Numerical Simulation of Structural Optimization And Process Parameter Control of Submerged Nozzles For Wide And Thick Slab

Qu Tianbao; Li Zhiguang; Sun Tuo; Cheng Guanjiang; Liu Guangchao; Li Tao; Gu Shaopeng

doi:10.20057/j.1003-8620.2025-00164

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Numerical Simulation of Structural Optimization And Process Parameter Control of Submerged Nozzles For Wide And Thick Slab

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

- Numerical Simulation of Structural Optimization And Process Parameter Control of Submerged Nozzles For Wide And Thick Slab
- Special Steel Vol. 47, Issue 2, Pages: 89-99(2026)
- 作者机构：
  
  1.安阳钢铁股份有限公司，安阳 463899
  2.华北理工大学冶金与能源学院，唐山 063210
  3.河北钢铁实验室，唐山 063210
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.20057/j.1003-8620.2025-00164
  CLC： TF701
- Received：04 July 2025，
  
  Published：30 March 2026
- 稿件说明：
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曲天保,李志广,孙拓等.宽厚板坯浸入式水口结构优化及工艺参数调控数值模拟[J].特殊钢,2026,47(02):89-99.

Qu Tianbao,Li Zhiguang,Sun Tuo,et al.Numerical Simulation of Structural Optimization And Process Parameter Control of Submerged Nozzles For Wide And Thick Slab[J].Special Steel,2026,47(02):89-99.
曲天保,李志广,孙拓等.宽厚板坯浸入式水口结构优化及工艺参数调控数值模拟[J].特殊钢,2026,47(02):89-99. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00164.

Qu Tianbao,Li Zhiguang,Sun Tuo,et al.Numerical Simulation of Structural Optimization And Process Parameter Control of Submerged Nozzles For Wide And Thick Slab[J].Special Steel,2026,47(02):89-99. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00164.

摘要

浸入式水口是连铸结晶器内钢液流动的导向部件，优化浸入式水口构造、提升钢液流动状态，对生产高品质的铸坯具有重大意义。以河南某钢厂230 mm×1 650 mm宽厚板坯连铸结晶器内流场为研究对象，采用ANSYS-FLUENT软件开展系统数值仿真研究。针对生产过程中结晶器内钢液面存在剧烈波动状况，采用一种新型扁形水口，剖析更换后的浸入式水口对结晶器内钢液流场的影响。研究结果显示，更换扁形水口后，结晶器内钢液流场的流动趋势较好，更换前圆形水口结晶器内自由钢液面速度波动较大，距离水口0~0.3 m范围内钢渣界面速度波动较大，最高达到0.3 m/s，导致钢液面波动剧烈且引起表面夹渣行为，严重影响铸坯质量。此外，采用扁形水口的湍动能比圆形水口的湍动能减少50%，显著降低水口结瘤堵塞风险，提高了浸入式水口寿命。综合分析，新型扁形水口比圆形水口更适合宽厚板现场。最后，对扁形水口进行工艺参数模拟，结果表明，当水口浸入深度125 mm，拉速0.8 m/min，水口倾角15 °时，能够获得较为理想的结晶器内的钢液流场形态，为该新型水口的最佳使用工艺方案，这为该钢铁企业制定合理的工艺参量提供了借鉴和引导。

Abstract

The submerged nozzle is the guiding part of molten steel flow in continuous casting mold. Optimizing the structure of submerged nozzle and improving the flow state of molten steel are of great significance for producing high quality cast billet.The flow field in the continuous casting mold with a size of 230 mm×1 650 mm wide and thick slab in a steel plant in Henan Province was systematically studied， and a numerical simulation was conducted using FLUENT software. In view of the violent fluctuation of molten steel level in the mold during production， a new flat nozzle is adopted to analyze the influence of the replaced submerged nozzle on the flow field of molten steel in the mold.Research findings indicate that substituting the flat nozzle led to a more favorable flow pattern of the molten steel within the mold. Before the replacement， the free steel liquid surface velocity in the circular nozzle mold fluctuated greatly， and the velocity of the steel-slag interface within the range of 0 m-0.3 m from the nozzle fluctuate greatly and reach a maximum of 0.3 m/s. It caused severe fluctuations in the steel liquid surface and surface slag inclusion behavior， seriously affecting the quality of the cast billet. In addition， the turbulent energy of a flat nozzle is reduced by 50% compared to a circular nozzle. Which significantly reduce the risk of nozzle clogging and increasing the service life of submerged nozzles. Comprehensive analysis shows that the new flat nozzle is more suitable for wide and thick plate site than the circular nozzle.Finally， the process parameters of the flat nozzle were simulated， and the results showed that when the nozzle was immersed at a depth of 125 mm， pulled at a speed of 0.8 m/min， and tilted at an angle of 15 °， a relatively ideal flow field shape of the mold could be obtained. This provides the best process plan for the use of this new nozzle and provides reference and guidance for the steel and iron enterprise to formulate reasonable process parameters.

关键词

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王利波，李月颖，马桂芬 . 连铸板坯结晶器水口优化及现场应用［J］. 冶金标准化与质量， 2023 ， 61 （ 3 ）： 43 - 48 .

张利民，肖鹏程，朱立光 . 薄板坯连铸用新型浸入式水口数值模拟分析［J］. 连铸， 2023 ， 48 （ 3 ）： 22 - 26 .

