板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动及流动行为的数值模拟

建立了板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动行为的三维数学模型,利用数值模拟方法研究了磁场与流场耦合作用下不同工艺参数和电磁参数对结晶器内钢/渣界面波动行为及流场的影响,通过VOF方法对不同条件下的钢/渣界面进行捕捉,讨论不同磁极位置、水口倾角、拉速及线圈电流强度对结晶器内钢/渣界面波动行为和流动的影响。模拟结果表明：电磁制动的施加可以显著降低钢/渣界面波高,减小射流对结晶器窄面的冲击。拉速和水口浸入深度恒定时,磁极位置和水口角度直接影响结晶器内流场形式：当[P＝]40 mm时,增加线圈电流可以降低结晶器内钢/渣界面波高和表面流速,从而减小由液面波动引发卷渣的概率;当磁极距离水口较远时[（P＝]80 mm）,随着线圈电流强度的增大,水口射流的冲击方向向上偏转,引起上回流的流动强度增强,导致钢/渣界面波高增加,增大卷渣发生的概率。     

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。     

板坯结晶器电磁制动和吹氩过程的钢/渣界面行为

利用数值模拟方法研究了板坯结晶器电磁制动和吹氩耦合作用下吹氩量,拉速和线圈电流强度等不同工艺参数对钢/渣界面行为的影响规律,分析了结晶器内液面波动指数F与液面波动间的关系.研究表明,在一定拉速和电磁制动条件下,吹氩量增加会加剧钢/渣界面的局部波动,F值随吹氩量增加而增大,弯月面处的液渣厚度与F值呈线性递增关系;在一定吹氩量和电磁制动条件下,拉速增加并没有恶化水口附近的钢/渣界面波动,而使F值增大,弯月面处的液渣厚度与F值呈线性递减关系;在一定拉速和吹氩量条件下,增加线圈电流强度会加剧水口附近的钢/渣界面波动.     

板坯连铸过程应用立式电磁制动技术的模拟研究

提出了一种应用于板坯连铸过程的新型电磁制动技术即立式电磁制动技术,利用Ansys和Fluent软件建立了描述立式电磁制动板坯连铸过程三维磁场和流场计算模型,研究了立式电磁制动磁感应强度分布规律和结晶器内流速变化。结果表明,立式电磁制动技术产生的恒稳磁场可以有效覆盖接近窄面的、自由表面到主射流冲击点高度范围内的钢水,磁感应强度主要集中在磁极覆盖区域,磁极覆盖区域外形成一个磁感应强度逐渐衰减的磁场分布;应用立式电磁制动技术后水口出流的冲击速度、自由表面钢水流速和下回流区冲击深度明显减小,有助于减少卷渣、防止漏钢和促进夹杂物的上浮,提高铸坯的质量,说明立式电磁制动冶金效果良好。     

The interfacial behavior of molten steel and liquid slag in a slab continuous casting mold with electromagnetic brake and argon gas injection

利用数值模拟方法研究了板坯结晶器电磁制动和吹氩耦合作用下吹氩量、拉速和线圈电流强度等不同工艺 参数对钢/渣界面行为的影响规律, 分析了结晶器内液面波动指数F与液面波动间的关系. 研究表明, 在一定拉速 和电磁制动条件下, 吹氩量增加会加剧钢/渣界面的局部波动, F值随吹氩量增加而增大, 弯月面处的液渣厚度与F 值呈线性递增关系; 在一定吹氩量和电磁制动条件下, 拉速增加并没有恶化水口附近的钢/渣界面波动, 而使F值 增大, 弯月面处的液渣厚度与$F$值呈线性递减关系; 在一定拉速和吹氩量条件下, 增加线圈电流强度会加剧水口附 近的钢/渣界面波动.     

