Physical and Mathematical Simulation of Fluid Flow in a Wide Single-strand Tundish for Slab Continuo

10
Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014 www.mejournal.org doi: 10.14355/me.2014.0303.03 109 Physical and Mathematical Simulation of Fluid Flow in a Wide Singlestrand Tundish for Slab Continuouscasting Zhong Liangcai *1 , Hao Ruichao 2 Li Junzhe 3 Li Lei 1 Zhu Yingxiong 4 Xu Ninghui 5 14 School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China; 5 Pinggang Jiujiang Branch Corporation, Jiujiang 332000, Jiangxi, China. *1 [email protected]; 2 [email protected]; 3 [email protected]; 4 [email protected] Received 16 July, 2013; Accepted 22 September, 2013; Published 9 June, 2014 © 2014 Science and Engineering Publishing Company Abstract Molten steel flow in a wide singlestrand tundish with different flow control devices (FCDs) for slab continuouscasting was investigated by physical and mathematical simulations in this work. The effects of different FCDs on the flow characteristics and velocity and temperature fields in the tundish with larger width, shorter length and larger depth were studied. The results showed that locations and dimensions of weirs and dams and geometry of turbulence inhibitors (TIs) have a large effect on the flow characteristics and velocity and temperature profiles. Adoption of a square turbulence inhibitor without extending top lips can improve the molten steel flow better than that with top extending lips in the tundish. In comparison with the former tundish configuration, the flow characteristics are improved to a great extent in the optimum case. A big “spring uprush” forms on the free surface around the long shroud when molten steel flows into a turbulence inhibitor with extending top lips and rushes up reversely out of the TI, while four small “spring uprushes” appear on the surface when a square TI without extending top lips is adopted because the liquid steel flows mainly out of the 4 corners of the square TI. The flow of liquid steel in the former tundish configuration is not reasonable and the height of an area where temperature is less than 1819 K is about half of liquid surface height at the right side of the stopper, which means that big dead zone exited in the former tundish configuration. In the optimum case, the height of such area was only one seventh of the liquid surface height. The RTD curves obtained from the mathematical simulation are agreed with those from the physical modeling and the flow characteristics obtained from these two methods in this work are coincident with each other. Keywords Slab Continuouscasting; Wide Singlestrand Tundish; Mathematical Simulation; Physical Modelling; Fluid Flow Characteristic; Velocity Field; Temperature Profile; Flow Control Device Introduction Tundishes in continuous casting have very important effects for steel cleanness. Tundish metallurgy has been paid more and more attentions. 1 It is well known that molten steel flow characteristics in tundishes have great effects on nonmetallic inclusion removal from the liquid steel, slag and air entrainment minimization, and new inclusion formation prevention. Different flow control devices (FCDs), such as weirs, dams, baffles and turbulence inhibitors (TIs), have been applied in continuouscasting tundishes for improvement of the characteristics of molten steel flow. Many researchers 210 have applied TIs with other FCDs to optimize the tundish configurations since 1990s by physical modeling and/or mathematical simulation. Generally, the TIs used have extending top lips in these researches and good flow characteristics have been achieved. But not all tundishes are suitable to use such TIs with extending top lips. What kinds of TIs in geometry should be adopted in a tundish lies on the inside profile of tundishes. The geometry characteristics of the singlestrand slab tundish profile studied in the present work are larger width, shorter length and larger depth, being 1513 mm (upper width)×4035 mm(upper length)×1215(working liquid surface depth). For such tundish, different TIs with or without extending top lips were applied to optimize the tundish configuration together with a weir and a dam through physical modeling experiments and mathematical simulation calculations,

description

http://www.me-journal.org/paperInfo.aspx?ID=9773 Molten steel flow in a wide single-strand tundish with different flow control devices (FCDs) for slab continuous-casting was investigated by physical and mathematical simulations in this work. The effects of different FCDs on the flow characteristics and velocity and temperature fields in the tundish with larger width, shorter length and larger depth were studied. The results showed that locations and dimensions of weirs and dams and geometry of turbulence inhibitors (TIs) have a large effect on the flow characteristics and velocity and temperature profiles. Adoption of a square turbulence inhibitor without extending top lips can improve the molten steel flow better than that with top extending lips in the tundish. In comparison with the former tundish configuration, the flow characteristics are improved to a great extent in the optimum case. A big “spring uprush” forms on the free surface around the long shroud when molten steel

Transcript of Physical and Mathematical Simulation of Fluid Flow in a Wide Single-strand Tundish for Slab Continuo

Page 1: Physical and Mathematical Simulation of Fluid Flow in a Wide Single-strand Tundish for Slab Continuo

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014                                                                 www.me‐journal.org doi: 10.14355/me.2014.0303.03 

109 

Physical and Mathematical Simulation of 

Fluid Flow in a Wide Single‐strand Tundish 

for Slab Continuous‐casting Zhong Liangcai*1, Hao Ruichao2 Li Junzhe3 Li Lei1 Zhu Yingxiong4 Xu Ninghui5 

1‐4 School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China; 5Pinggang Jiujiang 

Branch Corporation, Jiujiang 332000, Jiangxi, China. 

