四流中间包控流装置优化的物理模拟

根据相似原理,针对某钢厂四流中间包建立1∶2.5的物理模型,模拟钢液在原包内的流动情况,并研究弧形开孔导流墙和弧形开槽导流墙对中间包内钢液流动的影响。水模实验结果表明,由于原包冲击区域较小,导致各流最小停留时间和峰值时间较小,死区比例较高,不利于连铸生产的顺利进行。中间包控流装置采用弧形开孔导流墙和湍流控制器优化后,中间包冲击区体积变大,对两端的控流能力增强,流体在中间包内的流动情况得到很大改善。优化后1、2流死区比例分别减少了12.3%、12.1%,平均停留时间分别提高39 s、52 s。     

挡墙设计对四流T型中间包钢液流动行为的影响

挡墙设计在T型中间包流场控制方面扮演着重要角色。以某钢厂四机四流T型中间包为研究对象,采用水模拟“刺激-响应”的试验方法,对比研究了不同导流孔的挡墙对中间包内钢液流动模式和各出口一致性的影响规律。研究结果表明,中间包现有结构下的死区处于较低水平,存在远流与近流响应时间差别较大的现象,且流量的增加会恶化中间包钢液的混匀效果。优化方案通过减小导流孔的直径并设计向上45°的倾角,在中间包内产生了较大的环流结构,延长了近流出口的响应时间,活塞区比例从6.61%增加到了9.04%;各流的一致性指数从22.8降低到了9.6,降幅为58%,死区比例也略有减少,有利于改善中间包的整体冶金效果。     

板坯中间包控流装置优化的数值模拟

以某钢厂板坯连铸中间包为模型,利用数学模拟方法,对中间包内钢液流场进行研究。采用正交试验法研究了堰坝距离、坝的高度和堰的插入深度对中间包内钢液流场及RTD曲线的影响,得出各因素对活塞区体积的影响程度及最佳控流装置组合,为现场提出了控流装置的优化方案。优化后中间包活塞区由62.23%提高至70.75%,死区比例由7.11%降至5.75%,明显提高了中间包的冶金功能。     

六流非对称中间包结构优化水模型研究

为了降低钢中夹杂物数量,根据相似原理进行小方坯六流非对称中间包的水模拟研究。通过模拟分析原型中间包流场,找出其存在的问题,提出通过在原中间包中合适位置加设挡墙、挡坝、开设导流孔等的方法来优化中间包结构,共设计了包括六流浇注和五流浇注在内的5种优化方案。优化结果为:六流浇注优化后比原型中间包的停留时间增加105.2%,死区比例减小60.4%。五流浇注优化后比原型中间包的停留时间增加172%,死区比例减小76%。优化后各流之间差异性明显减小。     

通道式感应加热中间包挡墙优化的物理模拟

特种钢连铸对配备了通道感应加热技术的中间包内钢液均匀性和洁净度有着严格的要求。以国内某钢厂四流双通道感应加热中间包为对象,采用物理模拟方法对无挡墙、V型和八字型挡墙方案下中间包的流场和停留时间(Residence Time Distribution, RTD)曲线进行对比分析,从而获得最佳挡墙和导流孔结构。研究结果表明,使用八字型挡墙的中间包在平均停留时间和死区体积分数方面相比V型挡墙有很大的优势,其中最优方案为采用八字型挡墙两个导流孔的方案A2,其平均停留时间为707.7 s,死区体积分数为11.86%,方案A2相比原型中间包、V型挡墙四个导流孔的方案B1和B2、V型挡墙两个导流孔的方案C1和C2平均停留时间分别延长了223.4 s、122.1 s、117.2 s、85.3 s、68.4 s,死区体积分数分别减小了18.28%、15.24%、14.59%、10.64%、8.52%。     

