力增強(qiáng)，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的流場分布產(chǎn)生了重大影響。在高拉速下，鋼液的流動(dòng)行為發(fā)生了一系列變化，其中自由液面波動(dòng)加劇是一個(gè)顯著特征。高拉速使得鋼液表面流速增大，自由液面受到的擾動(dòng)增強(qiáng)。從模擬結(jié)果來看，當(dāng)拉坯速度為1.0m/min時(shí)，自由液面的最大波高為[X]mm；當(dāng)拉坯速度提高到1.5m/min時(shí)，最大波高增大到[X]mm，增加了約[X]%。劇烈的液面波動(dòng)容易使保護(hù)渣卷入鋼液中，形成皮下夾渣等缺陷，嚴(yán)重影響鑄坯的表面質(zhì)量。液面波動(dòng)還會(huì)影響坯殼在結(jié)晶器壁上的均勻生長，導(dǎo)致坯殼厚度不均勻，增加鑄坯產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。高拉速下鋼液的紊流程度增強(qiáng)，這對(duì)夾雜物和氣泡的上浮去除產(chǎn)生了不利影響。紊流程度的增強(qiáng)使得鋼液中的夾雜物和氣泡受到更復(fù)雜的流體力作用，其運(yùn)動(dòng)軌跡變得更加不規(guī)則。在低拉速下，夾雜物和氣泡能夠相對(duì)順利地向上浮起，被保護(hù)渣吸收或排出結(jié)晶器；而在高拉速下，夾雜物和氣泡更容易被卷入鋼液內(nèi)部，難以克服紊流的阻礙而上浮，從而殘留在鑄坯內(nèi)部，降低鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。拉坯速度的提高還會(huì)使鋼液對(duì)結(jié)晶器壁的沖刷作用增強(qiáng)。高流速的鋼液射流與結(jié)晶器壁碰撞時(shí)，產(chǎn)生的沖擊力增大，加快了結(jié)晶器銅板的磨損。研究表明，當(dāng)拉坯速度從1.0m/min提高到1.5m/min時(shí)，結(jié)晶器壁面的磨損速率增加了約[X]%。結(jié)晶器銅板的磨損不僅會(huì)降低結(jié)晶器的使用壽命，增加生產(chǎn)成本，還可能導(dǎo)致結(jié)晶器壁的傳熱性能下降，影響鑄坯的凝固質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了應(yīng)對(duì)高拉速帶來的問題，需要采取一系列措施?？梢酝ㄟ^優(yōu)化浸入式水口結(jié)構(gòu)，如調(diào)整側(cè)孔角度和直徑，來改善鋼液的流動(dòng)狀態(tài)，減少自由液面波動(dòng)和夾雜物的卷入。合理控制保護(hù)渣的性能，提高其吸收夾雜物的能力和在鋼液表面的穩(wěn)定性，也有助于減少鑄坯缺陷的產(chǎn)生。加強(qiáng)結(jié)晶器的冷卻強(qiáng)度，提高結(jié)晶器壁的傳熱效率，以保證坯殼的均勻生長，降低拉漏的風(fēng)險(xiǎn)。6.3結(jié)晶器尺寸對(duì)鋼液流動(dòng)的影響結(jié)晶器尺寸作為影響薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的重要因素之一，其寬度、長度等參數(shù)的變化會(huì)顯著改變鋼液的流動(dòng)空間和阻力，進(jìn)而對(duì)鋼液的流場穩(wěn)定性和均勻性產(chǎn)生重要影響。結(jié)晶器寬度的改變會(huì)直接影響鋼液在水平方向的流動(dòng)空間和阻力。當(dāng)結(jié)晶器寬度較小時(shí)，鋼液在水平方向的流動(dòng)受到限制，鋼液更容易在局部區(qū)域聚集，導(dǎo)致流場分布不均勻。從模擬結(jié)果的速度矢量圖可以看出，在窄結(jié)晶器中，鋼液從浸入式水口射出后，很快與結(jié)晶器壁碰撞，使得鋼液在靠近壁面的區(qū)域流速較大，而在結(jié)晶器中心區(qū)域流速相對(duì)較小，形成明顯的流速梯度。這種不均勻的流速分布會(huì)導(dǎo)致鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間不一致，部分區(qū)域的鋼液可能停留時(shí)間過長，熱量散失過多，影響鑄坯的凝固質(zhì)量；而部分區(qū)域的鋼液則可能停留時(shí)間過短，導(dǎo)致凝固不完全。較小的結(jié)晶器寬度還會(huì)使鋼液與結(jié)晶器壁的碰撞更加頻繁，對(duì)結(jié)晶器壁的沖刷作用增強(qiáng)。高速流動(dòng)的鋼液不斷沖擊結(jié)晶器壁，會(huì)加快結(jié)晶器銅板的磨損，降低結(jié)晶器的使用壽命。結(jié)晶器壁的磨損還可能導(dǎo)致結(jié)晶器壁的表面粗糙度增加，進(jìn)一步影響鋼液的流動(dòng)，增加鑄坯表面缺陷的產(chǎn)生概率。相反，當(dāng)結(jié)晶器寬度較大時(shí)，鋼液的流動(dòng)空間相對(duì)較大，流場分布相對(duì)均勻。鋼液從浸入式水口射出后，在結(jié)晶器內(nèi)有更廣闊的空間進(jìn)行擴(kuò)散和混合，使得流速分布更加均勻，有利于鋼液的均勻凝固和夾雜物的上浮去除。結(jié)晶器寬度過大也會(huì)帶來一些問題。鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間過長，熱量散失過多，可能導(dǎo)致鋼液溫度過低，影響連鑄過程的順利進(jìn)行。較大的結(jié)晶器寬度還會(huì)增加設(shè)備成本和占地面積，降低生產(chǎn)效率。結(jié)晶器長度的變化主要影響鋼液在垂直方向的流動(dòng)和凝固過程。較長的結(jié)晶器可以提供更長的凝固時(shí)間和空間，有利于鋼液的充分凝固和夾雜物的上浮去除。鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間增加，熱量能夠更均勻地散失，坯殼生長更加均勻，從而減少鑄坯內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。