*[email protected][email protected][email protected][email protected] 

 

Received 16 July, 2013; Accepted 22 September, 2013; Published 9 June, 2014 

© 2014 Science and Engineering Publishing Company  

 

 Abstract 

Molten  steel  flow  in  a  wide  single‐strand  tundish  with 

different  flow  control  devices  (FCDs)  for  slab  continuous‐

casting  was  investigated  by  physical  and  mathematical 

simulations in this work. The effects of different FCDs on the 

flow  characteristics  and  velocity  and  temperature  fields  in 

the  tundish  with  larger  width,  shorter  length  and  larger 

depth were  studied. The  results  showed  that  locations and 

dimensions of weirs and dams and geometry of  turbulence 

inhibitors (TIs) have a large effect on the flow characteristics 

and velocity and temperature profiles. Adoption of a square 

turbulence inhibitor without extending top lips can improve 

the molten steel flow better than that with top extending lips 

in  the  tundish.  In  comparison  with  the  former  tundish 

configuration,  the  flow  characteristics  are  improved  to  a 

great  extent  in  the  optimum  case. A  big  “spring  uprush” 

forms  on  the  free  surface  around  the  long  shroud  when 

molten steel flows into a turbulence inhibitor with extending 

top  lips  and  rushes  up  reversely  out  of  the  TI, while  four 

small  “spring  uprushes”  appear  on  the  surface  when  a 

square TI without extending top lips is adopted because the 

liquid steel flows mainly out of the 4 corners of the square TI. 

The flow of  liquid steel  in the former tundish configuration 

is  not  reasonable  and  the  height  of  an  area  where 

temperature is less than 1819 K is about half of liquid surface 

height at the right side of the stopper, which means that big 

dead zone exited in the former tundish configuration. In the 

optimum case, the height of such area was only one seventh 

of  the  liquid surface height. The RTD curves obtained  from 

the mathematical simulation are agreed with those from the 

physical  modeling  and  the  flow  characteristics  obtained 

from  these  two methods  in  this work  are  coincident with 

each other. 

Keywords 

Slab  Continuous‐casting;  Wide  Single‐strand  Tundish; 

Mathematical  Simulation;  Physical  Modelling;  Fluid  Flow 

Characteristic; Velocity Field; Temperature Profile; Flow Control 

Device 

Introduction

Tundishes  in continuous casting have very  important 

effects  for  steel  cleanness.  Tundish  metallurgy  has 

been paid more and more attentions.1 It is well known 

that molten steel flow characteristics in tundishes have 

great  effects  on  non‐metallic  inclusion  removal  from 

the liquid steel, slag and air entrainment minimization, 

and  new  inclusion  formation  prevention.  Different 

flow  control  devices  (FCDs),  such  as  weirs,  dams, 

baffles  and  turbulence  inhibitors  (TIs),  have  been 

applied  in  continuous‐casting  tundishes  for 

improvement of the characteristics of molten steel flow. 

Many researchers2‐10 have applied TIs with other FCDs 

to optimize  the  tundish configurations since 1990s by 

physical  modeling  and/or  mathematical  simulation. 

Generally,  the  TIs  used  have  extending  top  lips  in 

these  researches  and  good  flow  characteristics  have 

been achieved. But not all tundishes are suitable to use 

such TIs with extending top lips. What kinds of TIs in 

geometry  should be adopted  in a  tundish  lies on  the 

inside profile of tundishes. 

The geometry  characteristics of  the  single‐strand  slab 

tundish profile studied  in the present work are larger 

width, shorter length and larger depth, being 1513 mm 

(upper width)×4035 mm(upper  length)×1215(working 

liquid  surface depth). For  such  tundish, different TIs 

with  or without  extending  top  lips were  applied  to 

optimize  the  tundish  configuration  together  with  a 

weir  and  a  dam  through  physical  modeling 

experiments and mathematical simulation calculations, 

Page 2: Physical and Mathematical Simulation of Fluid Flow in a Wide Single-strand Tundish for Slab Continuo

www.me‐journal.org                                                                 Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014 

110  

and  the  flow  characteristics  of  the  tundish  with 

different tundish configurations and their velocity and 

temperature fields are investigated in this work. 

Physical Modeling Method

In  order  to  ensure  that  the  fluid  flowing  between  a 

model tundish and a prototype tundish for isothermal 

and  non‐reactive  systems  is  similar,  geometrical  and 

dynamic similarities must be satisfied between the two 

vessels.  In  the present work,  the  ratio of geometrical 

similarity  of model  tundish  to  the  prototype,  λ was 

chosen  to  be  1:2.5.  Dynamic  similarity  required 

simultaneous equality of both turbulent Reynolds and 

Froude  numbers,  but  it was  impossible  to  keep  the 

condition satisfied  in reduced scale modeling studies. 

The computational work of Sahai and Burval11 and the 

experimental work of Singh and Koria12‐13 showed that 

the magnitude  of  turbulent  Reynolds  number  under 

turbulent  flow  range  in different  tundishes was very 

similar. Therefore, Froude number between the model 

tundish  and  the  prototype  was  maintained  to  be 

equivalent in this work. With this condition, the water 

flow rate, Qm  in  the experiments was calculated  from 

the liquid steel flow rate, Qp by the following equation: 

2.5m pQ Q (1) 

The experimental apparatus was  shown  in Fig. 1. 0.2 

g/ml NaCl solution of 500 ml was used as the tracer in 

the physical modeling experiments. After fluid flow in 

the  model  tundish  reached  stable,  the  tracer  was 

injected  into  the  tundish  though  the  ladle  shroud. A 

probe was  located under  the outlets of the  tundish  to 

measure the variation of water conductivity with time, 

that  is,  residence  time distribution  (RTD) curves. The 

probe was connected  to a conductivity meter and  the 

signals were  recorded with a data acquisition system 

and a computer. From the RTD curves measured, fluid 

flow characteristics  in a certain  tundish configuration 

were calculated with the following equations: 

Average residence time tav

0

0

n

i i ii

av n

i ii

tc t dt t c t tt

c t tc t dt

(2) 

Plug flow volume fraction vp 

p min maxp 2

Vv

V

                         (3) 

Dead zone volume fraction vd 14 

d ad a1

V Qv

V Q

                           (4) 

Mixing flow volume fraction vm 

mm d p1

Vv v v

V                            (5)

FIG. 1 SCHEMATIC OF EXPERIMENTAL APPARATUS 

Mathematical Simulation Method

Governing Equations   

The liquid steel flow in the continuous casting tundish 

can be considered  to be  three‐dimensional,  turbulent. 