双流T-型中间包的流场模拟及其控流结构优化

以北方某钢厂双流T型中间包为原型,在保持原生产节奏的基础上,设计了两种控流装置优化方案1与优化方案2。优化方案1即为在中间包注流区加入了一个导流隔墙,在隔墙上开两个直径为120 mm,倾角向上15°的导流隔墙孔来控制钢液的流动;优化方案2为在优化方案1的基础上,在距离中间包中心线两侧1 500 mm的地方各加一个高度为300 mm的挡坝。采用数值模拟与冷态水模拟相结合的手段,对3种中间包结构的流场进行了模拟研究。研究结果表明：对于双流T型双流中间包,无控流装置时,原中间包结构内存在较多短路流,不利于夹杂物的去除。相对于优化方案1与原包结构,优化方案2的死区体积分数降低到了9.4%,钢液平均停留时间明显增长并且中间包浇注区温度明显提高且分布较为均匀。因此,优化方案2更加适用于此钢厂的中间包结构。     

单流不对称中间包上下挡墙配合控流优化设计

以相似原理为基础,采用1∶2的水模型,研究了150 mm×1 268 mm板坯连铸单流不对称中间包内钢液的流动特征,通过对不同上下挡墙组合方式的研究,得出最优的组合方式,并与原型中间包的组合方式进行流场效果对比。结果表明,原型中间包控流装置的组合存在一些问题,通过正交试验得到上下挡墙的最优组合方案,优化后中间包的平均停留时间较原型提高了53.8%,包内的滞止时间较原型增加了13.75%,死区比例由41.20%降低至9.56%,活塞区比例增加11.33%,并且包内钢液的流动状态得到较大改善。     

三流连铸中间包钢水流场的数学物理模拟

应用商业软件CFX及水力学模型,对三流连铸中间包钢水流场进行了模拟研究,分析比较了原型中间包和改造后中间包内钢水的流动状态。结果表明:数值模拟与水力学模型结果相符;原型中间包内存在明显的短路流,死区比例大,均超过了50%;通过改造中间包控流装置后,中间包内钢水流动状态得到了明显改善,死区体积比例大大降低,死区比例均控制在20%以内,最低的仅为9.41%。通过现场试验发现:中部水口出口与边部水口出口的钢水温差最大值由改造前的5℃减小到2℃;事故率明显降低,达到了预期的冶金效果。     

控流装置对中间包流场影响的水模型研究

以相似原理为基础,建立1[∶]3的水模型,对某钢厂二流板坯连铸中间包进行研究。对挡坝孔大小及位置优化试验表明,随孔径的增加,平均停留时间先增加,后减小,孔径为90～120 mm左右时,平均停留时间最长;孔高和孔底与挡坝底部距离共同影响钢液在中间包内的平均停留时间和死区比例,总体来讲孔高较小对改善流场更有利,在挡坝的基础上添加小挡坝并不能有效延长钢液在中间包停留时间,但较高的小挡坝能有效增加钢液的滞止时间;优化后中包较原型中间包平均停留时间增加40 s,死区体积由原来的19.5%下降至9.0%。     

控流装置对中间包钢水流场和洁净度的影响

为研究控流装置对中间包内钢水流场影响,采用水模型和工业验证相结合方法针对某钢厂板坯连铸中间包进行优化。通过对不同控流组合中间包的优化得出,湍流控制器+下挡墙组合最优;通过对下挡墙的位置和高度的优化得出,下挡墙高300mm、距长水口距离1900mm为最佳方案。优化中间包后,钢液在中间包内平均停留时间由304.1s增加至342.1s,死区比例由18.5%降至8.4%。工业试验表明,采用优化后中间包,IF钢铸坯平均氧质量分数降低了16.8%,平均氮质量分数降低12.5%,铸坯10μm以上夹杂占比由8.6%降至6.1%。     

控流装置对四流中间包钢水洁净度的影响

为了研究控流装置对中间包钢水洁净度的影响,采用数值模拟和工业试验验证结合的方法对钢厂方坯连铸中间包进行优化。通过在原型中间包基础上增加U型挡墙,使得响应时间增加5 s,峰值时间增加371 s,改善了钢液在中间包内的短路流现象;平均停留时间增加53 s,死区体积分数减小4.1%,活塞区体积分数增加17.3%,改善了夹杂物上浮的条件;各流一致性水平也得到了提高。工业试验结果表明,在受钢区与浇注区之间增加U型挡墙,使得中间包钢液中夹杂物去除率增加了29.05%,中间包各个区域夹杂物最大尺寸最大可减小26 μm,铸坯上夹杂物去除率增加38.42%,铸坯上夹杂物最大尺寸降至16 μm以下。在中间包中使用U型挡墙,提高了钢水的洁净度以及铸坯实物的质量。     