板坯连铸结晶器内非对称流动对渣钢界面的影响

结晶器渣钢界面的控制是板坯连铸操作中的重要环节。为研究渣钢界面的流体动力学行为,建立了“空气保护渣钢液”三相流模型,运用雷诺应力模型和非均相混合模型对结晶器三相流场进行模拟研究,采用等体积分数法确定渣钢界面的形状及位置。浸入式水口对中不良时会导致结晶器内产生非对称流场,研究发现该流场的渣钢界面波动比相同操作参数下对称流场的界面波动要剧烈得多,且非对称流场的渣钢界面会有偏流甚至旋涡出现,对结晶器操作危害很大。     

吹氩板坯连铸结晶器内钢/渣界面行为的数值模拟

利用VOF方法和Lagrange两相流模型描述了吹氩结晶器内钢/渣界面行为,并用水模型实验检验了数值模拟结果.在此基础上考察了吹氩量、拉速、结晶器宽度、水口浸入深度及气泡尺寸对钢/渣界面卷混的影响规律.结果表明:拉速为1.8 m/min时,增大吹氩量,结晶器的上回流区逐渐消失,气泡对界面的扰动则不断加剧;吹氩量一定时,拉速由1.2 m/min增至2.2 m/min的过程中,气泡的冲击深度增加,氩气泡对钢液流型和界面形状的影响减弱;增加水口浸入深度对抑制吹氩下界面波动作用明显,而结晶器宽度对此影响较小;气泡尺寸显著影响钢/渣界面行为.     

独立可调式组合电磁制动分析

为了有效控制高拉速板坯结晶器内钢液流动和复杂多相流行为,介绍了一种新型的独立可调式组合电磁制动技术(FAC-EMBr)。采用数值模拟方法对FAC-EMBr结晶器内的电磁场特性和新型磁场控流行为进行研究。数值模拟结果表明,FAC-EMBr的施加可以在结晶器的上、下回流区和弯月面区域形成均匀分布的磁场,进而对3个主要区域内钢液流动进行控制;水平磁极和立式磁极的共同作用可以显著降低钢液射流对结晶器窄面冲击强度,减小上回流和下回流钢液流速;与未施加电磁制动和施加EMBr ruler相比,施加FAC-EMBr后,弯月面波高降低至14.5 mm,即使在高拉速条件下(2.2 m/min),FAC-EMBr的施加也可达到有效的控流效果。     

板坯连铸结晶器内流场与钢-渣界面波动性数值模拟分析

基于Fluent商用有限元平台,以1 300×200 mm板坯连铸结晶器为研究对象,结合其实际生产工艺,利用VOF方法建模计算,并追踪结晶器内钢-渣界面运动;分析了拉速和水口浸入深度对系统流场和钢-渣界面波动性的影响规律,并通过水模实验验证了仿真模型准确性。同时,结合实际生产情况给出了结晶器钢-渣界面稳定性的控制措施。结果表明,拉速的增加会加剧结晶器弯月面处的界面波动,浸入深度的增加可有效抑制钢-渣界面波动,避免卷渣现象发生;根据数值模拟结果,为获得稳定流场和减少界面波动,建议的工艺匹配值为:拉坯速度1.2 m/min,水口浸入深度280 mm。     

直通型水口浸入深度对220 mm×260 mm方坯结晶器流场影响

结晶器内钢液流动状态会直接影响铸坯的质量,不合理的流场会导致液面流速过大,弯月面波动过大,造成卷渣。采用几何相似1：1水模型和Fluent流体力学软件研究了220 mm×260 mm方坯结晶器直通型水口浇注下,不同浸入深度对结晶器液面波动、表面流速、流场分布、冲击深度、保护渣覆盖的影响。结果表明：直通型水口流股集中,冲击深度较大,液面波动均匀,波动受浸入深度和拉速的影响较小。保护渣渣层覆盖良好,渣层均匀,出现卷渣的可能性较小。综合考虑冲击深度,保护渣活跃程度,结晶器电磁搅拌的影响,现场合适的浸入深度为80～100 mm。     

高拉速板坯连铸结晶器内钢/渣界面行为的数值模拟

用数值模拟方法研究了高拉速下拉速、水口出口角度、浸入深度、铸坯宽度和保护渣黏度对钢/渣界面行为的影响规律,并利用水模型实验进行了验证.研究表明,在一定拉速下,增加水口浸入深度和向下的张角能有效抑制钢/渣界面波动;熔渣黏度对钢/渣界面形状几乎没有影响,而界面速度随熔渣黏度的增加而减小.     