The  flow  is  treated  as  steady  by  neglecting  the 

phenomena  involved  during  filling  and  emptying  of 

the  tundish. The  effect  of  surface  slag  to  the  flow  is 

ignored and the melt surface is assumed to be flat. The 

molten  steel  is Newtonian  and  incompressible  fluid. 

Therefore,  the  governing  equations  in  Cartesian 

tensional  form  for  the  liquid steel  flow  in  the  tundish 

can be written as: 

Continuity                   ( ) 0ii

ux

                                (6) 

Momentum 

( ) jii j eff i

i i i j i

uupu u g

x x x x x

     (7) 

where, ρ  is  the density  of melt,  u  the velocity,  p  the 

pressure,  g  the  gravitation  acceleration,  and  μeff  the 

effective  viscosity.  i  and  j  represent  the  three 

coordinate  directions.  μeff  is  equal  to  the  sum  of 

molecular and turbulent viscosity of steel as follows: 

eff t                                   (8) 

The  turbulent  viscosity  is  calculated  through  its 

relationship with  the  turbulent kinetic energy and  its 

dissipation rate. The turbulent kinetic energy, k and its 

dissipation rate, ε can be expressed with the following 

equations: 

Turbulent kinetic energy 

effi

i i k i

ku k G

x x ο x

               (9) 

Page 3: Physical and Mathematical Simulation of Fluid Flow in a Wide Single-strand Tundish for Slab Continuo

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014                                                                 www.me‐journal.org

    111

Dissipation rate of turbulent kinetic energy 

1 2eff

ii i i

u C G Cx x x k

      (10) 

The  generation  term, G  in  Equs.  (9)  and  (10)  can  be 

given as: 22

2 ji it t

i j i

uu uG

x x x

               (11) 

The turbulent viscosity, μt can be written as: 

2

t

C k

                                 (12) 

C1, C2, Cμ, σk and σε are the empirical constants of the k‐

ε model  and were  assigned  to  their  standard  values 

from Launder and Spalding15: 1.44, 1.92, 0.09, 1.0 and 

1.30, respectively. 

The heat transfer in the tundish is governed by energy 

equation as follows: 

Peff

( )i

i i i

C u T T

x x x

                     (13) 

where  the  effective  thermal  conductivity,  λeff,  is  the 

sum of two components: 

Prp t

efft

C                              (14) 

here, Prt is the turbulent Prandtl number, λ is thermal 

conductivity, Cp is heat capacity and T is temperature.  

To  calculate  the  residence  time distribution  curves of 

the  molten  steel  in  the  tundish  with  different 

configurations  and  compare  them  to  the RTD  curves 

obtained  from  the  physical modeling  experiments,  a 

pulse of  tracer was  introduced  into  the melt  through 

the  inlet  and  allowed  to  flow  with  the  melt.  By 

monitoring  the  change  in  tracer  concentration  of  the 

melt  at  the  tundish  outlet,  the  residence  time 

distribution curve was obtained. The  transport of  the 

tracer  and  the  variation  in  tracer  concentration  are 

governed by the mass transport equation as follows: 

( )ieff

i i i

u cc cD

t x x x

                    (15) 

where c represents the concentration of the tracer, t is 

the  time  and  Deff  is  the  effective  mass  diffusion 

coefficient  and  is  the  sum  of  the  molecular  and 

turbulent  diffusivity  (D+DT).  Under  the  condition 

where turbulent Schmidt number is equal to 1, one has: 

eff

eff

1D

                                   (16) 

Boundary Conditions 

The  whole  volume  filled  with  molten  steel  in  the 

tundish  was  chosen  as  the  numerical  calculation 

domain. The above continuity, momentum and energy 

equations were solved with  the equations  for k and ε 

by  using  the  boundary  conditions.  Non‐slipping 

conditions were applied as boundary conditions to all 

solid walls.  Frictionless  conditions were  used  to  the 

free  surface  of  liquid  steel.  The  logarithmic  law was 

employed  to all nodes closest  to any solid walls. The 

vertical velocity profiles of the  liquid steel at the  inlet 

as well as at the outlet of the tundish were assumed to 

be  uniform  through  the  cross  sections  and  the  other 

two  velocity  components  were  assumed  to  be  zero. 

The values of k and ε at the inlet were calculated from 

the  inlet  average  velocity  through  the  well  known 

equations. A constant mass flow rate of steel from the 

ladle  to  the  tundish  was  2.98  ton/min  for  the 

mathematical simulation. 

For  the  boundary  conditions  of  temperature  field, 

uniform  and  constant  heat  flow  rates  were  used  at 

every wall  surface of  the  tundish  and  liquid  surface. 

The  heat  flow  rates  used  in  this  work  were  those 

recommended by Chakraborty and Sahai16 and related 

parameters were listed in Table 1. 

TABLE 1 PARAMETERS FOR MATHEMATICAL SIMULATION OF LIQUID 

STEEL FLOW IN THE TUNDISH 

Parameters  Values  Parameters  Values

Liquid steel 

density/kg∙m‐3 7000 

Liquid steel 

viscosity/kg∙m‐1∙s‐1 0.0067

Liquid steel 

conductivity/W∙m‐1∙K‐141 

Liquid steel specific 

heat /J∙kg‐1∙K‐1 750 

Inlet temperature/K  1823 Heat flux at walls 

inside tundish/kW∙m‐21.75 

Heat flux at 

bottom/kW∙m‐2 1.4 

Heat flux at liquid 

surface/kW∙m‐2 15 

Heat flux at transverse 

walls /kW∙m‐2 3.8 

Heat flux at 

longitudinal 

walls/kW∙m‐2 

3.2 

Zero mass  transfer  fluxes were used  at  all walls  and 

liquid surface for mass equation solution. At t=0 s the 

mass fraction of tracer at inlet of the tundish was set to 

be  0.1.  After  t=1  s  it  was  given  as  zero.  The 

concentration of the tracer at the outlet of the tundish 

was monitored from t=0 and the RTD curves would be 

obtained from the numerical calculation. 

