冷卻水入水方向對結晶器傳熱的影響
張路平1,2 劉增勳1,2 肖鵬程1,2 朱立光2,3 徐旺1,2
（1.華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063000；2.河北省高品質鋼連鑄技術創新中心，河北 唐山 063000;3.河北科技大學 050018）
摘要:基於ANSYS仿真平臺對方坯結晶器內冷卻水、銅壁之間的傳熱進行了數值模擬研究。本文詳細介紹了冷卻水供水方向的改變對冷卻水溫度場和銅壁溫度場的影響。模擬結果能準確的表達真實的結晶器傳熱情況，為實現優化結晶器水縫設計和冷卻工藝參數提供參考。
關鍵詞：結晶器傳熱；冷卻工藝；數值模擬
The influence of cooling water inlet direction on the heat transfer of mold
Zhang Luping1,2 Liu Zengxun1,2 Xiao Pengcheng1,2 Zhu Liguang1,2 Xu Wang1,2
(1. School of Metallurgy and Energy, North China University of Technology, Tangshan, Hebei 063000; 2. Hebei High-quality Steel Continuous Casting Technology Innovation Center, Tangshan, Hebei 063000)
Abstract：Numerical simulation of the heat transfer between the cooling water and the copper wall in the billet mold was carried out based on the ANSYS simulation platform. This article describes in detail the influence of the cooling water speed, temperature, and the direction of cooling water supply on the cooling water temperature field and copper wall temperature field. The simulation results can accurately express the real heat transfer of the mold, and provide a reference for optimizing the design of the mold water gap and cooling process parameters.
Keywords: mold heat transfer; cooling process; numerical simulation
1 前言
冷卻水與銅壁之間的對流傳熱行為，直接受到水縫內冷卻水流動速度和溫度分布的影響。合理的水縫寬度和布置形式，使水縫內冷卻水得到較高的流動速度。水縫內形成高速湍流，保證冷卻水與銅壁之間達到良好的對流傳熱狀態，使結晶器得到有效冷卻，維持銅壁溫度低於再結晶溫度，確保結晶器安全穩定工作。
2 連鑄結晶器工藝結構參數
表1是模擬計算中應用的連鑄結晶器工藝結構參數。
3 結晶器銅壁與冷卻水模型的建立
運用ANSYS-FLOTRAN對建立的符合實際的有限元模型，進行數值模擬分析研究，討論了供水方向變化對流體溫度場的影響，以及對銅管溫度分布的影響，為以後的實際生產過程提供了理論指導和依據參考。
3.1 模型的簡化與假設根據連鑄結晶器銅壁和冷卻水傳熱的特性，結合前人研究經驗[1-5]，提出以下假設，對模型進行簡化：
1）將耦合模擬計算的鑄坯熱流提取出來施加到該模型銅板熱面；
2）不考慮結晶器振動對鋼液凝固傳熱的影響；
3）忽略結晶器銅板的變形，在使用過程中處於良好狀態；
4）考慮冷卻水的重力作用，水的物性參數在程序中輸入；
5）定義冷卻水的的出口壓力邊界條件，設置壓力為0.3Mpa；
6）水縫兩側固體壁面邊界條件為無滑移壁面；
7）冷卻水縫進行網格加密處理，利於冷卻水模型收斂；
8）結晶器冷卻水為不可壓縮流體，流動狀態為湍流；
9）冷卻水在水縫下端流入，上端流出，在水縫入口施加冷卻水速度、溫度。
3.2 銅壁冷卻水二維有限元模型根據連鑄結晶器銅壁與冷卻水之間傳熱的特點，對模型進行了簡化與假設，採用二維縱向切片法，建立了結晶器與冷卻水的二維數學模型。
對模型進行網格的劃分，選擇FLUID141單元，設置場號為1，劃分冷卻水區域的網格；接著選擇PLANE55單元，設置場號為2，對固體區域繼續進行網格的劃分，採用MAPPED的方式進行劃分網格。