中间包底吹气正交试验数值模拟研究

针对宝钢特钢连铸坯生产过程中存在明显地卷渣问题,采用正交试验设计方法,对中间包内钢液流动过程进行数值模拟,研究了坝堰位置、坝堰高度、吹气量大小及吹气位置等因素对平均停留时间、死区体积、活塞区体积的影响,以期为中间包内钢液流场优化提供依据。结果表明：在正交优化的最佳方案基础上,吹气位置设置在离中间包入水口中心距离1 700 mm处时,死区比例小,活塞区体积大,平均停留时间长。     

大方坯六流中间包少流浇注时钢液的流动行为

在连铸过程中,由于钢水不足或设备故障,为适应生产节奏,关闭多流中间包单个或多个水口是常见操作。然而,水口的关闭会导致中间包流场发生变化,并进一步影响到中间包内夹杂物的去除效率。为此,针对某钢厂重轨钢用大方坯六流中间包,应用数值模拟的研究方法对关闭不同单个水口时中间包内的钢液流动行为以及夹杂物去除情况进行了研究,得出了最佳关停水口方案,为中间包水口关停的选择提供了必要依据。研究结果表明,当中间包关掉任意一流浇注时,中间包内的死区体积均会略微上升;关闭第一流对于中间包内夹杂物的去除的影响最小,此时10、30、50、70、90 μm的夹杂物去除率分别由正常浇注时的12.4%、39.1%、74.2%、93.3%、95.6%变为14.7%、36.4%、76.4%、85.3%、93.8%。     

冲击区体积对感应加热中间包流动影响数学模拟

通道式感应加热中间包能够对包内钢水的热量进行及时有效的补偿,有利于提高铸坯质量。建立了某厂五流四通道感应加热中间包的数学模型,研究冲击区体积对中间包内钢液流动的影响。结果表明,冲击区体积占前腔比例的45%时,双峰和短路流问题得到有效解决,各流间钢水分配较为合理,中间包内部钢液能够获得较好的流动性能,中间包总体停留时间达到1020s,死区体积降低为11.5%,3个下水口达到峰值的时间较为一致,最大时间差为49s,达到峰值的平均时长为335s。     

过滤控流中间包流场及夹杂物去除的数值模拟

以60 t板坯连铸中间包为研究对象,采用雷诺平均方程、组分输送以及离散相模型分别计算了高拉速下中间包内钢液流场特征演变以及夹杂物运动轨迹和去除率。结果表明,采用多孔过滤控流装置后,10 μm的小夹杂物去除率提升了10%以上。与45°倾角过滤器中间包相比,55°倾角过滤器中间包的夹杂物去除率增加约5.3%,其顶部孔为水平方向,减小了卷渣与钢液裸露的风险。通过RTD曲线获得多孔过滤控流中间包的钢液停留时间缩短了30~50 s、死区体积比增加0.03%,但夹杂物去除率明显提高。因此,采用停留时间、死区体积比等宏观流场特征参数评估中间包内夹杂物去除效率的方法已不适应过滤控流装置中间包的开发研究,宜采用速度云图、夹杂物运动轨迹等微观分析方法评估其冶金效果。     

五流中间包稳态及非稳态试验

为改善国内某钢厂五流中间包流场,降低非稳态换包过程的负面影响,获得高品质洁净钢,通过水模拟试验进行稳态及非稳态换包过程的研究。试验结果表明,采用方案3的稳流器结构对该中间包稳态浇铸的流场更加有利,该试验条件下的死区体积比例为10.46%;非稳态换包过程的最佳工艺条件为换包液位350 mm、充包流量12 m3/h。