The commercial CFD package FLUENT® was used  to 

solve  the  above  governing  equations  with  the 

boundary  conditions.  In  the  numerical  solution 

scheme  Semi  Implicit  Method  for  Pressure  Linked 

Equation  (SIMPLE)  algorithm was  used  for  pressure 

Page 4: Physical and Mathematical Simulation of Fluid Flow in a Wide Single-strand Tundish for Slab Continuo

www.me‐journal.org                                                                 Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014 

112  

and velocity coupling and  first order upwind scheme 

for momentum  and  scalar  transport  equations. Once 

the  flow  and  temperature  fields  were  converged  to 

steady  state  the  problem  defined  module  of  the 

FLUENT  solver  was  changed  to  unsteady  state  for 

solving  the  transient  tracer  dispersion  Eq.  (15) with 

appropriate initial and boundary conditions. 

Results and Discussion

Physical Modeling 

FIG. 2 SCHEMATIC OF TUNDISH CONFIGURATIONS IN THE 

EXPERIMANTS 

TABLE 2 TYPICAL TUNDISH CONFIGURATIONS IN EXPERIMENTS 

Case  TI  S1/mm  S2/mm  H1/mm  H2/mm

C0  TI1  632  108  96  136 

C1  TI1  590  108  96  136 

C2  TI1  590  200  130  205 

C3  TI2  590  150  55  205 

C4  TI3  590  150  55  205 

C5  TI4  540  200  55  225 

C6  ‐  390  150  55  250 

C7  TI1  390  150  55  250 

C8  TI5  540  200  55  250 

C9  TI5  440  200  55  250 

C10  TI5  390  200  55  250 

C11  TI5  390  150  55  250 

FIG. 3 SCHEMATIC OF SOME TURBULENCE INHIBITORS IN 

THE EXPERIMENTS 

Different tundish configuration studied in this work is 

shown  in Fig. 2. The tundish configurations consisted 

of  different  turbulent  inhibitors  (TIs),  different 

locations  of  a weir  and  a  dam  (S1  and  S2)  and  their 

different  heights  (H1  and  H2).  A  lot  of  tundish 

configurations had been  experimented  in  the present 

work, but for space limited only some typical tundish 

configurations  are  listed  in  Table  2 where  C0  is  the 

former  tundish  arrangement.  Figure  3 presents  some 

TIs used in the physical modeling experiments. These 

TIs are all square at horizontal cross‐section except TI3 

whose  horizontal  cross‐section  is  rectangle with  280 

mm short sides. 

The RTD curves in the tundish with configurations of 

C0, C6, C7 and C11are  shown  in Fig. 4 and  the  flow 

characteristics  of different  tundish  configurations  are 

given in Table 3. It is known from Table 2 that C0 and 

C7  used  the  same  TI,  i.e.,  TI1,  and  the  difference 

between  these  two  cases  was  their  weir  and  dam 

locations and heights, i.e., S1, S2, H1 and H2. As shown 

in Fig. 4, there are high peaks in the RTD curves for C0 

and C7 cases, which indicates that a lot of tracers flow 

out of the tundish and large dead zone volumes exit in 

the tundish with C0 and C7 configurations, as seen in 

Table  3.  Even  though  C7  and  C11  have  the  same 

values of S1, S2, H1 and H2, the peak of the RTD curve 

in C11 case is lowered apparently due to the different 

TI and its RTD curve moves towards right side in Fig. 

4. These results indicate that TI1 is not suitable for this 

kind  of  tundish  studied  in  present  work.  The 

difference  among  C6,  C7  and  C11  cases  in 

configuration  is  that  there  is  no  TI  in  C6  case.  It  is 

known  from  Fig.  4  that  the minimum  residence  and 

peak  concentration  times  in C6  case  are  short.  Short 

minimum residence and peak concentration times are 

not expected even though its peak concentration is low. 

Therefore, the adoption of turbulent inhibitor without 

extending  top  lips, TI5,  in  this  tundish  can distribute 

molten  steel well  to  larger  space  of  the  tundish  and 

prolong  residence  time of  liquid  steel  in  the  tundish, 

which is favorable to removal of non‐metal inclusions. 

Such  result  is determined by  the characteristic of  this 

tundish profile. 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.50.0

0.5

1.0

1.5

2.0

C/-

/-

C0

C6

C7

C11

FIG. 4 RTD CURVES IN SOME DIFFERENT TUNDISH 

CONFIGURATIONS 

As shown in Table 3, the fluid flow in the tundish with 

the  former  configuration,  C0,  is  not  perfect.  Its 

Page 5: Physical and Mathematical Simulation of Fluid Flow in a Wide Single-strand Tundish for Slab Continuo

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014                                                                 www.me‐journal.org

    113

minimum residence is 64 s, its peak concentration and 

average  residence  times  are  short  and  its  dead  zone 

volume  is  larger, being 35%, which decreases  largely 

the effective volume of the tundish. The same TI1 was 

used in C1 and C2 cases and the locations and heights 

of  the  weir  and  dam  were  adjusted,  but  the  flow 

characteristics  in  these  two  cases  change  less.  Their 

average residence times increase a little and their dead 

zone volumes decrease  less, and all of  their  fractions 

were over 30%. 

