小方坯凝固传热数值模拟及验证

为控制帘线钢82A连铸小方坯铸坯质量,建立小方坯凝固过程二维非稳态传热数学模型,计算得到连铸过程铸坯的温度场以及液相穴长度,讨论了比水量和拉速对铸坯的温度场以及固相率分布的影响,并通过现场射钉试验对模拟结果进行验证,误差范围在±4%以内。模拟结果表明,当比水量一定时,拉速越大,铸坯中心温度降温越滞后;拉速一定时,比水量越大凝固终点越提前,当在拉速1.3 m·min-1,比水量0.3 L·kg-1时,凝固终点为12.84 m。模型能够较好地预测凝固末端位置并为凝固末端电磁搅拌提供指导。     

连铸工艺参数对板坯凝固终点的影响

以Q235钢为试验对象,利用射钉法在铸坯1/4位置处测量出230 mm×1 510 mm断面在1.05 m/min拉速下的坯壳厚度,以此为基础,优化凝固计算模型,确定液相穴长度及凝固终点,并验证了铸机预报结果;通过计算结果分析连铸拉速、浇铸过热度及二冷比水量等工艺参数对连铸板坯的凝固终点位置的影响,得到了液芯长度与拉速、比水量等工艺参数之间的拟合关系,从而获得铸坯的凝固规律,为铸坯凝固末端轻压下及电磁搅拌技术的应用提供了有效的依据。     

连铸大方坯凝固终点的影响因素

建立了大方坯传热的数学模型,并通过现场射钉实验校正了数学模型,通过数学模型确定了凝固终点位置,并研究了过热度、拉速及二冷比水量等工艺参数对大方坯凝固终点位置的影响。研究结果表明,过热度对铸坯的凝固终点长度、液相的终点长度和固液两相区的长度影响较小,之间呈正比例线性关系;拉坯速度对其影响非常显著,之间呈正比例线性关系;二冷比水量对其影响比较显著,之间呈反比例线性关系。因此在制定轻压下工艺时要综合考虑。     

特厚板坯凝固过程三维热模拟研究

连铸坯重压下技术是改善大断面铸坯中心偏析、缩孔,提升铸坯致密度的有效手段,但重压下位置的合理与否直接影响到重压下技术的应用效果。本文以断面420 mm×2 390 mm的ES355特厚板坯为研究对象,建立了温度场三维有限元分析模型,通过现场测温和射钉实验的凝固终点测试验证了模型的可靠性;利用模型研究了过热度、拉速和比水量对ES355凝固过程温度场和固相率的影响规律。结果表明,相比过热度和二冷比水量,拉速对ES355铸坯温度场、凝固终点和固相率的影响较大。     

特殊钢大方坯动态轻压下压下量模型研究

根据拉坯方向上质量守恒推导出更加简单且易于数值模拟计算的特殊钢大方坯连铸压下量计算模型R_i=2/37*3~(1/2)(f_(SC,i)-f_(SC,i-1))Th/η,或者R_i=-2△T_(C,i)Th/37*3~(1/2)T_1-T_sη_i.式中,R_i为单个压下辊压下量,(f_(SC,i)-f_(SC,i-1))为中心固相率增量,Th为铸坯厚度,η_i为压下效率,△T_(C,i)为铸坯中心温度增量,T_s和T_1分别为固液相温度。建立了耦合压下量模型的大方坯凝固传热模型,并分析了钢种、断面尺寸、拉速、过热度和比水量对合理压下量的影响。结果表明,在拉坯方向上,由于凝固加速和压下效率减小,铸坯的压下量逐步增大;钢种、铸坯宽度、拉速、过热度和比水量对总压下量影响有限,但铸坯厚度对总压下量影响很大。大方坯厚度每增加30 mm,轻压下量增加1mm。     

板坯连铸凝固传热过程的三维数值模拟

利用有限元软件CLACOSOFT对板坯连铸过程进行了三维传热数值模拟,计算了温度场及液固相的分布,在此基础上得到了对轻压下实施起关键作用的凝固末端的位置。模拟结果表明拉速的影响显著,拉速从1.5 m/min提高到2.2 m/min后,坯壳厚度减少7 mm。而连铸钢水过热度对凝固末端位置影响较小,过热度每增加10℃,凝固末端位置仅后移0.2～0.3 m。     

