连铸结晶器内氢气/钢液两相非稳态湍流特性的大涡模拟研究

提出了一种连铸结晶器内氩气/钢液两相非稳态湍流流动的大涡模拟模型,采用非齐次Euler-Euler双流体模型描述氩气/钢液两相流运动方程,采用大涡模拟模型对湍流黏性力进行求解.利用板坯探伤缺陷检测结果间接地验证了氩气/钢液两相非稳态湍流运动特征,利用水模型实验结果验证了两相的非对称流动特征.结果表明,氩气泡的行为将直接影响结晶器内钢液的流动行为.气泡在结晶器内的运动行为主要受吹Ar量和钢流量的影响,其平均直径随着吹Ar量的增大而增大,随着钢流量的增大而减小.结晶器内的不对称流场具有不稳定性,偏流是绝对的,对称是暂时的、偶然的,偏流的周期性不明显.结晶器二冷区弯曲段的弧形形状对结晶器内部流场的影响较大,偏流发生在弯曲段附近.     

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。     

二冷区电磁搅拌换向周期对薄板坯中心等轴晶率的影响

在高拉速的薄板坯连铸过程中，增加等轴晶率对提升连铸坯凝固质量的提升至关重要。采用三相凝固模型对三维全尺寸薄板坯连铸过程中的流动模式和等轴晶率进行数值预测，分析了二冷区电磁搅拌换向周期对薄板坯中心等轴晶率的影响。研究结果表明，高温钢液在漏斗型结晶器内迅速凝固，结晶器出口处的铸坯凝固率达37%。当采用恒定方向电磁搅拌时，熔池内部形成上下两个环流，两者被中间聚集的过热钢液分隔，上环流核心区钢液处于过冷状态。当采用换向电磁搅拌后，二冷区会形成四涡甚至五涡的流动模式。随着换向周期的增加，等轴晶率先增加后降低，换向周期为16 s时对等轴晶率提升最明显，相较于恒定方向搅拌提升了17%,并且等轴晶相分布更加均匀。     

基于多场耦合模型的连铸结晶器内钢液凝固行为分析

针对连铸结晶器内钢液的流动、传热、凝固耦合变化问题,应用连续介质力学和能量守恒理论,建立了板坯连铸结晶器内钢液流动、传热和凝固的三维非稳态数学模型。在此基础上,应用COMSOL软件进行数值模拟和分析。将耦合模型计算得到的凝固坯壳厚度与经验公式进行对比验证,总体符合较好。结果表明,结晶器内钢液流动的基本特征与单流场模型相比并没有发生变化。但是,钢液的上、下回流涡心到自由面的距离及流股冲击深度均有所减小。在靠近结晶器窄面的部分区域由于凝固坯壳的形成,不会出现钢液流动现象。由于凝固坯壳的存在,自由面钢液流速变大,自由面钢流波动更加剧烈。由于钢液的强制对流传热,结晶器内部钢液温度并不是由内到外逐渐降低的,而是出现了小幅度的波动。在结晶器出口处钢液温度较低,且分布不均匀,部分区域温度梯度较大。由于钢液的对流作用促进了钢液的热量传递,结晶器出口处窄面、宽面及角部凝固坯壳更厚。     

薄板坯连铸及其铸坯表面缺陷的形成机理

薄板坯连铸连轧技术已成为了钢铁冶金技术发展的主要趋势之一,但薄板坯连铸具有拉速高、凝固速度快、铸坯宽厚比大等特点,使得铸坯容易出现表面夹渣、表面裂纹等缺陷,而这些铸坯表面缺陷问题的产生与结晶器流场、温度和热流分布有直接的联系。因此,对薄板坯连铸结晶器内高温动态行为进行系统地概述,并在此基础上分析了铸坯表面缺陷的形成机理。研究表明,薄板坯连铸结晶器内钢液流动更加紊乱、涡流速度更快,这不利于夹杂物的上浮,且容易导致卷渣的发生,增大铸坯表面夹渣缺陷产生的可能。此外,在钢液湍流和涡流的作用下,铸坯内温度分布不均,加上在高拉速下结晶器内热流更大,这使得铸坯表面更易产生裂纹缺陷。     

全幅二段电磁制动连铸复合钢坯的模拟研究

根据电磁连铸生产复合钢板的工艺原理，建立了一个数学模型来分析该工艺过程结晶器内两种异质钢液流动及分布特征。采用低Reynolds数湍流模型计算湍流参数，并以虚拟凝固壳来代替实际的凝固计算。根据对模拟结果的分析，提出了采用全幅二段恒稳磁场控制流动的方法。与文献中的实验结果对比证明了模型的可靠性。     