TABLE 3 FLOW CHARACTERISTICS IN DIFFERENT TUNDISH 

CONFIGURATIONS 

Case  tmin/s  tmax/s  tav/s  vp/%  vd/%  vm/%

C0  64  81  237  20  35  45 

C1  64  81  241  20  34  46 

C2  70  108  249  24  32  44 

C3  78  113  279  26  24  50 

C4  80  130  280  29  23  48 

C5  78  134  289  29  21  50 

C6  54  91  286  20  21  59 

C7  63  99  273  22  25  53 

C8  88  121  291  29  20  51 

C9  82  139  303  30  17  53 

C10  79  141  307  30  16  54 

C11  81  163  314  33  14  53 

Turbulent  inhibitors of TI2, TI3 and TI4 were applied 

in  tundish  configurations  of  C3,  C4  and  C5, 

respectively.  The  outlet  areas  of  these  three  TIs  are 

incremental.  It  can  be  seen  from  Table  2  and  3  that 

flow  characteristics  in  such  tundish  are  improved by 

changing  TIs  and  adjusting  locations  and  heights  of 

the weir  and dam. The minimum, peak  and  average 

residence  times  are  increased  and  the  dead  zone 

volume is lowered, being below 25%.  

There was no TI in C6 case and its dead zone volume 

is  low  obviously,  lower  40%  than  that  in  the  former 

case  C0.  The  peak  and  average  residence  times  are 

prolonged in some degree, but the minimum residence 

time  becomes  shorter  by  10  s  due  to  no  TI,  as 

compared to that in C0 case. When fluid flows into the 

tundish, a part of it flows to the dam along the tundish 

bottom if no TI is used in the tundish. As a result, the 

flowing distance of  this part of  fluid  is  short and  the 

minimum  residence  time  in  such  tundish 

configuration becomes low. 

It can be concluded from Table 2 and 3 that reduction 

in S1 and H1 and increase in S2 and H2 are favorable to 

improvement  for  fluid  flow  characteristics  in  this 

tundish. Average residence time is increased and dead 

zone  volume  is  decreased.  Lowering H1  and  S1  and 

increasing  S2  and  H2  can  prolong  fluid’s  flowing 

distance, reduce its flowing velocity between the weir 

and dam and  let  fluid  flow  toward upper part of  the 

right  end wall, which  increases  residence  times  and 

decreases dead zone volume in the tundish. 

C7  case  was  obtained  by  applying  TI1  to  C6  case. 

Comparing  to C6 case, minimum  residence and peak 

concentration  times  in C7  case are prolonged, but  its 

dead  zone  volume  fraction  is  enlarged  from  21%  to 

25%,  which means  that  this  TI1  is  not  favorable  to 

decreasing  dead  zone  volume  in  this  tundish. 

Application of TI  in C7  case,  in  comparison with C6, 

prolongs  distance  of  fluid  flow  in  the  tundish. 

Therefore,  its minimum  residence  time  increases. But 

such TI with extending  top  lips makes  the  fluid  flow 

out  of  the  TI  in  a  concentrative  way  and  can  not 

transfer  the  fluid  to  the whole  tundish  volume.  For 

this reason, the tracers added into the tundish with C7 

configuration  flow out of  the  tundish quickly due  to 

its  larger  width,  which  makes  its  RTD  curve  have 

short  peak  concentration  time  and  high  peak 

concentration, as shown  in Fig. 4. As a result, there is 

larger dead zone volume in the tundish with C7 case. 

It was found from the experiments that increase in TI’s 

outlet  area  can  improve  fluid  flow  characteristics  in 

this  tundish.  TI5  was  achieved  by  canceling  TI’s 

extending top lips. C8, C9, C10 and C11 configurations 

consist of TI5 and different  locations and heights of a 

weir and a dam.  It  is known  from Table 2 and 3  that 

the  peak  concentration  and  average  residence  times 

are  prolonged  greatly  by  using  TI5  and moving  the 

weir  and  dam  towards  the  direction  of  the  tundish 

outlet  and  the dead  zone volume  is  reduced greatly, 

being  less 20%. The dead zone volume fraction  in the 

tundish with C11 case is lowered to 14%,  less by 60% 

than that in the former tundish configuration C0. 

350 400 450 500 550 600 650

15

20

25

30

35

TI: TI5, S2=150 mm, H

1=55 mm, H

2=250 mm

v d /%

S1/mm

TI: TI1, S2=108 mm, H

1=96 mm, H

2=136 mm

 

FIG. 5 RELATIONSHIP BETWEEN DEADZONE VOLUME 

FRACTION IN THE TUNDSIH AND S1 

Page 6: Physical and Mathematical Simulation of Fluid Flow in a Wide Single-strand Tundish for Slab Continuo

www.me‐journal.org                                                                 Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014 

114  

Fig.  5  presents  the  variation  of  dead  zone  volume 

fraction  in  the  tundish with  the  distance  S1  between 

the dam and the centre line of the tundish outlet under 

the condition of the same TI, S2, H1 and H2. When S1 is 

reduced  from  632  mm  to  390  mm,  the  dead  zone 

volume  fraction  is  lowered  from  35%  to  30%  for  the 

former tundish configuration C0, while the fraction  is 

decreased  from 20%  to 14%  for  the optimum  tundish 

configuration C11 when S1 is reduced from 540 mm to 

390 mm. As described  above,  the  fluid  flowing  over 

the  dam  can moves  towards  the  end wall  at  higher 

velocity when the weir and the dam are moved to the 

side  of  the  tundish  outlet.  The  same  effect  is  also 

obtained  if  the  dam’s  height  is  increased.  Therefore, 

the dead zone at that end wall is reduced. 

The  research  results  in  this work  indicate  that  FCDs 

and  their  locations  in  tundishes  should be optimized 

carefully  to  determine  an  optimum  tundish 

configuration according  to  tundish  inside profile and 

molten steel  flow rate so  that  the optimum fluid flow 

characteristics  in  tundishes  can  be  achieved  for  the 

sufficient removal of inclusions from liquid steel. 