连铸圆坯凝固末端电磁搅拌位置及工艺参数优化

通过有限元模拟对包钢圆坯铸机连铸过程钢液凝固过程进行分析,确定了凝固末端电磁搅拌的安装位置。采用瞬态磁场分析方法,分析了凝固末端电磁搅拌过程中铸坯内部的磁感应强度、电磁力的分布,并对凝固末端电磁搅拌的工艺参数进行了优化。通过优化计算,在拉速为0.45m/min,比水量为0.18L/kg,过热度为25℃的工艺条件下,430mm铸坯凝固末端的电磁搅拌工艺参数:电流为250A,最佳频率为10Hz。现场对搅拌器内部磁感应强度进行冷态测试,测试结果和模拟结果相符合。     

动态二冷配水在方坯连铸机上的应用

合理的动态二冷配水能有效地提高铸坯质量,也是连铸过程中重要的控制环节。某钢厂由于过热度控制比较差,导致铸坯表面温度和凝固末端位置变化很大,影响铸坯质量。通过使用“等效拉速”和“凝固模型控制”相结合的方法,调整不同过热度情况下各个冷却分区的水量,保证在稳定的拉速,不同过热度的情况下,铸坯表面温度和凝固末端位置稳定。     

连铸坯凝固末端电磁搅拌位置及连铸工艺优化

为了预测180 mm×220 mm轴承钢方坯的凝固末端位置,对国内某厂方坯连铸机开展射钉试验,并基于Thercast模拟仿真研究了连铸工艺参数(过热度、冷却强度、拉速)对凝固末端位置的研究。结果表明,在过热度20 ℃、拉速0.85 m/min下,180 mm×220 mm轴承钢方坯的凝固终点距离弯月面11.39 m,而末端电磁搅拌位置在11.40 m,无法充分发挥末端电磁搅拌的作用。根据射钉试验、Thercast仿真结果、设备条件、生产节奏等因素对连铸工艺进行了优化,适当降低结晶器水和足辊水量,保持其他参数不变。连铸坯低倍质量表明,工艺优化前铸坯中心存在疏松缩孔,工艺优化后中心疏松为1级、中心偏析为0级,满足质量要求。此外,通过9点法检验了工艺优化后的铸坯碳极差,其值不高于0.12%,满足质量要求。     

20CrMnTi连铸大方坯凝固规律的模拟计算

利用ANSYS软件建立了结晶器内钢水凝固传热及弹塑性应力分析有限元模拟模型。模拟计算出20CrMnTi大方坯在不同拉速和过热度下铸坯在结晶器内的凝固情况,并讨论了对铸坯质量的影响。结果表明：在相同的过热度下增加拉速或相同的拉速下增加过热度,铸坯的表面温度升高,坯壳厚度减小,沿结晶器高度方向上的收缩量减小,增大了出现中心疏松、中心偏析和缩孔的趋势。为较好地控制铸坯质量,在生产中过热度稳定在10～25 ℃,相应的拉速稳定在0.75 ～0.85 m/min。     

基于Matlab的板坯连铸凝固传热过程及热损失研究

基于Matlab数值计算,对板坯连铸凝固传热问题进行研究,得到随板坯厚度及其与结晶器弯月面距离变化的板坯温度场分布,通过拟合得到板坯凝固点末端位置与二冷总供水流量、过热温度和拉坯速度的关系式,分析二冷区水量分配比对结晶器和二冷区内单位长度板坯热损失率和板坯表面温度梯度的影响。结果表明：板坯温度随冷却阶段的不同其温度变化趋势显著不同;随着过热温度和拉坯速度的增大、二冷总供水流量的减小,板坯凝固点末端位置增大;拉坯速度对板坯凝固点末端位置的影响最为显著,其次是二冷总供水流量,过热温度对其影响较小。通过适当调整二冷区内水量分配比可实现降低板坯表面温度梯度和较少热损失率的折衷,从而在提高板坯质量的同时也提高其蓄能,以实现板坯连铸过程的节能。所得结果能对板坯连铸凝固过程的参数设计和动态运行提供依据和理论指导。     