建立的網格模型如圖1所示，冷卻水縫的網格密度要大於結晶器銅壁的網格密度，這是由於水封寬度較窄而冷卻水流動速度較高，細小的網格更有利於模型分析時，模擬冷卻水的最後收斂。並且可以看到，結晶器的結構中，結晶器的銅壁高度要高於冷卻水縫的高度，銅壁的最上端和最下端均有一部分未受到冷卻水的直接冷卻降溫。
3.3 模型的分析方法本研究是用FLOTRAN完成結晶器銅板與冷卻水的流-熱穩態雙向耦合分析。在ANSYS-FLOTRAN中，規定冷卻水流體區域的材料號為1，材料號為2的是結晶器銅板，通過不同的材料號來辨別冷卻水和結晶器銅板，應用間接耦合法進行流-熱雙向耦合分析。
3.4 初始條件和邊界條件結晶器銅板的密度為8900kg/m3，導熱係數為390w/(m/℃)，比熱容為380J/(kg·K)。
由於結晶器冷卻水在冷卻水通道中流速快，水道狹長，可以認為其內部的冷卻水處於不可壓縮紊流狀態，冷卻水從下口流入結晶器水縫管道中，再從上口流出，冷卻水的流動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下端入口處，定義冷卻水初始的速度和溫度，水速為10m/s，水溫是308k，在冷卻水有限元模型的上端出口處，定義冷卻水的出口壓力邊界條件，設置壓力為0.3MPa；設置其他的固體壁面邊界條件為無滑移壁面。選用標準k-ε方程模型求解。
打開溫度控制方程選項，同時設置流體的流動狀態為湍流，其他保持默認狀態即可，接下來設置流體屬性參數，將冷卻水的物性參數以表格的形式輸入到計算機中去，並且冷卻水要考慮豎直向下的重力，設置重力為9.8，接著設置冷卻水求解穩定參數，設置人工阻尼為0.2。
設置流體屬性參數，將不同溫度下的冷卻水的粘度、導熱係數以MP命令加入到程序的命令中，並且冷卻水要考慮豎直向下的重力，設置重力為9.8，接著設置冷卻水求解穩定參數，設置人工阻尼為0.23。
4冷卻水入水方向的改變對結晶器傳熱的影響
在鋼鐵廠的實際生產中，冷卻水流入結晶器冷卻水縫方式通常是由結晶器下端流入，在結晶器冷卻水縫的上端流出，此次研究，運用ANSYS-FLOTRAN分析結晶器冷卻由下供水改為上供水，對結晶器傳熱帶來的影響。
4.1 供水方向變化對銅壁溫度場的影響改變水縫內進水方向時，結晶器銅壁溫度場如圖2所示。
4.2 供水方向變化對銅壁溫度變化規律的影響改變冷卻水入水方向時，結晶器銅壁熱面、冷麵的溫度變化規律如圖3所示。
由圖可以看出，冷卻水由正向供水改為反向供水時，結晶器銅板中上部，熱面和冷麵溫度都出現了不同程度的降低。正向供水時，銅壁溫度最高位於熱面彎月面下約50mm區域，為154.5℃，最低溫度位於冷卻水縫入口與銅壁接觸區域，為入口水溫35℃，銅板上段溫度為46.5℃；反向供水時，銅壁溫度彎月面區域溫度為146.2℃，銅板上段溫度最低為35.3℃。
4.3 供水方向變化對冷卻水溫度變化規律的影響供水方向變化時，冷卻水縫上端溫度分布情況如圖4所示。
由圖可以看出，反向供水時，水縫上端均為冷卻水縫的入口水溫35℃，正向供水時，水縫上端為結晶器冷卻水縫的出口水溫，最高溫度為46.3℃，平均水溫為42.8℃。
如圖5為供水方向不同時，冷卻水縫下端溫度變化曲線。
從圖中可以看到，冷卻水由下進上出時，水縫下端為冷卻水縫入口水溫35℃；冷卻水由上進下出時，水縫下端平均溫度為43.7℃。
4.4 反向供水時冷卻水速度變化規律圖6為水縫中間位置沿水縫縱向的速度變化曲線。
由圖可以看到，在水縫上端為冷卻水的初始速度，大小為13m/s，沿水流方向，速度迅速加快，在距水縫上端129mm處，水速達到最大，大小為14.8m/s，此後沿水流方向速度降低，在水縫下端，速度大小為14.2m/s。
5 結論
（1）正向供水時，銅壁溫度最高點在彎月面附近，溫度最低點位於銅壁冷麵與水縫下端入口相接觸的位置；反向供水時，銅壁溫度最高點在銅壁下端插板卡槽的位置，溫度最低點在銅壁的頂部位置。
（2）供水方式由下供水改為上供水時，銅壁各位置溫度均出現不同程度的降低，相同工藝條件下，銅壁彎月面下50mm位置溫度降低8.3℃，銅壁上端降低11.2℃。
（3）反向供水時，水縫上端均為冷卻水縫的入口水溫35℃，正向供水時，水縫上端為結晶器冷卻水縫的出口水溫，最高溫度為46.3℃，平均水溫為42.8℃。
（4）反向供水時，在水縫上端為冷卻水的初始速度，大小為13m/s，沿水流方向，速度迅速加快，在距水縫上端129mm處，水速達到最大，水速為14.8m/s，此後沿水流方向速度降低，在水縫下端，速度大小為14.2m/s。
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