Mathematical Simulation 

0 1 2 3 40.0

0.5

1.0

1.5

C /

-

/ -

Physical result for C6

Nmerical result for C6

Physical result for C7

Nmerical result for C7

FIG. 6 RTD CURVES FROM MATHEMATICAL AND PHYSICAL 

SIMULATIONS IN C6 AND C7 TUNDISH CONFIGURATIONS 

0 1 2 3 40.0

0.5

1.0

1.5

Physical result for C11

Numerical result for C11

Numerical result for C0

C/-

/-

Physical result for C0

FIG. 7 RTD CURVES FROM MATHEMATICAL AND PHYSICAL 

SIMULTIONS IN C0 AND C11 TUNDISH CONFIGURATIONS 

RTD  curves  obtained  from  physical  modeling 

experiments and mathematical simulations in different 

tundish configurations are given in Figs. 6 and 7. It is 

shown  in  these  figures  that  the RTD  curves obtained 

from  mathematical  simulations  are  agreed  basically 

with  those  from  corresponding  physical  modeling 

experiments.  Only  some  differences  between  these 

two methods  in  this work  exist  in  the vicinity of  the 

peaks  of  the  curves,  but  the  results  in  the 

mathematical  simulations  can  reflect  fluid  flow 

characteristics  in  different  tundish  configurations. 

Table 4 gives a comparison of flow characteristics from 

mathematical  simulation  to  those  from  physical 

modeling. It is obvious in this table that the calculated 

flow  characteristics  from  the  RTD  curves  in 

mathematical  simulations  are  coincident  with  those 

from the measured RTD curves. 

TABLE 4 COMPARISON OF FLUID FLOW CHARACTERISTICS IN DIFFERENT 

TUNDISH CASES FROM NUMERICAL AND PHYSICAL SIMULATIONS 

Case Method  tmin/s tmax/s  tav/s  vp/%  vd/% vm/%

C0  Numerical 68  123  285  26  28  46 

Physical  63  76  235  19  35  45 

C11 Numerical 86  185  320  37  17  46 

Physical  82  165  313  34  14  52 

C7  Numerical 70  113  297  25  24  51 

Physical  63  99  273  22  25  53 

C6  Numerical 54  169  321  31  19  50 

Physical  54  91  286  20  21  59 

In  order  to  compare  the  velocity  and  temperature 

fields in the tundish with different configurations, the 

former  tundish  configuration  and  the  optimum  one 

were  chosen  to  conduct  such  comparison  in  the 

mathematical  simulation.  The  velocity  fields  and 

streamlines  at  symmetrical  longitudinal  plane  and 

liquid surface  in the former tundish configuration are 

presented  in  Figs.  8  and  9,  respectively.  It  is  known 

from  the  two  figures  that  the  liquid steel  flowing out 

of the long shroud impinges the bottom of the TI with 

extending top  lips and then flows out of the TI at the 

opposite direction towards the liquid surface. There is 

a big  recirculation  region around  the stream entering 

the  tundish  through  the  long  shroud  with  the 

recirculation  “eye”  near  the  TI  bottom.  When  the 

molten  steel  reaches  the  free  surface,  it  forms  a  big 

“spring uprush” and then flows along the surface and 

against the long shroud towards to the side walls and 

the weir. As the molten steel reaches these solid walls, 

it  turns downward. There are  two other  recirculation 

zones near  the  liquid surface  in  the area between  the 

left  tundish side wall and  the weir, as can be seen  in 

Fig.  8(b).  After  the  melt  reach  the  tundish  bottom, 

some  part  of  steel  flow  along  the  tundish  bottom 

Page 7: Physical and Mathematical Simulation of Fluid Flow in a Wide Single-strand Tundish for Slab Continuo

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014                                                                 www.me‐journal.org

    115

toward the dam. Then this part of liquid steel is forced 

to  move  upwards  to  the  liquid  surface  due  to  the 

obstruction effect of the dam. The melt flows along the 

free surface toward the right side wall. Finally, it turns 

down near  the stopper and  flows  toward  the  tundish 

outlet. A  large recirculation region  is formed between 

the  dam  and  the  right  tundish  side  wall.  A  small 

recirculation  flow  exists  in  the  right  side of  the weir. 

Although  some  recirculation  regions  are  formed  on 

the free surface near the right tundish side wall, as can 

be  found  in  Fig.  9(b),  they  would  not  lead  to  slag 

entrapment because the velocity here is very small. 

0.5m/s

(a) Velocity field

(b) Streamline 

FIG. 8 FLOW FIELD AND STREAMLINES AT VERTICAL 

SECTION IN THE FORMER TUNDISH CONFIGURATION 

0.5m/s

(a) Flow field

(b) Streamline 

FIG. 9 FLOW FIELD AND STREAMLINES AT FREE SURFACE IN 

THE FORMER TUNDISH CONFIGURATION 

Flow  fields  and  corresponding  streamlines  in  the 

tundish  with  the  optimum  configuration  in  the 

symmetrical longitudinal plane and on the free surface 

are  shown  in  Figs.  10  and  11,  respectively.  It  can  be 

found from these two figures that the stream from the 

long  shroud  impinges  the  bottom  of  the  TI without 

extending  top  lips  and diverts  along  its  bottom. The 

melt rushes reversely up mainly out of the 4 corners of 

the TI  toward  the  free  surface where 4  small “spring 

uprushes”  are  formed,  as  can  be  seen  in  Fig.  11(b). 

