水口底部形状对高拉速板坯连铸结晶器液面特征的影响

采用1:1的水模型和工业试验研究了水口底部形状（凹底、平底和凸底）和凹底水口井深（井深分别为0、10和20 mm）对结晶器流场与自由液面特征的影响.在拉速为1.8 m·;min-1时,凹底水口和平底水口下结晶器内流场的对称性要优于凸底水口.三种水口条件下结晶器液面的表面流速变化规律为凸底水口>平底水口>凹底水口.对比不同井深凹底水口的液面特征发现:井深为10 mm的凹底水口可以有效降低结晶器的液面波动与表面流速,防止卷渣的发生.工业试验对比了凹底与凸底水口在实际生产中的使用效果,发现凸底水口下的液面波动显著大于凹底水口.凸底水口下结晶器液面波动变化的功率（频率为0.003~0.05 Hz）比凹底水口大约10倍,这与水模型的结果吻合较好.      

水口结构对板坯结晶器流场的影响

采用水模拟及PIV粒子测速系统,研究了不同水口结构对板坯结晶器流场的影响。结果表明:该试验条件下,凸底水口射流区平均速度较大,约为0.65m/s,凹底工况约为0.50m/s,水口倾角对上、下回旋区钢液流股影响较大,6种水口结构中,凹底向下15°水口结构液面波动较缓,窄面附近液面稳定,流场分布较为均匀稳定,较为适合现场浇铸。     

高拉速板坯结晶器流场影响因素的模拟研究

采用1∶1物理模拟和数值模拟相互验证,分析了拉速、水口插入深度和断面宽度对结晶器流场的影响。结果表明,当断面为230 mm×1 490 mm,插入深度为150 mm时,拉速从1.3 m/min增加到1.7 m/min,最大表面流速从0.21 m/s增加到0.32 m/s,液面波动平均增幅为21.1%;当断面为230 mm×1 490 mm,拉速为1.7 m/min时,水口插入深度从190 mm降低到150 mm,最大表面流速从0.26 m/s增加到0.32 m/s,液面波动平均增幅为30.6%;结晶器断面宽度从940 mm增加到1 490 mm,由于通钢量增大,液面流速和液面波动都增大;各因素改变时,角部流速的增幅远小于其他部位流速增幅,角部在流场中属于死区;通过物理模拟研究可得,影响液面流速最大的因素是拉速,影响液面波动最大的因素是断面宽度。     

板坯连铸结晶器流场物理与数学模拟研究

对断面为180 mm×675 mm的板坯结晶器进行了1∶1物理模拟和数学模拟,建立了Fluent数学模型,优化了结晶器浸入式水口底部结构,并对结晶器钢液的表面流速、拉速、流场、保护渣模拟等进行了分析研究。结果表明:1)在相同拉速下,倾角为20°凹底20 mm和凹底30 mm的水口的平均表面流速比倾角为15°凸底的水口的表面流速下降了20%左右; 2)对于倾角为20°的浸入式水口,当水口底部的凹底深度由20 mm增加到30 mm时,平均表面流速降低了0. 2 m/s; 3)当浸入式水口在相同水口倾角和底部结构的情况下,拉坯速度从0. 9 m/min升至1. 0 m/min时,平均表面流速上升了5%左右。     

宽度对板坯连铸结晶器液面特征影响

 由于订单日趋多样化,连铸过程中板坯宽度需要经常变化,同时由于浇铸周期的限制,通钢量一般维持不变。因此,固定通钢量研究铸坯宽度对流场的影响并采取相应控制策略有较大现实意义。采用1[∶]1水模型和工业试验研究了固定通钢量前提下宽度对板坯连铸结晶器内钢水液面特征的影响。水模型结果显示：宽度从1 050增至1 900 mm时,窄面撞击点位置由距弯月面370增至510 mm,且上回流涡心高度下移。通钢量固定为3.6 t/min,宽度从1 050增至1 900 mm时,液面平均波高从4.4降至2.5 mm,表面流速从0.42降至0.15 m/s。工业试验结果表明,通钢量为3.6 t/min时,结晶器内液面波动与表面流速随铸坯宽度增大而减小,与水模型结果一致。因此,在实际浇铸过程中,结晶器液面控制应根据铸坯宽度动态调节。     

