水口浸入深度对H型坯连铸结晶器内钢液流动特性的影响

以H型坯连铸结晶器为研究对象,采用FLUENT软件建立三维几何模型,模拟研究了水口浸入深度对结晶器内钢液流动特性的影响,结果表明,随着水口浸入深度的增加钢液流股冲击深度明显增大,涡心深度有变深趋势,结晶器自由液面波动减小,钢水对结晶器内凝固坯壳的冲刷有增大趋势,各粒径夹杂物去除率显著降低。该模拟条件下20μm~100μm夹杂物上浮去除率约在4%~10%之间。     

板坯凝固过程夹杂物运动行为

 本文使用离散相模型,利用数值模拟的方法对结晶器中的钢液流动、传热、凝固以及夹杂物的运动进行了耦合计算。通过追踪夹杂物的运动轨迹,并在钢渣界面处对夹杂物进行采样分析,最终计算出夹杂物在结晶器中的上浮率。研究表明,夹杂物在结晶器中的上浮率与其尺寸及拉速的大小均有关系,但受夹杂物密度的影响很小。夹杂物越大、拉速越小,越有利于夹杂物上浮至自由液面。小颗粒夹杂在结晶器中并不能被有效去除。对于粒径为50μm的夹杂物,当拉速为1m/min时其上浮率仅为46%,有37%的夹杂物被凝固坯壳捕捉,主要分布在铸坯表皮下10~25mm处。夹杂物被宽面坯壳捕捉的位置多集中在宽面靠近窄面处,在水口下方被捕捉的夹杂物较少。以往的研究认为只要夹杂物上浮至钢渣界面就能够被保护渣吸收,J.Strandh等的研究表明,夹杂物能否被吸收还取决于保护渣的粘度和润湿性等因素。因此,对于粒径较小的夹杂物,必须在精炼后的软吹氩过程中适当增大钢液的静置时间,尽量减少钢液中小颗粒夹杂的数量。另外,结晶器保护渣的选用对钢液中夹杂物的去除也很重要,不仅要满足其对钢液的保温润滑作用,还要考虑其对夹杂物吸附的影响。     

H型坯连铸结晶器内钢液传递特性的数值模拟

以950 kg/m H型连铸坯结晶器为研究对象,采用FLUENT软件建立三维几何模型,模拟研究了水口浸入深度125 mm和175 mm时拉速（0.6~1.2 m/s）对结晶器内钢液传递特性的影响。结果表明,不同拉速条件下H型坯结晶器内钢液流态相似,但随着拉速的增大,结晶器内钢液流股冲击深度增大和结晶器自由表面流速增大,保护渣熔化状况有改善趋势,同时结晶器液面波动和钢水对凝固坯壳的冲刷有增大趋势。而各粒径夹杂物上浮去除率随拉速的增大而降低,其中大颗粒夹杂物去除率降低显著,当拉速由0.6 m/min增至1.2 m/min时,100μm夹杂物的去除率由16%降至10%。该模拟条件下,20~100μm夹杂物去除率在4%~16%。     

冲压用钢中大型夹杂物的研究

采用大样电解法对冲压用钢铸坯中大型夹杂物进行了研究,分析了大型夹杂物粒径分布规律,并利用扫描电镜分析了夹杂物的类型。研究结果表明,大型夹杂物主要为复合型夹杂物,其粒径主要分布在140～300μm之间。同时大部分夹杂物都含有少量的K、Na、Mg、Ti元素,其主要来自钢水的脱氧产物、卷渣、卷入引流砂以及钢包炉的内衬侵蚀等4个途径。生产中,应确保吹氩时间,保证脱氧产物充分上浮;避免结晶器液面波动,减少结晶器卷渣;钢包开浇时尽可能移除引流砂,减少大型夹杂物。     

电磁制动对CSP结晶器内夹杂物行为的影响

利用数值模拟方法研究了电磁制动对涟钢CSP结晶器内钢水夹杂物行为的影响,并进行了现场验证.数值模拟表明,无电磁制动时,粒径在50 μm以下的夹杂物颗粒其上浮概率几乎为零,200μm夹杂物颗粒上浮概率为6%;有电磁制动时,粒径在50μm以下的夹杂物颗粒的上浮概率为25%,200 μm夹杂物颗粒上浮概率为38%,现场试验表明,采用电磁制动与没有电磁制动相比,铸坯中200～300 μm的大型夹杂物降低了15.9%,300～400μm的大型夹杂物降低了30.2%,大于400μm的夹杂物降低了39.1%.电磁制动数值模拟的结果与现场试验结果有一定的吻合性.     

