中间包上水口环形吹氩下气泡大小和迁移行为研究

摘要：通过水模型实验研究了上水口环形吹氩工艺下中间包和结晶器内气泡形貌,并结合数值模拟分析了透气砖位置、拉坯速度和吹氩量对中间包和结晶器内气泡尺寸、气泡迁移和中间包近液面钢液流动的影响。结果表明：上水口环形吹氩形成以塞棒为中心的圆台状气泡羽流,气泡浓度沿径向向外逐渐减少;附壁效应使得气泡羽流偏向塞棒壁面流动,增大气泡的碰撞聚并概率和近塞棒壁面的羽流上升速度,对中间包液面产生较大冲击作用;同时,部分细小气泡会随钢液进入水口及结晶器内部;增大吹氩量,中间包内环形气泡羽流中气泡数目明显增多,中间包近液面钢液上升速度增大;增大拉坯速度,环形气泡羽流的宽度和气泡数量逐渐减小,近液面速度减小;增大透气环距水口中心距离,中间包内气泡弥散度增大,环形气泡羽流宽度也随之增大,气泡羽流对中间包液面冲击作用减弱;增大吹氩量和拉坯速度、减小透气环距水口中心距离,进入结晶器的气量和气泡尺寸逐渐增大。实验条件下,透气环内外径为110mm/140mm、拉坯速度为1.2m/min时,吹氩量为4L/min较为合适。     

连铸结晶器内钢/渣界面波动及卷渣行为的实验研究

连铸结晶器钢/渣界面时常发生卷渣现象,严重影响连铸坯质量.本文通过水模型实验研究了吹氩量、拉速、水口浸入深度对钢/渣界面波动及卷渣现象的影响.利用波高仪采集液面的波动数据,采用高速摄像机捕捉钢/渣界面卷渣时的瞬时图像,重现了剪切卷渣、漩涡卷渣、大气泡卷渣及抽吸卷渣现象.结果表明:随着吹氩量的增大,结晶器液面波动加剧,适当的吹氩量有利于抑制卷渣,本实验中0.8 L/min吹氩量下的卷渣频率最低;随着水口浸入深度的增加,液面波动程度和卷渣频率均呈降低趋势;随着拉速增大,水口附近的波动先减小后增大,窄边附近的波动逐渐增强,卷渣频率逐渐增大.     

吹氩连铸结晶器内渣眼形成的水模型实验

针对连铸结晶器吹氩工艺,通过改变拉速、吹气量、渣厚等参数,对结晶器上表面渣眼的形成进行了水模型实验研究.发现了两个典型的渣眼分布:水口附近和窄边附近.结果表明:拉速增大,结晶器窄边渣眼逐渐增大,水口附近渣眼逐渐减小,渣眼总面积逐渐增大;吹气量增加,结晶器窄边渣眼逐渐减小,水口附近渣眼逐渐变大,渣眼总面积先减小后增大;渣层厚度增加,结晶器窄边和水口附近渣眼都不断减小.     

连铸浇注过程滑动水口开度控制及喷钢分析

为改善钢包滑动水口反馈控制存在的滞后问题，基于伯努利原理研究了影响滑动水口开度的因素，提出水口开度前馈-反馈控制方案；分析了换包初期长水口与下水口接缝位置的喷钢原因及影响因素。结果表明，在恒拉速条件下，钢包液位逐渐降低，为了稳定中间包液面高度，需要增加滑动水口开度；减小滑动水口及长水口直径、增大水口吹氩速度均会增加钢液流经水口时的压力损失，而长水口浸入深度对钢液压力损失没有影响。开浇时，长水口内气体受钢液压缩及加热影响而压力增大，导致喷钢。采用喇叭型长水口及减小浸入深度可以使得水口内压力变小，降低喷钢现象发生的概率。本研究对实现滑动水口开度的在线实时稳定控制、提高中间包液面稳定性以及提高钢液质量有重要作用。     

中薄板坯连铸结晶器钢/渣界面行为数值模拟

利用VOF（volume of fluid）方法和Lagrangian离散模型模拟了厚度为135mm中薄板坯连铸结晶器内的钢液流动及钢／渣界面波动行为,分析了结晶器宽度、水口浸入深度、水口侧孔倾角、拉速和吹氩对结晶器内钢液流动和液面波动的影响规律．结果表明：钢液从三孔浸入式水口流入结晶器后形成上、下三个回流区;吹氩使结晶器上回流区靠近水口附近形成二次涡流;在一定拉速下,增加水口侧孔倾角和浸入深度均能有效抑制钢／渣界面波动;增加拉速和在一定拉速下增加结晶器宽度均将加剧液面波动．     