82B小方坯凝固组织和偏析预测模型开发及应用

基于国内某厂82B小方坯连铸生产过程,使用ProCAST软件建立82B小方坯铸坯横断面宏观偏析模型,从温度场、坯壳厚度和凝固组织3个方面验证该模型的正确性,通过该模型研究连铸参数(拉速、比水量和过热度)对铸坯横断面宏观偏析的影响。模拟结果表明,82B连铸坯中心偏析随拉速和过热度的增加而增大,而比水量对中心偏析的影响较小。减轻铸坯中心偏析的关键在于控制铸坯拉速和过热度,因此为了保证铸坯中心碳偏析不高于1.10,应控制铸坯拉速低于2.64 m/min,过热度不高于10 ℃。     

板坯连铸铸流电磁搅拌辊的设计与应用

利用有限元分析软件对板坯连铸铸流电磁搅拌辊的磁路结构及应用参数进行设计。根据连铸机辊列图,计算了铸流电磁搅拌辊的安装位置及各使用工艺参数下等轴晶率。在满足安装空间的基础上,计算了一定铁芯尺寸下的最佳安匝数、磁场强度、电磁搅拌辊各组件温度分布、辊套变形量等参数。模拟结果表明,电磁搅拌辊安装在扇形段1号段的1号位和9号位能得到47.6%~61.6%的等轴晶率。在辊套直径240 mm的尺寸下,结合绕线空间及安装空间,铁芯直径最大尺寸为127 mm,此铁芯尺寸下的最大电流为400 A。计算的搅拌辊温度分布、辊套变形量指导了工程冷却水量设计及机械结构设计。试验结果表明,数值模拟的磁感应强度与实际测试的磁感应强度基本一致。通过实际运行结果发现,设计的冷却水量满足冷却要求。浇注断面为200 mm×1 000 mm的400系不锈钢铸坯在拉速为0.9 m/min时,铸坯的等轴晶率为55%,这与设计值基本一致。模拟结果正确指导了板坯连铸铸流电磁搅拌辊的设计与应用。     

连铸工艺因素对铸坯凝固过程影响的模型研究

建立了武钢连铸板坯凝固传热数学模型，计算凝固过程温度场分布，应用模型探讨了连铸工艺因素对铸坯温度和凝固过程的影响，并提出提高铸坯温度的工艺手段：适当提高拉速、控制二冷喷水量和改善二冷末端冷却方式，能提高铸坯温度，提高浇注过热度对高温出坯不利。     

电磁搅拌在湘钢6号铸机板坯生产中的使用优化

在断面为260 mm×2 050 mm板坯上使用二冷区电磁搅拌后,为改善常用拉速生产过程中产生的负偏析和更高拉速生产过程中产生的连续中心偏析及疏松,进行了不同搅拌模式及搅拌位置试验和电磁搅拌参数优化试验。试验得出：拉速0.85或0.95 m/min时,使用单对电搅辊能够减轻电搅产生的负偏析,同时可将中心偏析及疏松都控制在C1.0及以下级别;拉速增加到1.05 m/min时,使用两对电搅辊加强搅拌强度才能改善铸坯中心的连续偏析。     

电磁搅拌宽厚板结晶器内钢液流动和液面波动

为合理控制宽厚板结晶器内的钢液流动和液面波动,提高铸坯质量。通过数值模拟的方法研究了2 200 mm×250 mm连铸结晶器内的钢液流动和液面波动行为。考察了搅拌位置对流动和液面波动行为的影响规律。结果表明,电磁搅拌可增强上回流区域钢液流动,有利于均匀钢液成分和温度。电磁搅拌可使水口附近钢液的流速增加约0.04 m/s,增强了对水口附近钢液的搅拌。提高搅拌位置,搅拌产生的水平旋流增强了下返流流速,使熔池内下涡心位置上移。钢液的水平旋流使上返流发生偏转,减弱了上返流流速,降低了对液面的直接冲击,减小液面波动。适当提高电磁搅拌器位置有利于控制液面波动。电磁搅拌器中心位置Y=-0.1 m时,液面波动可由7.5 mm降低到3 mm以内,可减小液面卷渣,流场具有很好的对称性。     

合金钢连铸凝固末端位置测定

对莱钢特钢厂合金钢连铸凝固末端位置进行了测定,在连铸机上进行了GCr15、20CrMnTi、42CrMo、22CrMo4个钢种的射钉试验。根据凝固理论完成了试验计算和分析,较为系统和准确地测定出特钢合金钢连铸机二冷区凝固坯壳的厚度及凝固终点的位置。为确定凝固末端电磁搅拌位置、二冷制度的优化提供可靠的依据。