卷渣类夹杂物在结晶器钢液中成分转变的动力学模型

国内某厂镀锡板缺陷处夹杂物主要来自结晶器保护渣的卷入,但其成分与结晶器保护渣有明显差别。为了进一步研究这种成分差别的原因,建立了耦合热力学平衡和动力学扩散的结晶器卷渣类夹杂物的成分转变动力学模型,明确了卷渣类夹杂物的尺寸和密度对其成分转变的影响规律,并通过对结晶器和液相穴内的钢液流动和夹杂物运动的数值模拟研究了夹杂物在钢液中的停留时间。结果表明:结晶器保护渣卷入钢液后与钢液不断发生反应,成分会发生明显改变。卷渣类夹杂物转变为缺陷处夹杂物所需要的时间与夹杂物尺寸以及夹杂物密度有关,夹杂物的尺寸和密度越大,转变为缺陷处夹杂物成分所需的时间越长。卷渣类夹杂物转变为缺陷处夹杂物所需时间与夹杂物尺寸呈幂函数关系,与夹杂物密度呈二次函数关系。夹杂物在钢液中的平均停留时间随夹杂物直径的增大而减小,并且随着拉速的增大而减小。小尺寸夹杂物一旦被卷入钢液中,将有充足的时间转变为缺陷处的成分。大尺寸夹杂物在钢液中的平均停留时间小于成分转变时间,但最大停留时间远大于成分转变所需时间,表明部分大尺寸夹杂物依然具有充足的停留时间转变为缺陷处的成分。      

板坯连铸结晶器内夹杂物分布的大涡模拟

为了研究连铸板坯结晶器内夹杂物的运动及其被凝固坯壳捕获的过程,采用大涡模拟(LES)模型、凝固模型及离散相模型(DPM)耦合计算了湍流对夹杂物运动的影响以及夹杂物在结晶器的运动、被捕获去除。通过钢液液相体积分数来代替枝晶间距的影响,从而提出了新的夹杂物在凝固前沿的捕获条件,夹杂物在凝固前沿的捕获以及夹杂物捕获位置的实时输出通过用户自定义程序(UDF)实现。结果表明,夹杂物在上表面的上浮去除率随着夹杂物直径的增大而增大;直弧型连铸机包含的弯曲段使得大尺寸夹杂物在内弧侧聚集,但小尺寸夹杂物在内外弧、左右窄面侧分布较均匀。     

连铸机结晶器流场与温度场和夹杂物排除数理模拟

以板坯连铸机结晶器为研究对象,采用数值模拟和水模试验相结合的研究方法,模拟了两种水口浇注条件下结晶器内温度、速度场分布以及钢中夹杂物上浮排除状况.试验发现,原有水口存在上循环弱、热交换慢、保护渣融化不均匀等缺点是铸坯出现表面纵裂纹和夹杂物上浮排除困难的主要原因;而新水口增强了结晶器内上循环速度,促进了钢中夹杂物的上浮.工业大生产应用结果表明,新水口能明显地降低板坯表面纵裂纹和改善铸坯洁净度.     

连铸过程中夹杂物去除数值模拟研究现状

摘要：随着钢材质量要求的提高,连铸过程中夹杂物的控制已经成为了钢铁企业的重要课题。受限于现实条件及连铸过程的复杂性,数值模拟技术成为了研究连铸过程夹杂物行为的重要手段之一。结合数值模拟研究现状介绍了中间包内电磁技术、流动控制元件和底吹氩技术对夹杂物上浮去除的积极作用,发现夹杂物性质及非等温条件对夹杂物行为的影响还较少被研究;探讨了优化浸入式水口（SEN）和合理应用电磁技术对结晶器内夹杂物去除的重要影响,当前结晶器内的夹杂物模拟研究正在向微观层面进行过渡。连铸过程中夹杂物行为的数值模拟研究随着计算机技术的发展和数学模型的完善也在不断进步。     

电磁软接触方坯连铸凝固过程夹杂物碰撞长大行为

电磁软接触对于方坯连铸而言是一项重要的电磁技术。采用数值模拟方法分析了电磁软接触连铸机内电磁力场、流场和夹杂物场的分布特点。数值结果表明，应用电磁软接触后，电磁力主要集中在靠近结晶器的铸坯表面；电磁力在水口两侧产生涡流，同时加快了液面处钢液的流动。电磁软接触下连铸机内夹杂物分布与无电磁软接触下夹杂物分布大体相似。在结晶器下方，随着距液面距离的增加，夹杂物数量密度逐渐降低，夹杂物特征半径逐渐增大。在液面处，电磁软接触下夹杂物浓度、数量密度和特征半径明显降低。     