基于数值模拟的结晶器卷渣在线预测方法

 结晶器保护渣卷入到钢液中后容易被生长的凝固坯壳捕获,最终在冷轧板上形成由卷渣引起的表面缺陷,会严重恶化钢产品的质量。结晶器液面卷渣现象受到钢液成分、温度、流动方式和吹氩流量的影响。结晶器表面钢液流速大小是反映钢渣界面是否发生卷渣的重要参数,但在实际浇铸过程中,不能在线预测不同拉速、吹氩流量和水口浸入深度下结晶器表面钢液的最大速度。提出一种基于板坯连铸结晶器内多相流动数值模拟的结晶器卷渣在线预测方法。首先,建立结晶器内三维多相流动数学模型,模拟不同拉速、吹氩流量和水口浸入深度下的钢液流动行为;其次,对计算得到的表面钢液流速的最大值进行拟合,得到固定浇铸断面下结晶器表面最大流速的预测公式;最后,通过某钢厂的插钉板工业试验验证了所提方法的准确性。研究发现,不同浇铸参数下表面钢液流速沿结晶器宽度方向呈现先增加再减小的变化趋势,在结晶器宽度1/4位置具有最大值。钢液流速在较小和较大拉速下分别在窄面和水口附近具有较大值;在较小和较大吹氩流量下分别在水口和窄面附近具有较大值;随着水口浸入深度增加,钢液流速在水口和窄面附近变化较小。基于拟合的钢液流速公式,通过比较最大钢液流速与钢渣界面发生卷渣的临界流速,实现了结晶器卷渣的在线预报。     

中间包内吹气与卷渣行为的水模拟研究

以某钢厂中间包为原型,建立与原型尺寸为1∶3的水模型,研究中间包采用气幕挡墙时,流体流动行为及钢渣卷混现象,考察吹气量和气体在流体中行程对钢渣界面的影响规律。研究表明:正常浇铸条件下避免钢液卷渣的临界吹气量在0.14 m3/h,中间包液面出现渣眼的临界吹氩量为0.10~0.12 m3/h,超过临界吹气量后,渣眼加速扩增。     

中间包底吹氩行为的数值模拟

 根据某钢厂连铸中间包的实际操作参数，采用欧拉两相流模型，气体入口边界条件按照多孔介质进行处理，利用CFX软件模拟计算了底吹氩中间包内钢液的流场。结果表明:底吹氩气技术代替上挡墙或下挡墙2种情况下，注入区钢液混合加剧，有利于夹杂物碰撞长大。浇注区靠近液面处速度提高易引起卷渣。当采用湍流控制器、上挡墙、下挡墙、底吹氩技术时，吹氩位置对钢液流动的影响较大，当在湍流控制器和上挡墙之间吹入气体时，钢液的流动特性有利于夹杂物的上浮去除。     

结晶器内氩气泡分布及钢渣界面波动行为

建立了1∶0.6的结晶器水模型和结晶器原型数学模型,采用高速摄像机及分析软件研究了连铸工艺参数对结晶器水模型内气泡分布行为的影响;采用离散相模型和VOF模型的数学模拟方法,研究了连铸工艺参数对结晶器内气泡分布和钢渣界面波动行为的影响。结果表明,通过数学模拟获得的结晶器内气泡分布和水模型试验结果吻合性较好;增加吹氩量,结晶器内氩气泡尺寸增大,分布更均匀;吹氩可以降低结晶器窄面附近区域钢液的波高,但会导致水口附近波动加剧;增大拉速时,结晶器内氩气泡尺寸减小,分布更均匀,结晶器窄面波高增大,水口附近液面波高显著降低;增大水口倾角和浸入深度,有助于抑制水口附近和窄面附近的波动,气泡在结晶器内的分布相对较为均匀,气泡尺寸变化不显著。拉速为1.2 m/min、水口倾角为15°、水口浸入深度为160 mm,较优的吹氩量为4 L/min。研究结果可以为优化工艺参数、防止钢液卷渣、提高铸坯质量提供理论依据。     

中间包整体塞棒吹氩水力模型试验研究

采用整体塞棒吹氩可净化钢液,提高铸坯的质量。通过水力学模型试验研究,确定中间包整体塞棒的吹氩量和吹氩对夹杂上浮的影响,以及对结晶器流股的影响。利用快速摄影测定结晶器内氨气泡的上浮速度。     

Study on dimension and migration behavior of bubble under annular argon blowing at tundish upper nozzle