薄板坯连铸凝固状态分析与结晶器长度设计

推导了薄板坯连铸过程中钢液在结晶器内的凝固传热有限元方程,开发了钢液凝固状态及温度场分布的模拟分析软件,探讨了拉坯速度及结晶器长度对结晶器出口坯壳厚度的影响。     

3D NUMERICAL SIMULATION OF FLOW FIELD AND TEMPERATURE FIELD IN A ROUND BILLET CONTINUOUS CASTING MOLD WITH ELECTROMAGNETIC STIRRING

建立了描述圆坯连铸结晶器电磁搅拌过程的三维数学模型. 采用有限元和有限体积结合的方法求解Maxwell方程组和湍流Navier-Stokes方程, 分析了结晶器电磁搅拌过程的磁场、流场、温度场和夹杂物轨迹特征, 并考虑了励磁电磁强度和频率的影响. 研究表明, 磁场模拟结果与现场实测数据一致, 电磁力在圆坯水平截面上呈周向分布. 钢液在结晶器纵截面内形成两对回流区, 且在水平截面内旋转流动; 过热钢液滞留在结晶器上部区域, 铸坯芯部温度迅速降低, 凝固前沿温度梯度提高; 大部分夹杂物积聚到结晶器上部区域旋转运动. 励磁电流强度和频率对结晶器内钢液的流动、温度分布及夹杂物运动均有明显影响.     

薄板坯连铸机结晶器的主要特点及其技术进步

介绍了薄板坯和中薄板坯连铸机结晶器的形状和主要特点,对比分析了不同类型结晶器内钢液的表面积、钢液流动、结晶器传热、薄板坯厚度、拉坯速度等对连铸过程和铸坯性能的影响,讨论了鞍钢ASP采用的先进技术,指出近年来新建和改造的薄板坯连铸机结晶器厚度呈现增加的趋势,从而解决了设备运行的一些问题,改善了铸坯的品种质量.     

薄板坯连铸结晶器模拟的现状和发展趋势

从薄板坯连铸结晶器铜板及铸坯的传热和应力数值模拟研究入手,分析目前应用数值模拟方法在模拟薄板坯连铸结晶器内钢水的流动传热及应力状态的研究现状,并展望薄板坯连铸结晶器数值模拟的研究方向.     

水口结瘤对板坯连铸结晶器钢水行为影响的数值模拟

以230 mm×1 600 mm板坯连铸机结晶器为研究对象,采用CFD数值模拟的计算方法,建立了VOF模型,研究了连铸水口结瘤对钢渣界面波动与钢液流动行为的影响。研究结果表明,当水口无结瘤时,结晶器内流场为典型的双环流形貌。当水口有结瘤时,结晶器内水口两侧会出现严重的非对称流,结瘤侧流股范围小,非结瘤侧流股范围大。水口不结瘤一侧动能增大导致结晶器下涡心位置下降,会使钢液冲击深度增大;水口结瘤一侧水口因涡心位置较高,加剧了弯月面处的波动和钢渣表面的波动紊乱。结瘤情况下的钢液波动较大,最大波动差为4.03 mm;不结瘤情况下钢液波动较平稳,最大波动差为1.4 mm。     

Structural Optimization of Electromagnetic Swirling Flow in Nozzle of Slab Continuous Casting

During the slab continuous casting process, the flow field of molten steel in the mold plays a decisive role in the quality of the slab. In this paper, electromagnetic swirling flow in nozzle technology is proposed to control the flow field in mold.This technology can drive molten steel to rotate inside the submerged entry nozzle by electromagnetic force, thereby controlling the flow field. This research shows that it can reduce the impact of molten steel on the bottom of nozzle and partly reduce the negative pressure at the upper part of nozzle outlet which is even eliminated by optimizing the structure and angle of nozzle. The area of heat flux of the mold wall becomes larger, and the crest value of heat flux gets lower than that without swirling in nozzle and any nozzle optimization. The meniscus fluctuates smoothly, and the flow velocity at the top surface is within a reasonable range. The temperature field distribution in the mold is uniform which was beneficial to the growth of equiaxed crystal and decreased element segregation.     

