矩形坯连铸结晶器流场和温度场的数值模拟

利用Fluent流体力学软件研究了四孔浸入式水口的浸入深度对结晶器内钢水流场和温度场的影响,且探讨了其合适的铸坯拉速。结果表明,随着水口浸入深度的增加,射流的冲击深度逐渐增加,结晶器内自由液面水平速度减小,液面波动有降低的趋势,且当水口浸入深度大于100 mm时液面趋于平稳;随着浸入深度的增加,结晶器液面温度降低,高温区下移,合适的水口浸入深度为100~120 mm;随着拉速的提高,其冲击深度逐渐增加但变化十分缓慢,液面波动明显增强,合理的拉速范围为0.9~1.1 m/min。     

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。     

薄带双辊连铸水口电磁制动的实验模拟

为控制薄带双辊连铸结晶器内金属液面的波动，提出了水口电磁制动（N-EMBr）设想，通过在水口区域施加稳恒磁场与直流电流，减缓水口金属液对双辊熔池的冲击文中对熔池液面的波动情况进行了实验模拟；观测了有无电磁制动及不同水口浸入深度等条件下熔池液面的波动情况，并测量了水口金属液冲击力的相对变化。结果显示，随输入电流增大，水口出量减小，双辊结晶器内液面波动幅度和频率降低，熔池液面趋于平稳，这表明水口电磁制动可望有效抑制熔池液面波动，为解决薄带双辊连铸结晶器内金属液的布流和流动控制问题，提供一种可选择的方法。     

基于PIV技术的结晶器液面波动指数优化

针对国内某钢厂1 150 mm×230 mm断面尺寸的铸坯在冷轧过程经常出现线状缺陷、翘皮缺陷等问题,建立相似比为0.6的水模型,选择结晶器拉速、浸入式水口(Submerged Entry Nozzle, SEN)出口倾角和浸入深度进行三因素三水平正交试验。利用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)技术对不同工况下的结晶器流场进行测速,得到结晶器内钢液流动形态与钢液流速,通过结晶器液面波动指数(F数)分析不同工况对结晶器流场的影响规律。结果表明,通过PIV可以得到结晶器钢液流股的射流角度、流股对窄面的冲击点、冲击速度和冲击角度等参数,可应用F数对结晶器内钢液流动形态与液面波动进行表征。在正交试验中,各因素影响重要性为拉速>出口角度>浸入深度,最优工况为拉速1.5 m/min, SEN倾角为-30°,浸入深度为175 mm。与优化前工况对比,优化后的工况射流角度和冲击深度增大,上回流范围逐渐增大,F数减小且更接近目标值,液面波动幅度减小,卷渣发生的几率降低。     

水口浸入深度对CSP结晶器内流场的影响

为了解决高拉速生产条件下CSP板坯表面质量问题,利用数值计算软件FLUENT针对某厂CSP连铸机水口插入深度对结晶器流场及液面波动的影响进行了数值模拟研究。研究结果表明,不同的水口浸入深度结晶器内流场基本相同,增加水口浸入深度对结晶器流场影响不明显,水口浸入深度的大小直接决定了从水口流出的流股撞击结晶器窄面位置的高低,同时得出,当水口浸入深度从300、340增大到380 mm时,液面处最大流速分别为0.180、0.160和0.127 m/s;增大水口浸入深度,结晶器上回流对结晶器液面的扰动将减弱,对应的卷渣次数减少。     

板坯高拉速连铸台阶状水口的水模型研究

采用全比例水模型研究了一种用于板坯高拉速连铸的新型台阶状水口的流场、液面特征、液渣分布与流股特征。研究发现： 与原水口相比,使用该水口后结晶器内流场对称性更好;新水口在拉速2.4 m/min下平均波高最大值为 5.3 mm,比原水口最大值（6.4 mm）小17%,液位波动的FFT分析表明：新水口下液面波动频率集中在1.2 Hz (振幅为0.46 mm),而原水口液面波动频率集中在1.1Hz,振幅0.7 mm;使用新水口在高拉速下结晶器的表面流速为0.28 m/s,比原水口(0.41 m/s)小32%,且自由液面波峰波谷差和液渣层裸露面积均小于原水口;水口作用机理分析表明：由于新水口台阶的混合作用,促使水口出口两侧流股对称性更好,更有利于稳定液面和减少卷渣。     