The water model experiments were carried out to study the bubble morphology in the tundish and mold with the process of annular argon blowing at tundish upper nozzle. The effects of the position of gas permeable brick, the casting speed and the argon flow rate on the bubble size distribution, the bubble migration behavior and the flow behavior of liquid steel near the liquid level in tundish were further investigated, coupled with the numerical simulation. The results show that with the process of annular argon blowing at tundish upper nozzle, a frustum cone shaped bubble plume can be formed around the stopper rod. The concentration of argon bubbles gradually decreases outward along the radial direction of the stopper rod. Owing to the wall attached effect, the bubble plumes float upward along the stopper rod, which can increase the collision probability between bubbles and the velocity of bubble plumes, causing a larger impact strength on the liquid level in tundish. In addition, a part of small bubbles are wrapped into the nozzle and the mold due to the drag force of liquid steel. With increasing argon flow rate, the number of bubbles in annular bubble plumes and the vertical velocity of liquid steel near the liquid level in tundish increase significantly. With increasing casting speed, the width and the bubble number of annular bubble plumes gradually decrease, leading to a decrease of the vertical velocity of liquid steel near the liquid level in tundish. Increasing the distance between the annular gas permeable brick and the center of tundish upper nozzle, the dispersion of bubbles and the width of bubble plumes increase, and the impact strength of bubbles acting on the liquid level in tundish becomes weaker. As the argon flow rate and the casting speed increase, and the distance between the gas permeable brick and the center of tundish upper nozzle decreases, the gas volume and bubble size in the mold increase. Under the experimental conditions, when the inner and outer diameters of the annular gas permeable brick are 110mm and 140mm, respectively, and the casting speed is 1.2m/min, the appropriate argon flow rate is 4L/min.     

浇注钢包环出钢口四孔透气塞吹氩控制下渣工艺北大核心CSCD

针对浇注钢包环出钢口四孔透气塞吹氩控制下渣工艺,建立了某钢厂130 t钢包三维DPM-VOF耦合数学模型以计算浇注钢包下渣过程,并通过冷态实验验证了该模型的有效性。利用该模型研究了不同偏心率对下渣行为的影响,揭示了该工艺控制下渣的行为规律,并分析了吹氩流量对控制下渣的影响。结果表明,随着偏心率的增大,不同浇注高度下的最大切向速度减小,汇流漩涡临界高度降低。环出钢口四孔透气塞吹入氩气后,气泡流股的汇聚有效地减弱了水口上方钢液的周向旋转速度,大幅降低了汇流漩涡下渣临界高度。4个气泡流股的气液两相流会抑制流向水口钢液的径向流动速度,由排流沉坑引起的下渣也得到明显抑制。随着吹氩流量的增加,下渣临界高度呈降低趋势。就本研究而言,控制下渣的最佳吹氩流量为30 L/min。     

Interfacial Fluctuation Behavior of Steel/Slag in Medium-Thin Slab Continuous Casting Mold With Argon Gas Injection

 The flow field of molten steel and the interfacial behaviour between molten steel and liquid slag layer in medium-thin slab continuous casting mold with argon gas injection was studied by numerical simulation, in which the effects of nozzle submergence depth and port angle, casting speed, and argon gas flow rate on the flow and the level fluctuation of molten steel were considered. The results show that the molten steel jet from the submerged entry nozzle (SEN) with three ports into the mold and form three re-circulation zones including one upper re-circulation zone and two lower re-circulation zones. Argon gas injection results in a secondary vortex flow in the upper zone near the nozzle. For a given casting speed and argon gas flow rate, increasing the side port angle and submergence depth of nozzle can effectively restrain the steel/slag interfacial fluctuation. Increasing the casting speed would prick up the level fluctuation. For a fixed casting speed, argon gas flow rate has a critical value, the interfacial fluctuation with argon gas injection are stronger than the case without argon gas injection when the argon gas flow rate is less than the critical value, but when the argon gas flow rate exceeds the critical value, the level fluctuation is calmer than that without argon gas injection.     

