Multiphase Flow Simulation of the Slag Entrapment Behavior of Steel Ingots Influenced by the Inlet Angle of the Nozzle

Zhang Lianyou; Liu Qin; Xiao Jia; Huo Zhonglin; Ai Xingang; Li Shengli

doi:10.20057/j.1003-8620.2025-00141

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Multiphase Flow Simulation of the Slag Entrapment Behavior of Steel Ingots Influenced by the Inlet Angle of the Nozzle

Smelting and Solidification | 更新时间：2026-03-03

- Multiphase Flow Simulation of the Slag Entrapment Behavior of Steel Ingots Influenced by the Inlet Angle of the Nozzle
- Special Steel Vol. 47, Issue 2, Pages: 80-88(2026)
- 作者机构：
  
  1.辽宁科技大学材料与冶金学院，鞍山 114051
  2.东北特殊钢集团有限责任公司，大连 116300
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.20057/j.1003-8620.2025-00141
  CLC： TF775
- Received：22 May 2025，
  
  Published：30 March 2026
- 稿件说明：
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张连有,刘钦,肖佳等.水口入口角度对钢锭卷渣行为的多相流模拟[J].特殊钢,2026,47(02):80-88.

Zhang Lianyou,Liu Qin,Xiao Jia,et al.Multiphase Flow Simulation of the Slag Entrapment Behavior of Steel Ingots Influenced by the Inlet Angle of the Nozzle[J].Special Steel,2026,47(02):80-88.
张连有,刘钦,肖佳等.水口入口角度对钢锭卷渣行为的多相流模拟[J].特殊钢,2026,47(02):80-88. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00141.

Zhang Lianyou,Liu Qin,Xiao Jia,et al.Multiphase Flow Simulation of the Slag Entrapment Behavior of Steel Ingots Influenced by the Inlet Angle of the Nozzle[J].Special Steel,2026,47(02):80-88. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00141.

摘要

卷渣作为钢锭充型过程中形成的典型缺陷，直接影响钢锭最终质量。锭模底部水口形状是影响钢液流动和卷渣行为的关键因素，为了探究水口形状对卷渣行为的影响规律，基于Fluent多相流模型，通过考虑钢液、保护渣、空气三相间的相互作用及钢液充型过程的凝固行为，系统研究了水口入口角度（5°、15°、25°）对3.1 t钢锭充型过程流场、渣滴捕获等行为的影响。结果表明，充型初期钢锭尾部区域凝固壳较薄，且钢液内部流动性较好，渣滴会迅速上浮至渣层；随着充型高度的增加，水口入口角度的改变会显著影响钢液流动形式，入口角度越大，钢液主流股越向外侧壁面方向偏移；对于该锭型，水口入口角度为5°时，钢液内部涡流始终位于近液面未形成凝固坯壳区域，流动模式及凝固进程更利于抑制卷渣的发生。该研究可为下注法模铸生产中水口形状设计提供参考和指导。

Abstract

As a typical defect formed during the ingot filling process， the slag entrapment directly affects the final quality of the steel ingot. The shape of the nozzle at the bottom of the ingot mold is a key factor influencing the flow of molten steel and the behavior of slag entrapment，in order to explore the influence law of the shape of the nozzle on the slag entrapment behavior， this paper， based on the Fluent multiphase flow model， systematically studies the influence of the inlet angles of the nozzle （5°， 15°， 25°） on the behaviors such as the flow field and slag droplet capture during the filling process of a 3.1 t steel ingot by taking into account the interactions among the three phases of molten steel， mold powder， and air as well as the solidification behavior during the filling process of molten steel. The results show that： in the initial stage of the filling process， the solidified shell in the tail region of the steel ingot is relatively thin， and the internal fluidity inside the molten steel is good， so the slag droplets will quickly float up to the slag layer. With the increase of the filling height， the change of the inlet angle of the nozzle will significantly affect the flow pattern of the molten steel. The larger the inlet angle is， the more the main stream of the molten steel will deviate towards the outer sidewall. For this type of ingot， when the inlet angle of the nozzle is 5°， the internal eddy current inside the molten steel is always located in the area near the liquid surface where the solidified ingot shell has not been formed. The flow pattern and the solidification process are more conducive to suppressing the occurrence of slag entrapment.This study can offer references and guidance for the design of nozzle shapes in bottom-pouring mold casting production.

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Keywords

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