板坯连铸结晶器保护渣卷渣及其影响因素的研究

对板坯连铸结晶器保护渣卷渣进行的水力学模拟研究结果表明,主要有三种类型的卷渣,即窄边附近的剪切卷渣、浸入式水口附近的旋涡卷渣和水口吹入的氩气泡上浮冲击钢渣界面引起的卷渣.拉速增加、减少浸入式水口浸入深度、减小水口出口倾角和增加吹入的Ar流量均会加大表面流速和液面波动,增大结晶器内卷渣的倾向,而其中拉速增加对卷渣的影响最大.当结晶器宽度为1 900 mm、采用1.4 m/min的拉速时,选择向下25°的水口出口角度、250 mm的水口浸入深度和10 L/min的Ar流量可将板坯结晶器内流场的表面流速和液面波动控制在合理的范围内,从而减小和避免结晶器内卷渣.     

浸入式水口结构对180 mm×240 mm断面连铸结晶器内钢液流动行为的影响

为改善国内某钢厂高碳硬线钢铸坯的内部质量,以实际180 mm×240 mm方坯连铸结晶器为原型,基于相似原理,采用1∶1的物理模型,对比研究了直通型和侧分旋流型水口浇铸条件下的结晶器内流体流动行为。试验测定了不同拉速和水口浸入深度下结晶器内钢液的流股分布、液面波动及渣层状态。结果表明:旋流水口可有效降低流股冲击深度;相同水口浸入深度和拉速条件下,使用旋流水口的结晶器液面平均波高大于直通型水口;拉速和浸入深度对旋流型水口的液面波动影响明显,渣层波动也比直通型水口频繁。综合液面波动和渣层状态并考虑成本因素,旋流水口更适合浇铸该断面高品质铸坯,其适宜的工艺参数为拉速1.0 m/min、浸入深度120 mm,此时自由液面平均波高0.18 mm,渣层波动适宜,无卷渣和裸钢现象发生。将该水口配合结晶器电磁搅拌和二冷工艺应用于高碳硬线钢生产,得到的铸坯质量稳定,Φ5.5 mm盘条中心碳偏析不大于2.0级的比例达95%以上,疏松缩孔不大于0.5级的比例达100%。     

不同断面及拉速对结晶器液面波动的影响

针对国内某钢厂1 450 mm×230 mm板坯连铸结晶器生产情况，利用相似原理，建立相似比为0.6的物理模型。采用墨水进行流场显示试验，观察钢液从水口进入结晶器的扩散过程，通过数据采集系统对结晶器液面波动情况进行检测，对所采集液面波动数据采用1/10大波波高进行分析，研究不同断面及拉速对结晶器液面波动的影响，并对不同断面结晶器下所对应的拉速做出优化。结果表明，结晶器两侧的流场轨迹基本对称分布；结晶器宽度和拉速的增加均会导致结晶器液面波动幅度增大，随着结晶器宽度的增加，窄面附近的液面波动波幅增加最小，结晶器水口附近液面波动波幅增加最大；当结晶器拉速增大时，液面波动的剧烈程度基本符合窄面附近处最大、SEN附近处次之、1/4宽面处最小的规律，但在结晶器宽度1 150 mm、拉速1.6 m/min条件下，水口处波动大于窄面附近。在结晶器宽度为1 150 mm、拉速为1.6 m/min,结晶器宽度为1 450 mm、拉速为1.4 m/min和结晶器宽度1 750 mm、拉速为1.2 m/min工况下结晶器液面波动比较合理。     

浸入式水口结构对板坯结晶器液面波动的影响

以1∶2. 3的几何相似比,建立了断面230 mm×1 930 mm板坯结晶器的钢液流动物理模型,研究不同的浸入式水口对结晶器流体流动和液面波动的影响,并进行了工业试验,测定了实际结晶器钢液面的波动。结果表明,凸底特别是较高凸底的浸入式水口容易在板坯结晶器两侧产生明显的不对称流动,结晶器两侧交替出现明显的液面凹陷,使得液面各点的波动差别大,且随浸入式水口浸入深度的增加液面波动不降低,在结晶器宽面1/4附近区域的液面波动比其它区域大。凹底的浸入式水口能够减轻结晶器两侧的不对称流动,从而避免液面凹陷的发生,液面各点的波动差别减小,液面波动随浸入式水口的浸入深度增加而下降。工业试验中优化的浸入式水口的结晶器液面波动的平均波高、最大波峰和最大波谷比原浸入式水口分别降低21. 70%,30. 70%和29. 18%。     

浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响

以国内某钢厂220 mm×1800 mm板坯连铸结晶器为原型,根据相似性原理建立相似比为0.6的水模型,利用粒子图像测速技术(PIV)对比不同浸入式水口(SEN)的出口角度、浸入深度及水口底部结构条件下的结晶器内流场流速特征,同时使用波高仪对液面波动振幅进行实时监测,并结合F数分析各SEN条件对结晶器内钢液流动特征.研究发现,在各浸入式水口条件下,位于结晶器液面1/4宽面处附近出现矢量流速向下的剪切流,同时在水口附近发现不规则漩涡.试验结果表明:浸入式水口的出口角度、浸入深度的增加能够强化上回旋区缓冲作用,降低结晶器液面表面流速;尽管凹底结构SEN能减弱钢液湍动能,但其对1/4宽面处剪切流速度的影响不大.另外,液面波动幅度和F数变化规律一致,且当浸入式水口出口角度15°、20°,浸入深度135 mm、145 mm条件下波幅与F数最为合理,从而减小或避免液面卷渣,提高连铸坯质量.      

板坯连铸结晶器内钢液表面流速的水模型研究

以承德钢铁厂板坯连铸结晶器为原型,采用1∶1的水模型进行试验,研究了拉速、浸入式水口出口角度、水口浸入深度、水口底面结构及结晶器断面宽度等工艺参数对板坯结晶器内表面流速的影响。结果表明:拉速对表面流速的影响最大,随着拉速的提高,结晶器内钢液表面流速明显增大,当断面宽度为1 650 mm,拉速由0.7 m/min提高到1.4 m/min,表面流速由0.04 m/s提高到0.1 m/s;波浪面结构的浸入式水口表面流速效果最优。     

1 850 mm×230 mm板坯连铸结晶器流场与温度场数值模拟

为研究连铸工艺参数对结晶器内部钢液的作用规律,对涟钢1 850 mm×230 mm板坯连铸结晶器流场和温度场进行了系统的数值模拟,研究了不同吹氩量(0～7 L/min)、不同水口浸入深度(110～150 mm)和不同拉速(0.9～1.2 m/min)对结晶器内钢液行为的综合影响。结果表明,随着吹氩量增加,自由液面的钢液流速和温度总体呈现降低的趋势;随着水口浸入深度增加,自由液面的钢液流速先降低后增加;随着拉速增加,自由液面的钢液流速增加;水口浸入深度和拉速对温度场的影响较小。当吹氩量为5 L/min、水口浸入深度为130 mm、拉速为0.9 m/min时,结晶器自由液面具有较小的钢液流速和湍动能,同时液面具有较好的温度均匀性。通过数值模拟研究,为合理选择结晶器相关工艺参数提供了理论依据。     

水口吹氩工艺板坯结晶器内气泡运动行为的物理模拟

以1300 mm × 230 mm板坯连铸结晶器的相似比0.4的物理模型,研究了拉速1.1 m/min、水口插入深度160 mm、水口吹气量0～15 L/min时连铸结晶器内气泡的运动行为,及其对钢液流股冲击深度、液面波动和液面裸露的影响。实验结果表明,随水口吹气量增加,结晶器内气泡的数量和尺寸都有所增加,气泡在钢液内水平方向扩散范围增大,且气泡最大穿透深度亦增加;当水口吹气量增大到5 L/min时,气泡逸出后在液面由全部向水口方向运动变为以集中逸出位置为中心的四散运动。     

立式板坯连铸机结晶器内流场的数值物理模拟

采用1:1的水模型研究了200 mm×1:300 mm立式板坯连铸结晶器内流场和在水口浸入深度115mm、拉坯速度0.55 m/min时水口结构参数(侧孔尺寸40 mm×40 mm～40 mm×80 mm,侧孔角度+15。～一15。)对液面波动的影响,基于流体力学计算,利用Fluent软件和采用κ-ε双方程高雷诺数湍流模型对板坯结晶器内的流场进行了三维数值模拟。结果表明,数值模拟结果与物理模拟结果较吻合;水口结构参数对液面湍动能的影响较明显;在1~#～4~#水口中,2~#水口(40 mm×40 mm,+15°,向下,倒Y形底部)的使用性能相对较好;流股的冲击速度越浅,自由液面湍动能越大。     