Interracial Fluctuation Behavior of Steel/Slag in Medium-Thin Slab Continuous Casting Mold With Argon Gas Injection

The flow field of molten steel and the interfacial behaviour between molten steel and liquid slag layer in medium-thin slab continuous casting mold with argon gas injection were studied by numerical simulation, in which the effects of nozzle submergence depth and port angle, casting speed, and argon gas flow rate on the flow and the level fluctuation of molten steel were considered. The results show that the molten steel is jetted from the submerged entry nozzle (SEN) with three ports into the mold and forms three recirculation zones including one upper recirculation zone and two lower recirculation zones. Argon gas injection results in a secondary vortex flow in the upper zone near the nozzle. For a given casting speed and argon gas flow rate, increasing the side port angle and submergence depth of nozzle can effectively restrain the steel/slag interfacial fluctuation. Increasing the casting speed would prick up the level fluctuation. For a fixed casting speed, argon gas flow rate has a critical value, the interfacial fluctuation with argon gas injection are stronger than the case without argon gas injection when the argon gas flow rate is less than the critical value, but when the argon gas flow rate exceeds the critical value, the level fluctuation is calmer than that without argon gas injection.     

抑旋板条件下多流中间包流动特性的数值模拟

以某厂35 t对称四流方坯中间包为研究对象,采用数值模拟方法研究了抑旋板对中间包流场特征的影响.结果表明:未加入抑旋板时,在端部的4流水口上方易形成逆时针旋涡,钢液面降至69 mm时便出现卷渣现象;在4流水口附近加入抑旋板,可以破坏水口处逆时针旋转流场,降低水口附近钢液流速,提高液面稳定性,对抑制汇流旋涡形成效果明显.改变抑旋板安放角度及高度,可使中间包内钢液均沿径向流入水口,钢液表面无明显旋涡形成,卷渣液位降低了40.6%,金属收得率显著提高.     

热轧卷板表面夹渣缺陷来源分析及控制现状

热轧卷板的表面夹渣缺陷对热轧板的质量及产品性能会产生极其恶劣的影响,会导致产品品级的下降乃至报废等问题,并对产品的服役期限及性能造成一定影响.随着冶炼过程中钢液洁净度的不断提高,夹渣缺陷所造成的质量问题显得尤为严重.而不同生产工艺下表面夹渣缺陷的来源方式略有差异,缺陷的来源主要有精炼过程中钢包渣的卷渣、非稳态浇注时期的...     

俄马钢连铸中间包吹氩保护工艺

由于中间包采用透气水口、长水口、塞棒及挡渣墙吹氩保护工艺,钢中点状不均匀类缺陷率减少了0.000 3%,钢中夹渣类缺陷率减少了0.020%,粗大颗粒夹杂类缺陷造成的板坯废品率减少了0.003 2%,有效地降低了钢水连铸中的板坯缺陷,创造了可观的经济价值.     

中间包控制汇流旋涡的水模研究

 为了减小中间包汇流旋涡所造成的卷渣对钢质量的危害，就某钢厂现有中间包的各工艺参数对汇流旋涡形成的影响进行了水模实验研究，结果表明：小塞棒高度、小拉速和小中间包水口口径对防止汇流旋涡有利，渣在一定程度上可以抑制旋涡的产生和发展，但渣层的厚度对旋涡没有明显影响；塞棒高度为60 mm、拉速为068 m/min、中间包水口内径为56 mm和有渣是本实验所得的该钢厂实际中间包最佳防止汇流旋涡工艺条件。     

浸入式水口吸入空气机理及吹氩量控制模型

 连铸过程浸入式水口本身及其与上水口连接处容易吸入空气,导致钢水二次氧化,随之可能造成水口结瘤及断浇,导致严重的连铸事故。通过向水口内部吹入氩气可以防止空气吸入,吹氩量控制不当容易引起铸坯缺陷。基于伯努利原理和质量守恒定律建立了从中间包到结晶器的速度-质量模型,探讨了以上部件吸入空气的机理。首先研究了理想与考虑压损2种情况下水口直径、水口浸入深度、中间包液位、铸坯宽度和拉坯速度对水口入口的钢液横截面积与出口的钢液横截面积之比(A_A/A_P)的影响,然后对水口结构进行了优化,并建立了吹氩量控制模型。结果表明,为防止水口吸入空气,应尽量减小水口直径、降低中间包液位和水口浸入深度的高度差、增大拉坯速度和铸坯断面宽度。其中水口直径提高10%,A_A/A_P从2.15增大至2.62;铸坯宽度和拉坯速度对A_A/A_P影响略低于水口直径,同样提高10%,A_A/A_P均从2.15降低至1.96;中间包液位和浸入深度对A_A/A_P影响最小。基于此研究结果,水口结构优化为符合钢液流束的圆台形,并结合水口内真空区体积确定了吹氩量控制模型,使得水口内始终保持微正压。本研究结果为减小甚至消除水口的空气吸入、控制氩气吹入量提供了理论基础,对高品质钢的生产及节能降耗具有重要意义。