水口入口角度对钢锭卷渣行为的多相流模拟

张连有; 刘钦; 肖佳; 侯忠霖; 艾新港; 李胜利

doi:10.20057/j.1003-8620.2025-00141

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

水口入口角度对钢锭卷渣行为的多相流模拟

冶炼与凝固 | 更新时间：2026-03-03

- 水口入口角度对钢锭卷渣行为的多相流模拟
- Multiphase Flow Simulation of the Slag Entrapment Behavior of Steel Ingots Influenced by the Inlet Angle of the Nozzle
- 特殊钢 2026年47卷第2期页码：80-88
- 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：
  
  张连有（2001—），男，硕士；E-mail：2771506748@qq.com
  侯忠霖（1981—），男，博士，副教授；E-mail：dlut_kyo@sinal.comEditorial Office of Special Steel. OA under CC BY-NC-ND 4.0
- 基金信息：
  
  辽宁省创新联合体重大专项(2023 JH1/11200012);国家自然科学基金资助项目(52304352);辽宁省高校基本科研业务费项目(LJ212410146038;LJ232410146036;LJ222410146022);教育部“春晖计划”合作科研资助项目(202200042);辽宁省科技厅博士科研启动基金计划资助项目(2023-BS-182)
- DOI：10.20057/j.1003-8620.2025-00141
  中图分类号： TF775
- 收稿：2025-05-22，
  
  纸质出版：2026-03-30
- 稿件说明：
移动端阅览
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.

关键词

Keywords

references

李胜利，葛春钰，李海强，等 . 高品质模铸技术数字化发展思考［J］. 鞍钢技术， 2024 （ 6 ）： 122 - 129+137 .

宋毓旦，刘　钦，刘士瑞，等 . 基于多相凝固模型的钢锭模锭型优化设计［J］. 连铸， 2025 ， 44 （ 1 ）： 56 - 63 .

喻　尧，王　诗，李京社，等 . 薄板坯连铸结晶器弯月面特征参数的模拟及优化［J］. 连铸， 2025 ， 44 （ 1 ）： 102 - 110 .

罗衍昭，刘柏松，唐德池，等 . 基于液位波动特征对汽车板表面卷渣缺陷分析［J］. 钢铁研究学报， 2025 ， 37 （ 1 ）： 69 - 76 .

周乐君，王万林，计　熠，等 . 机器学习在连铸过程应用研究进展［J］. 中国冶金， 2024 ， 34 （ 11 ）： 10 - 21+136 .

富　强，孙才权，刘真海，等 . 铁水包脱硫吹气赶渣工艺多相流数值模拟研究［J］. 炼钢， 2025 ， 41 （ 1 ）： 19 - 28 .

Zhang L F ， Thomas B G . State of the art in the control of inclusions during steel ingot casting ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 2006 ， 37 （ 5 ）： 733 - 761 .

MILLS K C ， DäCKER C-A . Fluxes for Ingot Casting ［M］. The Casting Powders Book . 2017 ： 223 - 270 .

Zhang L F ， Rietow B ， Thomas B G ， et al . Large inclusions in plain-carbon steel ingots cast by bottom teeming ［J］. ISIJ International ， 2006 ， 46 （ 5 ）： 670 - 679 .

Jowsa J ， Bielnicki M ， Cwudziński A . Numerical modelling of metal/flux interface in a continuous casting mould/modelowanie numeryczne powierzchni międzyfazowej metal/ciekły żużel W krystalizatorze do ciągłego odlewania stali ［J］. Archives of Metallurgy and Materials ， 60 （ 4 ）： 2905 - 2912 .

Yin J ， Ersson M ， Mao H H ， et al . Mathematical modelling of the initial mold filling with utilization of an angled runner ［J］. Metals ， 2019 ， 9 （ 6 ）： 693 .

Hallgren L ， Tilliander A ， Yokoya S ， et al . A first attempt to implement a swirl blade in production of ingots ［J］. ISIJ International ， 2010 ， 50 （ 12 ）： 1763 - 1769 .