Such  phenomena  could  be  observed  visually  in  the 

physical modeling  experiments  with  the  TI  without 

extending  top  lips. A  recirculation  region with  small 

height  is  formed  around  the  shroud  stream  near  the 

TI’s bottom. The melts reached at the free surface flow 

all  around  along  the  surface  and  turn  downward  at 

the  around  walls  and  the  symmetrical  plane  of  the 

tundish when  they  encounter. No  other  recirculation 

zones are found under the free surface as those in the 

former  tundish  configuration  in  the  vertical 

symmetrical  plane.  Only  several  very  small 

recirculation  flowing  zones  can  be  observed  on  the 

free  surface at  the  left  side of  the weir. Such  flowing 

characteristics  in  the  optimum  tundish  case  are 

different  from  those  in  the  former  tundish case. With 

the  reduction  in  distance  between  the  dam  and  the 

tundish  outlet,  the  recirculation  flow  region  between 

the  dam  and  the  stopper  becomes  small, while with 

increase in distance between the weir and the dam, the 

recirculation zone behind the weir becomes large. 

0.5m/s

(a) Flow field 

(b) Streamline 

FIG. 10 FLOW FIELD AND STREAMLINES AT VERTICAL 

SECTION IN THE OPTIMAL TUNDISH CONFIGURATION 

0.5m/s

(a) Flow field 

Page 8: Physical and Mathematical Simulation of Fluid Flow in a Wide Single-strand Tundish for Slab Continuo

www.me‐journal.org                                                                 Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014 

116  

(b) Streamline 

FIG. 11 FLOW FIELD AND STREAMLINES AT FREE SURFACE IN 

THE OPTIMAL TUNDISH CONFIGURATION 

(a) Vertical symmetrical plane 

(b) Free surface

FIG. 12 TEMPERATURE FIELD IN THE FORMER TUNDISH 

CONFIGURATION 

(a) Vertical symmetrical plane 

(b) Free surface  

FIG. 13 TEMPERATURE FIELD IN THE OPTIMAL TUNDISH 

CONFIGURATION 

Temperature  distributions  in  the  tundish  with  the 

former and the optimum configurations are presented 

in Figs. 12 and 13, respectively. It can be seen from Fig. 

12  that  larger  temperature  gradients  exist  along  the 

flow  direction  of  liquid  steel  and  its  temperature 

changes from 1821 K to 1807 K at the right side of the 

weir on the free surface. The high temperature region 

concentrates  around  the  shroud  stream.  The molten 

steel temperature range in the area of 1/2 height of the 

bath  near  the  free  surface  at  the  right  side  of  the 

stopper varies  from 1819 K  to 1813 K and  the  lowest 

melt  temperatures  at  the  two  side walls  on  the  free 

surface at the right side of the tundish are only 1807 K 

and 1808 K, respectively. Therefore,  in such areas  the 

molten steel flows slowly and dead zones are formed, 

resulting  in  lower  temperature  regions and  reduction 

in effective  tundish volume and being unfavorable  to 

making full use of metallurgical functions of tundishes. 

It  can  be  known  from  Fig.  13  that  the  temperature 

gradients  along  the  melt  flow  direction  in  the 

optimum tundish configuration becomes smaller than 

those  in  the  former  tundish  case.  The  high 

temperature zones disperse at the 4 gushes above the 4 

corners  of  the  TI.  There  are  larger  areas  where  the 

temperature  is  between  1822  K  and  1821  K  in  the 

vertical symmetrical plane and on the free surface. The 

molten  steel  temperature  range  in  the  area  of  1/7 

height of the bath near the free surface at the right side 

of  the  stopper varies  from  1819 K  to  1816 K  and  the 

lowest melt  temperature at  the  two side walls on  the 

free surface at the right side of the tundish is 1813 K. It 

is  indicated  from  the  above  results  that  the  molten 

steel  flow  is  reasonable  and  dead  volume  and  low 

temperature  regions  are  reduced  in  the  optimum 

tundish configuration. 

Conclusions

Molten steel flow in a wide single‐strand tundish with 

different  FCDs  for  slab  continuous‐casting  was 

investigated  by  physical  and  mathematical 

simulations  in  this work.  The  following  conclusions 

can be drawn out from this investigation. 

(1) The  former  tundish  configuration  and  the  former 

FCDs  are  not  reasonable,  resulting  in  poor  flow 

characteristics. The  residence  times are  short  and  the 

dead  zone volume  is  large,  being  35%.  Such  tundish 

configuration is unfavorable to the inclusion removal. 

(2) Adoption of a TI without extending top lips in this 

tundish  can  improve  flow  characteristics  in 

comparison to the former TI with extending top lips in 

this special tundish. Increase in the height of weir and 

dam and movement of  the weir and dam  toward  the 

outlet of the tundish can prolong residence times and 

reduce dead zone volume.  

(3)  In  comparison  with  the  former  tundish 

configuration, the flow characteristics in the optimum 

tundish case are improved to a great extent; minimum 

residence  time,  peak  concentration  time  and  average 

Page 9: Physical and Mathematical Simulation of Fluid Flow in a Wide Single-strand Tundish for Slab Continuo

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014                                                                 www.me‐journal.org

    117

residence time are increased from 64 s, 81 s and 237 s 

to 81 s, 163 s and 314s, respectively, and the fraction of 

dead zone volume decreases  from 35%  to 14%, being 

reduced by 60%. 

(4)  Liquid  steel  flowing  out  of  the  long  shroud 

impinges the bottom of the TI with extending top lips 

and  then  flows out of  the TI at  the opposite direction 

towards  the  liquid surface. A big  recirculation  region 

around  the  stream  entering  the  tundish  through  the 

long shroud is formed. A big “spring uprush” appears 

around the long shroud on the free surface. 

(5)  Liquid  steel  from  the  long  shroud  impinges  the 

bottom of the TI without extending top lips and rushes 

reversely  up  mainly  out  of  the  4  corners  of  the  TI 

toward  the  free  surface  where  4  small  “spring 

uprushes”  are  formed.  The  recirculation  region 

around the stream entering the tundish becomes small. 