180 mm×610 mm板坯连铸结晶器内流场水模型及数值模拟

以北方某钢厂断面为180 mm×610 mm板坯连铸结晶器为原型,针对其生产过程中出现的表面流速波动较大、易卷渣等问题,采用Fluent数值模拟软件,对其浸入式水口底部结构、浸入深度和拉速等工艺参数进行了优化研究,并对数值模拟结果进行了冷态水模拟验证。结果表明,当不改变浸入式水口底部结构,水口浸入深度为100 mm时,拉坯速度应不超过1.45 m/min;当拉坯速度提升至1.55 m/min时,水口浸入深度应保持在120～130 mm时较为合适;若要保持原有工艺条件(拉速为1.55 m/min、浸入深度为100 mm)不变的情况下,应将水口底部结构改为凹槽深度为10 mm的凹面水口,此时结晶器表面流速较为适宜。     

1 500 mm x230 mm板坯结晶器液面波动与卷渣行为水力学模型试验和应用

基于相似理论,以钢厂1 500 mmx230 mm板坯结晶器为原型建立1 ：2的结晶器水力学模型。结果 表明,吹气量一定时,水口中心处到窄边的液面波动先增大后减小,吹气量大于0. 8 lymin时,开始发生卷渣现象, 并且结晶器内的气泡数量变多。浸人深度的增加使液面波动减弱,浸入深度在65 - 95 mm时对卷渣影响的效果不 显著;拉速增加使流股的冲击深度增大,拉速大于LI m/min时有大渣滴被卷入;当结晶器的拉速为1.0 ~ 1.1 m/min, 吹气量为0.6~0.8 I/min,浸入深度为75 - 85 mm时较合理。C45E钢生产实践表明,当拉速由0.9-1.2 m/min调整 至1.0 ~ 1.1 m/min,浸入深度由130 ~ 190 mm改进为150 ~ 170 mm时,铸坯缺陷率由6%降至1.9%。     

220mm x 1600mm板坯连铸浸入式水口倾角优化的数值模拟和应用

使用数值模拟方法研究了拉速0.9m/min时,水口倾角-7°~-11°对220mm×1600mm板坯结晶器内坯壳厚度、坯壳温度和自由液面流动的影响。模拟和应用结果得出,以拉速0.8m/min,水口倾角-15°工艺下钢液流动为标准,通过对比计算结果与标准工艺曲线,确定在0.9m/min拉速时,水口倾角为-11°为最佳工艺方案。生产应用结果表明,采用优化工艺后结晶器窄面报警频率由原15次/月降至0次/月,铸坯表面质量也有一定改善。     

浸入式水口倾角对宽幅连铸结晶器内流动行为的影响

浸入式水口出口角度影响射流的动能损失,进而影响结晶器内的流动行为.建立了比例为1 ∶ 4的水模型,在模型拉速为0.425 m/min、水口浸入深度为40 mm的条件下,借助粒子图像测速技术研究了浸入式水口出口倾角为0°和+5°对宽幅连铸结晶器内流动行为的影响.结果表明,0°和+5°水口条件下,射流在模型内的流动方式有很...     

连铸板坯结晶器液面波动及冲击深度水模型研究

为评价现有浸入式水口设计是否合理,通过几何相似比1:2的水模型对拉速0.8～1.7 m/min,断面为230 mm×(900～2 150)mm的板坯结晶器液面波动和冲击深度进行了模拟实验。结果表明,现行结晶器在5种不同断面下液面较平稳,模型中波高都在1.5 mm以内(相当于原型3 mm以内),保护渣渣层平稳,液渣层分布较均匀;而当低拉速、小断面时,即使冲击深度较低,液面波动也小于0.5 mm(相当于原型小于1 mm),导致渣-钢界面活跃不够,化渣不良,甚至可能造成液面结壳,故有必要对现有浸入式水口进行优化改造。     

CSP结晶器内钢液流动的水模型研究

采用1:1水力学模型对厚度60 mm薄板坯连铸水口浸入深度220～310 mm、出口角度-30°～-60°、拉速4.2～6.0 m/min条件下CSP结晶器内钢液流动行为进行模拟研究。在拉速4.2～5.0 m/min时双侧孔水口下CSP结晶器流场股流冲击深度达850～1010 mm;流场内存在三个滞区,液面波动不稳定;水口角度对结晶器窄面和水口附近波动影响很显著,拉速对结晶器和窄面中心处波动影响较大,浸入深度对水口附近波动影响较大。