模铸中间包液面波动的物理模拟研究

以60 t模铸中间包为研究对象,研究了中间包熔池深度、浇注速度对中间包液面波动的影响,以及各种工况条件下的卷渣情况。同时,对比研究了敞流浇注和长水口保护浇注对中间包液面波动的影响。研究结果表明,模铸中间包采用敞流浇注方式时,由于浇注过程中注流卷吸空气,以及注流对中间包液面的冲击所引起的液面波动,将导致钢液二次氧化严重,降低钢锭质量。当中间包定径水口直径为45 mm、中间包熔池深度为1 600 mm~1 800 mm时,中间包液面波动最小,熔池深度小于1 000 mm时发生卷渣。当定径水口直径为50 mm、中间包熔池深度为1 600 mm~1 800 mm时,中间包液面波动最小,熔池深度小于1 200 mm时发生卷渣。当定径水口直径为55 mm、中间包熔池深度为1 800 mm时,中间包液面波动最小,在试验所考察的各熔池深度卷渣都较为严重。采用长水口保护浇注,液面波动很小,有利于减少钢液二次氧化,降低钢液卷渣几率,提高钢锭质量。     

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。     

低拉速板坯结晶器自由液面控流的数值模拟

基于流体力学,利用Fluent软件建立了连铸结晶器内钢水流动的三维数学模型,采用k-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模拟,研究了低拉速时结晶器控流装置对不同结构参数的水口条件下自由液面流场及温度场的影响。结果表明,结晶器流动控制装置(MFCD)对结晶器自由液面的影响与浸入式水口结构有关;1号水口条件下MFCD的加入可以降低自由液面的湍动能,2号水口条件下MFCD的加入增加了自由液面的湍动能。结晶器流动控制装置(插入深度50mm、100mm)并不适用于低拉速(0.55m/min)条件下的板坯连铸。     

水口侧孔角度对不锈钢板坯连铸结晶器内流场和温度场的影响

利用数值模拟方法对比分析了不同浸入式水口倾角角度下结晶器内钢水流场和温度场的分布情况。结果表明,在同一结晶器断面宽度和工艺参数条件下,随着水口侧孔倾角角度的增加,侧孔注流在窄面的冲击位置上升,冲击强度减小,钢液面处钢水卷渣和液面裸露的几率增加,钢液面处钢水温度增加。其中,当水口侧孔角度为向上0°和5°时,钢液面处钢水表面流速变化相对较小,说明对于该断面不锈钢板坯,水口侧孔倾角角度在0°～5°范围内时在利于铸坯质量的提高.     

连铸工艺对超低碳钢表面线状缺陷的影响分析

从连铸工艺包括拉速、水口浸入深度、浸入水口出口角度、保护渣性能对超低碳钢热轧卷表面线状缺陷进行深入研究并进行现场工业试验,分析了连铸工艺参数对该类缺陷的影响规律。研究结果表明：将230 mm×1 600 mm断面铸坯,拉速由1.2 m/min降低至1.1 m/min,浸入式水口插入深度由130 mm加深至145 mm,水口出口角度由15°增加到18°,均可对抑制浇铸过程液面波动及提高超低碳钢板卷表面质量起到很好的作用。将超低碳钢保护渣黏度由0.306 Pa·s提高至0.364 Pa·s,熔点由1 089 ℃降低至1 062 ℃,可使超低碳钢热轧板卷线状缺陷发生率由8.86%降低至4.49%。     

1 600 mm×230 mm板坯结晶器流场及液面波动水模拟研究

以某厂1 600 mm×230 mm的板坯结晶器为研究对象,利用相似原理,建立1：2的物理模型,采用波高检测、粒子示踪等方法,研究了不同水口底部形状、浸入深度以及拉速对结晶器流场和液面波动的影响。试验结果表明：采用凸底浸入式水口,拉速为1.1 m/min,浸入深度为220 mm或260 mm时,结晶器液面波动幅度和注流冲击深度较低,无卷渣现象发生。     