(6) Larger temperature gradients in the former tundish 

configuration  exist  along  the  flow direction  of  liquid 

steel and its temperature changes from 1821 K to 1807 

K  at  the  right  side  of  the  weir  on  the  free  surface. 

There  is a  larger  low  temperature zone  in  the area of 

1/2 height of the bath near the free surface at the right 

side of  the stopper and  the  lowest melt  temperatures 

at  the  two  side walls on  the  free  surface  at  the  right 

side  of  the  tundish  are  only  1807  K  and  1808  K, 

respectively. This  indicates  that  the velocity of  liquid 

steel  in  this area  is  low and  large dead zone volume 

exists. 

(7) The molten steel temperature ranging from 1819 K 

to 1816 K  in  the optimum  tundish configuration only 

occupies the area of 1/7 height of the bath near the free 

surface at the right side of the stopper and the lowest 

melt  temperatures  at  the  two  side walls  on  the  free 

surface at  the right side of  the  tundish  is 1813 K. The 

molten steel flow  is reasonable and dead volume and 

low temperature regions are reduced. 

(8)  RTD  curves  obtained  from  the  mathematical 

simulations are in basic agreement with those from the 

corresponding  physical  modeling  experiments.  The 

calculated flow characteristics from the RTD curves in 

mathematical  simulations  are  coincident  with  those 

from  the  measured  RTD  curves.  The  results  of  the 

mathematical  simulations  can  reflect  fluid  flow 

characteristics in different tundish configurations. 

ACKNOWNLEDGMENTS

The  authors  are  very  grateful  to  National  Natural 

Science  Foundation  of China  for  financial  support of 

this key research project (No. 61333006). 

REFERENCES

Craig  K  J,  Kock  de  D  J,  Makgata  K  W,  et  al.  “Design 

Optimization  of  a  Single‐strand  Continuous  Caster 

Tundish Using Residence Time Distribution Data.”  ISIJ 

International, 2001, 41(10), 1194–1200. 

Jha P K, Dash S K, Kumar S. “Fluid flow and mixing in a six 

strand billet caster tundish: a parametric study.” ISIJ Int, 

2001, 41 (12), 1437‐1446. 

Kim H B, Guthrie R  I L,  Isac M,  et  al.  “The  effect  of  flow 

modifiers on  the hydrodynamic performance of  a delta 

shaped,  four‐strand  tundish.”  ISS Tech  2003 Conf Proc: 

ISS, Warrendale, 2003, 215‐224. 

Kumar A, Mazumdar D, Koria S C. “Modeling of Fluid Flow 

and  Residence  Time  Distribution  in  a  Four‐strand 

Tundish  for  Enhancing  Inclusion  Removal.”  ISIJ 

International, 2008, 48 (1), 38–47. 

Mazumdar  D,  Guthrie  R  I  L.  “The  physical  and 

mathematical  modeling  of  continuous  casting  tundish 

systems. ” ISIJ Int, 1999, 39 (6). 24‐547. 

Miki Y, Thomas B G.  “Modeling of  inclusion  removal  in  a 

tundish.” Metall and Mater Trans B, 1999, 30(8), 639‐654. 

Morales R D, Barreto J J, Lopez‐Ramirez S, et al. “Melt flow 

control  in  a  multistrand  tundish  using  a  turbulence 

inhibitor.” Metall and Mater Trans B, 2000, 31 (11), 1505‐

1515. 

Morales  R  D,  López‐Ramirez  S,  Palafox‐Ramos  J,  et  al. 

“Numerical  and Modeling Analysis  of  Fluid  Flow  and 

Heat Transfer of Liquid Steel in a Tundish with Different 

Flow  Control  Devices.”  ISIJ  International,  1999,  39  (5), 

455‐462. 

Palafox‐Rams J, Barreto J, Lopez‐Ramire S, et al. “Melt Flow 

Optimization  Using  Turbulence  Inhibitors  in  Large 

Volume Tundishes.” Ironmaking and Steelmaking, 2001, 

28(2), 101‐109. 

Ramos‐Banderas A, Morales R D, García‐Demedices L, et al. 

“Mathematical  Simulation  and Modeling  of  Steel  Flow 

with  Gas  Bubbling  in  Trough  Type  Tundishes,  ISIJ 

International.” 2003, 43 (5), 653–662 

Ray S K,  Isac M, Guthrie R  I L. “Modelling performance of 

four‐strand, 12 t delta shaped continuous casting tundish 

fitted  with  different  flow  modifying  arrangements  for 

better steel quality.”  Ironmaking and Steelmaking, 2011, 

Page 10: Physical and Mathematical Simulation of Fluid Flow in a Wide Single-strand Tundish for Slab Continuo

www.me‐journal.org                                                                 Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014 

118  

38 (3), 173‐180. 

Sahai  Y,  Emi  T.  “Melt  flow  characterization  in  continuous 

casting tundishes.” ISIJ Int, 1996, 36(6), 667‐672. 

Tomasz  Merder,  Jacek  Pieprzyca.  “Optimization  of  Two‐

Strand Industrial Tundish Work with Use of Turbulence 

Inhibitors:  Physical  and  Numerical  Modeling.”  Steel 

Research Int, 2012, 83 (11), 1029‐1038. 

Zhong Liangcai, Li Baokuang, Zhu Yingxiong, et al. “Fluid 

Flow  in  A  Four‐strand  Bloom  Continuous  Casting 

Tundish  with  Different  Flow  Modifiers.”  ISIJ 

International, 2007, 47 (1), 88–94. 

Zhong  Liangcai,  Zhang  Li, Huang  Yaowen,  et  al. 

“Influence of Various Turbulence Inhibitor on Fluid Flow 

Behavior in Tundish.” J of Iron and Steel Research, 2002, 

14(4), 6‐9.