在模擬中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)晶器長度增加時(shí)，鋼液的下回流區(qū)域增大，夾雜物有更多的機(jī)會(huì)隨著下回流運(yùn)動(dòng)到結(jié)晶器底部，然后通過上浮去除。結(jié)晶器過長會(huì)增加設(shè)備成本和占地面積，同時(shí)也可能導(dǎo)致鋼液溫度過低，影響連鑄過程的順利進(jìn)行。過長的結(jié)晶器會(huì)使鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的散熱面積增大，熱量散失過快，導(dǎo)致鋼液的過熱度降低，凝固速度加快，可能會(huì)出現(xiàn)鑄坯拉漏等問題。較短的結(jié)晶器則會(huì)使鋼液的凝固時(shí)間縮短，可能導(dǎo)致鑄坯坯殼厚度不足，容易出現(xiàn)拉漏等事故。在短結(jié)晶器中，鋼液從浸入式水口注入后，沒有足夠的時(shí)間在結(jié)晶器內(nèi)充分凝固形成足夠厚度的坯殼，當(dāng)鑄坯從結(jié)晶器下口拉出時(shí)，坯殼可能無法承受鋼液的靜壓力而破裂，導(dǎo)致拉漏事故的發(fā)生。為了優(yōu)化結(jié)晶器尺寸以改善鋼液流動(dòng)狀態(tài)，需要綜合考慮結(jié)晶器寬度和長度的影響。通過模擬不同寬度和長度組合下的鋼液流動(dòng)行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)結(jié)晶器寬度為1300mm，長度為1200mm時(shí)，能夠在一定程度上平衡鋼液的流動(dòng)空間和阻力，使鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的流場分布較為均勻，凝固過程較為穩(wěn)定，既能保證鑄坯的質(zhì)量，又能兼顧設(shè)備成本和生產(chǎn)效率。在實(shí)際生產(chǎn)中，還需要根據(jù)鋼種、拉坯速度等工藝條件，進(jìn)一步調(diào)整結(jié)晶器尺寸參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的鋼液流動(dòng)狀態(tài)和鑄坯質(zhì)量。七、基于模擬結(jié)果的連鑄工藝優(yōu)化策略7.1優(yōu)化目標(biāo)與原則薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的優(yōu)化，旨在提高鑄坯質(zhì)量、減少缺陷，以滿足現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)對(duì)高品質(zhì)產(chǎn)品的需求。鑄坯質(zhì)量是鋼鐵生產(chǎn)的核心指標(biāo)，直接關(guān)系到產(chǎn)品在后續(xù)加工和使用過程中的性能和可靠性。通過優(yōu)化鋼液流動(dòng)行為，可以有效減少鑄坯中的氣泡、夾雜物、裂紋等缺陷，提高鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量，從而提升產(chǎn)品的合格率和市場競爭力。減少鑄坯內(nèi)部的氣泡和夾雜物含量，能夠提高鑄坯的純凈度，增強(qiáng)其力學(xué)性能，使其更適合用于制造對(duì)材料質(zhì)量要求較高的產(chǎn)品，如汽車零部件、航空航天部件等。優(yōu)化鋼液流動(dòng)還可以改善鑄坯的凝固組織，細(xì)化晶粒，提高鑄坯的強(qiáng)度和韌性。在追求優(yōu)化目標(biāo)的過程中，需要遵循一系列重要原則。工藝可行性是首要考慮因素，任何優(yōu)化策略都必須基于現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)條件，確保在實(shí)際生產(chǎn)中能夠順利實(shí)施。這要求對(duì)連鑄生產(chǎn)線的設(shè)備性能、工藝參數(shù)范圍等有深入的了解，避免提出過于理想化而無法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化方案。在優(yōu)化浸入式水口結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮水口的制造工藝和安裝方式，確保新的水口結(jié)構(gòu)能夠與現(xiàn)有結(jié)晶器和連鑄設(shè)備相匹配。經(jīng)濟(jì)性原則也是優(yōu)化過程中不可或缺的考量因素。優(yōu)化策略應(yīng)在提高鑄坯質(zhì)量的同時(shí)，盡量降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。這包括減少能源消耗、降低原材料浪費(fèi)、延長設(shè)備使用壽命等方面。通過優(yōu)化拉坯速度和結(jié)晶器冷卻參數(shù)，在保證鑄坯質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)效率，降低單位產(chǎn)品的能耗，從而降低生產(chǎn)成本。環(huán)保性原則在當(dāng)今的鋼鐵生產(chǎn)中日益重要。優(yōu)化策略應(yīng)注重減少對(duì)環(huán)境的影響，降低污染物排放。在選擇保護(hù)渣等輔助材料時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮環(huán)保型產(chǎn)品，減少其中有害物質(zhì)的含量；在優(yōu)化鋼液流動(dòng)過程中，通過合理控制工藝參數(shù)，減少鋼液的飛濺和氧化，降低粉塵和廢氣的排放。7.2工藝參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整基于模擬結(jié)果，針對(duì)浸入式水口結(jié)構(gòu)參數(shù)、拉坯速度和結(jié)晶器尺寸提出以下優(yōu)化方案：在浸入式水口結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，經(jīng)模擬對(duì)比不同側(cè)孔角度和直徑組合下的鋼液