陆靖洲，潘伟明，窦　坤，等 . 板坯连铸过程结晶器水口优化数值模拟［J］. 连铸， 2024 ， 49 （ 1 ）： 18 - 25 .

李　瑜，孙彦辉，宋思程，等 . 浸入式水口对薄板坯结晶器内钢液流动的影响［J］. 钢铁研究学报， 2024 ， 36 （ 1 ）： 66 - 75 .

王　杨，马党参，杨卯生，等 . 耗散型浸入式水口对1270 mm×150 mm板坯结晶器流场优化［J］. 中国冶金， 2023 ， 33 （ 10 ）： 65 - 72+80 .

孙国敏，彭勇生，桂　斌，等 . 230 mm厚度断面板坯连铸结晶器浸入式水口结构的优化研究［J］. 宽厚板， 2024 ， 30 （ 5 ）： 10 - 13 .

冯　巍，张　开，方　磊，等 . 水口结构对板坯连铸结晶器流场的影响［J］. 工业加热， 2019 ， 48 （ 5 ）： 11 - 14 .

袁　静，时朋召，徐李军，等 . 250 mm厚板坯结晶器浸入式水口结构的优化研究［J］. 连铸， 2019 ， 44 （ 4 ）： 19 - 25 .

荣文杰，蒲迪涛，霍慧芳，等 . 浸入式水口结构影响板坯连铸结晶器钢液流动行为的研究进展［J］. 材料与冶金学报， 2024 ， 23 （ 6 ）： 513 - 524+545 .

刘佳明，姜　敏，钟华军，等 . 板坯连铸结晶器流场数值模拟［J］. 金属世界， 2024 （ 6 ）： 41 - 46 .

雷琳琳，常运合，罗衍昭，等 . 浸入式水口及其对板坯连铸结晶器流动行为的影响［J］. 连铸， 2023 ， 48 （ 6 ）： 1 - 16+40 .

付菁媛，刘宇航，史庆帅，等 . 160 mm×160 mm连铸方坯结晶器流场数值模拟［J］. 河北冶金， 2025 ，（ 6 ） 1 - 16 .

李　阳 . 连铸板坯结晶器内钢液流速的控制与应用［J］. 河北冶金， 2023 （ 3 ）： 6 - 11 .

侯光达，姜晓艳，公　斌，等 . 板坯连铸机浸入式水口侧孔结构对结晶器流场的影响［J］. 冶金标准化与质量， 2022 ， 60 （ 1 ）： 42 - 46 .

邹　涛，战东平，张慧书，等 . 板坯连铸结晶器水口优化数理试验研究［J］. 钢铁研究学报， 2020 ， 32 （ 4 ）： 304 - 310 .

王　伟，朱立光，张彩军，等 . 180 mm×610 mm板坯连铸结晶器内流场水模型及数值模拟［J］. 中国冶金， 2020 ， 30 （ 2 ）： 46 - 53 .

黄　军，陈震宇，雷　华，等 . 不同水口类型下的宽板坯结晶器流场特征数值模拟研究［J］. 连铸， 2024 ， 49 （ 5 ）： 10 - 19 .

肖太平，倪红卫，孔勇江，等 . 水口扩张角对230 mm×1 300 mm板坯结晶器流场及氩气泡行为的影响［J］. 特殊钢， 2015 ， 36 （ 2 ）： 13 - 16 .

吴炳胜，傅彦棉，田倩影，等 . 新型水口作用下的结晶器流场数值模拟［J］. 铸造技术， 2015 ， 36 （ 3 ）： 763 - 766 .

韩毅彤，张炯明，罗衍昭，等 . 拉速对小方坯结晶器液面波动影响的数值模拟［J］. 特殊钢， 2013 ， 34 （ 6 ）： 14 - 17 .

仇　灏，时朋召 . 不同浸入式水口250 mm×1800 mm板坯连铸过程模拟［J］. 铸造技术， 2017 ， 38 （ 7 ）： 1701 - 1707 .

Li Z Y ， Lu Y ， Wang R D ， et al . Numerical simulation of effects of mold cavity and submerged entry nozzle on flow， heat transfer and solidification in funnel-type molds for thin slab casting ［J］. Metals ， 2025 ， 15 （ 2 ）： 183 .

Ling H T ， Yue Q ， Wang H J ， et al . Evaluation of submerged entry nozzle performance in slab continuous casting molds with different cross sections ［J］. Metallurgical Research & Technology ， 2025 ， 122 （ 3 ）： 301 .

Golani R ， Ganguly S ， Waseer T S ， et al . Effect of submerged entry nozzle design on fluid flow dynamics inside the thin slab caster mold ［J］. Transactions of the Indian Institute of Metals ， 2024 ， 78 （ 1 ）： 16 .

Xu R ， Ling H T ， Tian X ， et al . Effect of submerged entry nozzle structure on fluid flow， slag entrainment， and solidification process in a slab continuous casting mold ［J］. ISIJ International ， 2024 ， 64 （ 6 ）： 1010 - 1018 .

Shen M . Study on structural optimization of submerged nozzle of continuous casting mold by water model experiment ［J］. Metalurgija ， 2023 ， 62 （ 3-4 ）： 349 - 351 .

刘颜彬，唐海燕，王凯民，等 . 水口结构对板坯结晶器液面流动行为的影响［J］. 连铸， 2022 ， 47 （ 3 ）： 1 - 10+17 .

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