高拉速薄板坯连铸结晶器钢渣界面波动分析

为应对提高拉速薄板坯结晶器内钢液不稳定行为,以1 520 mm×90 mm薄板坯结晶器为研究对象,利用液面追踪技术VOF方法建模计算,对薄板坯钢渣界面进行了深入研究,实现了对薄板坯连铸结晶器内流体流动及钢/渣界面行为的模拟计算。并结合实际生产工艺,采用1∶1物理模型和数值模拟相互验证,分析了拉坯速度、浸入深度和保护渣黏度种类对结晶器流场及钢渣界面的影响。结果表明,当结晶器钢液面流速为0.20~0.25 m/s,且界面较平稳时,保护渣黏度高于0.237 Pa·s可以适用;当钢液流速为0.25~0.30 m/s,保护渣黏度为0.382 Pa·s时,现场低碳钢卷渣率小于0.5%,表现出良好的抗卷渣能力。     

流动控制结晶器内钢液运动的规律

在连铸实验装置上 ,以低熔点Pb Sn Bi合金和硅油分别模拟钢液和保护渣 ,对流动控制结晶器内钢液流动规律进行了实验研究。结果表明 ,流动控制结晶器能够控制弯月面的波动和水口区域的流动状态 ,对改善连铸坯表面及内部质量具有良好的作用。     

连铸结晶器内钢液涡流现象的大涡模拟及控制

采用大涡模拟方法对结晶器内钢液涡流现象进行模拟,研究了水口插入深度、出流角度等与“湍动涡”在液面停留时间的关系,分析了“湍动涡”和“偏流涡”的形成机理。提出了消除“湍动涡”的平板式涡阻止器结构,对涡阻止器作用下“湍动涡”和“偏流涡”的运动规律进行模拟。数值模拟结果表明：“湍动涡”是由于流体本身的脉动所形成的,随着水口出流角度的增大及水口插入深度的增加,“湍动涡”在液面的停留时间延长;“偏流涡”是由于水口不对中导致的液面的不对称流动以及流体本身的脉动综合作用形成的。平板式涡阻止器能有效消除“湍动涡”,并对“偏流涡”有一定的减弱作用。     

INFLUENCES OF CASTING SPEED AND SEN DEPTH ON FLUID FLOW IN THE FUNNEL TYPE MOLD OF A THIN SLAB CASTER

In recent years, thin slab continuous casting technology has been widely used to improve the quality of the product and to reduce the cost. One of the challenges faced by this technology is to design reasonable flow patterns, which strongly affect the surface and inner properties of the final slab in the mold. With the fixed scales and complex geometrical structures of nozzle and funnel type mold, a series of numerical simulations are made to analyze the flow patterns in melt steel using finite volume method based on structured body fitted coordinate grids. The CFD （computational fluid dynamics） package is validated first using one typical case described in previously published studies, and then it is developed to study the effect of operational parameters on fluid flow in thin slab caster. Two operational parameters, casting speed and SEN （submerged entry nozzle） depth, are mainly considered for numerical analysis. On the basis of present simulations, the reasonable SEN submergence depths corresponding to different casting speeds are suggested according to fluid flow characteristics like, flow jet impingement on the narrow side of the mold, flow speed of the melt steel beneath the meniscus and the recirculation region. This is the first stage of study on the numerical analysis of the whole thin slab casting process with electromagnetic brake.     

连铸坯拉速对结晶器卷渣现象的影响

高拉速连铸具有高效、低成本的特点,是未来连铸的发展方向。以常规板坯结晶器为研究对象,采用大涡模拟方法对结晶器内的卷渣现象深入分析。结果表明,在连铸坯拉速较低的情况下,结晶器流场较为稳定,钢液冲击速度较小,上返流速度较小,界面波动幅度不大。在高拉速的情况下,钢液冲击速度增加,渣金界面速度及卷渣数量明显提高。通过界面最大速度分析,建立了一个临界卷渣速度的计算准则,发现不同拉速情况下的临界卷渣速度是不一样的,造成这种现象的原因在于卷渣机理的不同。本模型对控制常规板坯高拉速连铸生产具有一定指导意义。     

近终型异型坯连铸用扁平浸入式水口的设计开发

针对莱钢异型坯连铸机实现全保护浇注的要求,开发了一种超扁平形状的浸入式水口。该水口工作端采用了双侧孔结构,并结合不同浇注断面和拉速进行了导流方式优化,主要依据来自于结晶器内钢水流动、自由液面波动以及传热凝固等综合冶金行为的数值预报结果。热态生产试验指出,采用单支扁平形状浸入式水口实现异型坯连铸全保护浇注是可行的,所设计浸入式水口具有显著稳定结晶器熔池液面和促进保护渣熔化的作用,使用寿命初步达到要求,铸坯内外质量得到明显改善。     

连铸结晶器液位波动的数值模拟

应用SOLA—VOF方法研究了板坯连铸结晶器自由表面的形状及钢水流动行为，计算得出了具有实际物理意义的液位波动值．通过数值模拟浸入水口出流角度及出流速度对液位波动的影响关系，指出液位波动的波形与回流区大小及位置密切相关，并分析了液位波动的形成原因．