Xu Y D ， Guo H Y ， Ge H C ， et al . Optimization steel ingot mould’ riser height based on solidification simulation ［J］. Journal of Physics： Conference Series ， 2021 ， 1965 （ 1 ）： 012089 .

Xu Y D ， Wang Y N ， Zhang W ， et al . Simulation analysis of exothermic powder in riser area on inner quality of steel ingot ［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering ， 2019 ， 631 （ 2 ）： 022070 .

FU-KANG S . Improvement of Casting Technology of the Large-scale Steel Ingot ［J］. 2009 ， 30 （ 3 ）： 323 - 324 .

庄斌杰，李胜利，艾新港，等 . 超大宽厚比钢锭多水口浇铸的模拟研究［J］. 辽宁科技大学学报， 2023 ， 46 （ 2 ）： 81 - 88 .

Eriksson R ， Jonsson L ， Jönsson P G . Effect of entrance nozzle design on the fluid flow in an ingot mold during filling ［J］. ISIJ International ， 2004 ， 44 （ 8 ）： 1358 - 1365 .

张超杰，包燕平，王　敏，等 . 模底砖结构对大钢锭充型过程卷渣的影响［J］. 工程科学学报， 2016 ， 38 （ S1 ）： 129 - 133 .

Hallgren L ， Takagi S ， Tilliander A ， et al . Effect of nozzle type and swirl on flow pattern for initial filling conditions in the mould for up-hill teeming ［J］. Steel Research International ， 2007 ， 78 （ 3 ）： 254 - 259 .

Zhang Z ， Yokoya S ， Tilliander A ， et al . A numerical study of swirl blade effects in uphill teeming casting ［J］. ISIJ International ， 2010 ， 50 （ 12 ）： 1756 - 1762 .

TAN Z ， ERSSON M ， OUML ， et al . Modeling of Initial Mold Filling with Utilization of Swirl Blades ［J］. ISIJ International ， 2012 ， 52 （ 6 ）： 1066 - 1071 .

郭鑫鑫，魏正英，张永恒，等 . 电弧增材制造传热传质数值模拟技术综述［J］. 材料导报， 2024 ， 38 （ 9 ）： 190 - 196 .

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 .

肖红，王璞，郑晴，等 . 辊式电磁搅拌线圈位置对板坯凝固行为的影响［J］. 钢铁， 2023 ， 58 （ 3 ）： 79 - 88 .

RAGNARSSON L ， EK M ， ELIASSON A ， et al . Flow pattern in ingot during mould filling and its impact on inclusion removal ［J］. Ironmaking & Steelmaking ， 2013 ， 37 （ 5 ）： 347 - 352 .

Pola A ， Gelfi M ， La Vecchia G M . Comprehensive numerical simulation of filling and solidification of steel ingots ［J］. Materials ， 2016 ， 9 （ 9 ）： 769 .

孟耀青，李建立，朱航宇，等 . LF软吹时间对硅脱氧弹簧钢氧化物夹杂控制影响［J］. 钢铁， 2022 ， 57 （ 5 ）： 48 - 54 .

张磊，张鹏，冯飞，等 . 板坯卷渣的机理及控制措施［J］. 山西冶金， 2023 ， 46 （ 1 ）： 225 - 227 .

赵占山，王诗，任涛，等 . 多流中间包流场模拟研究及优化［J］. 连铸， 2022 ，（ 5 ）： 23 - 29+49 .

周孟杰，乔　通，成国光，等 . NO8810耐蚀合金冶炼过程中夹杂物形成机理［J］. 钢铁， 2024 ， 59 （ 12 ）： 58 - 67 .

郝赳赳 . RH铝脱氧后夹杂物碰撞聚合去除的数学模型［J］. 钢铁钒钛， 2022 ， 43 （ 1 ）： 125 - 130 .

侯汉闯，雷洪，陈士富，等 . 电磁软接触方坯连铸凝固过程夹杂物碰撞长大行为［J］. 炼钢， 2023 ， 39 （ 1 ）： 60 - 67 .

浏览量

下载量

CSCD

CNKI被引量

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

拆模控制冷却对14 t扁锭中心疏松和热裂纹形成的模拟