漏斗形结晶器液面流场物理试验与数值模拟分析

当FTSC薄板坯连铸机生产拉速提高到4～6 m/min时,浸入式水口通钢量增加,结晶器内流场扰动加剧,卷渣率提高,对生产顺行及铸坯质量都将产生重大影响。因此,为了解结晶器液面流场,根据实际生产情况,制作了1∶1的结晶器水物理模型,并通过Fluent软件对结晶器液面流场进行了数值模拟,研究了水口浸入深度及拉速对液面流场的影响。结果表明,在水模型物理试验中,水口浸入深度恒定为130 mm时,拉速在4～6 m/min范围内,结晶器表面流速随着拉速的提高而增大,其最大值范围为0.401～0.693 m/s;在6 m/min恒定拉速下,水口浸入深度在130～190 mm范围内,结晶器表面流速随着水口浸入深度的增加而减小,其最大值范围为0.503～0.690 m/s。在数值模拟中,水口浸入深度恒定为130 mm时,拉速在4～6 m/min范围内,结晶器表面流速随着拉速的提高而增大,其最大值范围为0.50～0.75 m/s;在6 m/min恒定拉速下,水口浸入深度在130～190 mm范围内,结晶器表面流速随着水口深入深度的增加而减小,其最大值范围为0.65～0.75 m/s。结晶器表面流速随着距水口中心距离的增大有先增加后减小的规律。     

宽板坯浸入式水口优化的物理模拟

通过水模型研究方法,对某钢厂200mm×1800mm连铸机结晶器内流体的流动行为进行了研究,在此基础上对水口的结构参数和工艺参数进行了优化。研究结果表明：①拉坯速度、水口底部形式、水口出口形状、出口角度、出口面积比以及浸入深度等参数对结晶器内流场有重要影响,在对其进行优化研究时应综合考虑;②在试验条件下,结晶器优选出的新型浸入式水口的最佳结构参数为：水口倾角15°,出口面积比2.0,出口形状为跑道形,底部形状为平底,结合现场生产实际建议浸入深度为125mm,拉速为1.45m/min。     

方坯连铸结晶器内表面流速与卷渣行为模拟

针对中小断面方坯侧分水口浇铸技术,以实际180 mm×240 mm断面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,比较了直通型和侧分旋流型水口浇注时在不同拉速和浸入深度下的结晶器内自由表面流速和渣层状态。结果表明：相同的浸入深度和拉速下,旋流型水口浇注时结晶器内各测点表面流速比直通型水口大;在实验条件下,直通型水口表面流速为0.010～0.023 m/s,旋流型水口为0.010～0.055 m/s,拉速和浸入深度对旋流型水口表面流速的影响较直通型水口显著;此外,采用旋流水口时结晶器的渣层波动要比采用直通型水口时频繁,拉速1.0 m/min、浸入深度120 mm时,其渣层波动适宜,钢渣界面活跃且无卷渣和裸钢现象发生,此时两测点的表面流速分别为0.028和0.032 m/s,是较适宜的工艺条件。     

板坯浸入式水口的优化

以某厂铸机断面为250mm×1 600mm的结晶器为研究对象,用物理模拟与数值模拟的方法进行研究,优化水口结构与工艺参数,以改善结晶器内钢液的流场分布。试验结果表明:优化的浸入式水口的结构参数为底部形状凹底、出口形状跑道形、出口倾角-10°、出口面积比2.233,结合现场生产实际建议浸入深度140mm、拉坯速度1.1m/min。     

大方坯连铸结晶器水口优化模拟探究

为了研究不同浸入式水口类型对结晶器内流场流动的影响,以结晶器水口优化为出发点,利用物理模拟和数值模拟两种手段对断面280 mm×380 mm大方坯结晶器不同水口开展优化研究。本研究首先构建了一个1∶1结晶器水模拟试验装置,实现不同浸入式水口下的连铸流动模拟,利用PIV测量了不同水口下的结晶器截面流场,然后利用Fluent软件进一步研究了浸入式水口开孔角度、开孔数目、安装角度等参数变化对结晶器内流场以及液面波动的影响。物理模拟和数值模拟研究表明,开孔角度向上时,波动范围大于5 mm;开孔角度水平时,对窄面冲击速度过大,达到0.35 m/s;较双孔水口,四孔水口液面速度为0.22 m/s,小于卷渣临界速度值;水口安装角度改为对角线时,强化了内流场角部流动,整个流场流动更加稳定。     

板坯连铸结晶器水口优化试验研究

对断面为210 mm×1 300 mm板坯连铸结晶器进行了水力学模拟试验,研究了SEN的结构对结晶器内钢液流动状态的影响及变化规律。试验结果表明：在断面为210 mm×1 300 mm下, SEN结构及参数选用凹型底、水口剖面为圆形、S侧/S中为1.9、出口倾角为15°,插入深度为120～180 mm能有效改善结晶器内的流场。