电磁制动下薄板坯结晶器内钢液流动优化

电磁制动对结晶器内钢液流动具有显著影响,为明确电磁力对高拉速薄板坯结晶器内流场分布的影响规律,建立了薄板坯电磁连铸结晶器内钢液流动的三维数学模型,利用数值计算方法研究磁场与流场耦合对钢液的流动影响。模拟结果表明,五段式电磁制动技术产生的恒稳磁场可以显著抑制钢液湍流流动,降低弯月面波动,且具有稳定钢渣界面的作用;通过研究高拉速与制动力的产生关系,揭示了由线圈产生的磁感应强度与不同拉速的匹配程度。     

EMBr对高拉速薄板坯钢水动态行为影响的模拟

在高拉速薄板坯的生产工艺研究中,结晶器内钢水流场是决定坯壳均匀性、液面卷渣概率等铸坯质量问题的关键因素。EMBr能够显著改变钢水流场,是改善这些问题的关键工艺技术。因此,对结晶器内钢水流场的模拟、分析与优化是必不可少的工作。以往的研究中,相关的数据与理论指导较少,针对薄板坯无头轧制产线,高拉速连铸机的分析与研究更鲜有报道。因此基于该高拉速连铸机,采用数值模拟方法获得了结晶器内不同电磁制动电流强度的磁感强度分布。采用电磁与多相流耦合模式,针对不同磁感强度条件下的结晶器钢水流场分布与液面形貌进行了仿真模拟,并分析了电磁制动对液面波动的影响。结果表明,基于固定的工况环境,电磁制动电流值为175 A时钢水流场分布均匀,钢水液面流速相对最低,最高流速约为0.6 m/s,同时液面高度差与剪切角相对最小。该条件最有利于减少因坯壳不均或液面卷渣造成铸坯缺陷的概率。电流值225 A相比125 A时,钢水液面位置磁感强度仅提高0.02 T,液面到达稳定时间仅缩短约1 s。因此存在综合评判下的最优电流值。     

水口结构对板坯结晶器液面流动行为的影响

针对不锈钢板坯轧材经常出现的夹渣和表面翘皮现象,以实际生产条件为背景,对其连铸结晶器内钢液流动行为与水口工艺的相关性进行了试验研究。基于相似原理建立了相似比0.65∶1的物理模型,对不同浸入式水口结构和浇注工艺参数下的结晶器液面状态进行了流体动力学行为评价与比较优化。其中,主要研究了拉速、浸入深度、水口倾孔倾角(4°、8°、15°)、侧孔形状(矩形、倒梯形)等对结晶器内液面波动和表面流速的影响。结果表明,连铸拉速和水口浸入深度对液面波动的影响比水口结构显著;水口上倾角由4°增大到8°、15°,结晶器表面流速有减小趋势,但因流股冲击深度减小,导致在结晶器弯月面处的波高增大。综合表明,针对实际连铸拉速1.10 m/min的需要,其适宜的水口结构为倒梯形水口侧孔、上倾8°,其在水口浸入深度110~120 mm范围内,液面平均波高为1.1~1.2 mm,平均表面流速约为0.103 m/s。同时用数值模拟方法比较了优化方案和原方案,同样表明优化方案液面较平稳,剪切卷渣概率较低。     

板坯电磁加热中间包钢液流动特性和结构优化

电磁加热中间包技术能有效补偿浇注钢液温降,实现恒温和低温浇注。为使电磁加热中间包技术能合理应用于双流板坯连铸,建立了相应的数学模型,研究了感应加热技术对中间包内流动和温度特性的影响。考察了挡墙-挡坝和通道角度等因素对钢液温度场和流动行为的影响。结果表明,通道式感应加热技术不能直接应用于双流板坯连铸,有必要优化中间包结构。电磁加热能显著提高中间包分配室内的钢液温度,但会产生短路流。挡墙-挡坝可有效减少短路流和均匀钢液温度。挡墙-挡坝与水口出口距离为0.5 m时,钢液流动状态较好,温度分布较均匀;增大通道展开角度不适用于双流板坯感应加热中间包。合理的加热功率模式可将浇注温度波动控制在5 K以内。