Numerical Prediction on the Flow Field of Molten Steel and the Trajectory of Inclusion in Continuous Casting Mold Effected by Electromagnetic Field

Ｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｓｔｅｅｌｂｉｌｅｔｉｓｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｍｏｌｄ．Ｗｈｅｎｍｏｌｔｅｎｓｔｅｅｌｗｉｔｈｎｏｎ－ｍｅｔａｌｉｃｉｎｃｌｕｓｉｏｎｉｓｐｏｕｒｅｄｉｎｔｏｍｏｌｄ，ｓｔｅｅｌｊｅｔｕｓ...     

Research on the trajectory of non-metal inclusions with the flow in the mold during the solidification of continuous casting slabs

By means of the numerical simulation method,the mathematical model of inclusions movement in the mold is established under the condition of austenitic and ferritic stainless steel slab production.According to the simulation results,the main zones for inclusion particles accumulation were found and many factors that affected floating-up probability of inclusion particles were identified.These factors include the inclusion particle size,the casting speed and the slab width,etc.It is believed that the inclusion particle size is the key one among these factors.     

Research on the trajectory of non-metal inclusions with the flow in the mold during the solidification of continuous casting slabs

By means of the numerical simulation method,the mathematical model of inclusions movement in the mold is established under the condition of austenitic and ferritic stainless steel slab production.According to the simulation results,the main zones for inclusion particles accumulation were found and many factors that affected floating-up probability of inclusion particles were identified.These factors include the inclusion particle size,the casting speed and the slab width,etc.It is believed that the inclusion particle size is the key one among these factors.     

高铝钢连铸保护渣性能的控制

 高铝钢连铸过程中,钢渣反应将导致连铸保护渣成分和性能发生较大的变化。论文从热力学方面分析了高铝钢钢渣反应特性,计算结果表明为了减少渣中SiO2的还原,应控制渣中的SiO2含量,此外,在连铸保护渣中配加MnO能抑制渣中SiO2的大量还原;同时采用高碱性高玻璃化连铸保护渣理论保证熔渣在钢渣反应和吸收Al2O3夹杂后性能的稳定性。在此基础上,进行了工业性试验,结果表明：高铝钢连铸保护渣吸收夹杂物后熔点和粘度变化不大,铸坯表面和皮下质量良好,完全满足高铝钢浇铸要求。     

连铸结晶器电磁搅拌对夹杂物的影响

在连铸过程中 ,夹杂物对钢的质量有着重要影响。本文分析了结晶器电磁搅拌对夹杂物的作用机理 ,简要叙述了结晶器电磁搅拌对铸坯内夹杂物含量、大小、分布及其形态的影响     

Multiphase Flow and Thermo-Mechanical Behaviors of Solidifying Shell in Continuous Casting Mold

 The metallurgical phenomena occurring in the continuous casting mold have a significant influence on the performance and the quality of steel product. The multiphase flow phenomena of molten steel, steel/slag interface and gas bubbles in the slab continuous casting mold were described by numerical simulation, and the effect of electromagnetic brake (EMBR) and argon gas blowing on the process were investigated. The relationship between wavy fluctuation height near meniscus and the level fluctuation index F, which reflects the situation of mold flux entrapment, was clarified. Moreover, based on a microsegregation model of solute elements in mushy zone with δ/γ transformation and a thermo-mechanical coupling finite element model of shell solidification, the thermal and mechanical behaviors of solidifying shell including the dynamic distribution laws of air gap and mold flux, temperature and stress of shell in slab continuous casting mold were described.     

薄板坯连铸结晶器三维流场和温度场的数值模拟

针对ＩＳＰ型薄板坯连铸结晶器，利用数值模拟的方法，计算结晶器的内流体的三维流场和温度场，比较和分析水口结构形状，插入深度及拉坯速度对结晶器内流场和温度场的影响，为薄板坯连铸结晶器以及相适应的伸入式水口结构形状选型提供参考。     

气泡去除夹杂物的机理

针对非金属夹杂物引起的钢材质量问题,用高速摄像仪和图像处理软件对结晶器水模内的空气泡去除夹杂物模拟粒子的行为和机理进行了研究。结果表明,粒子通过粘附去除,俘获过程分为5个子过程,即粒子向气泡靠近并发生碰撞、粒子与气泡粘附形成液膜、液膜减到足够薄后破裂形成新的气固接触界面、粒子滑移到气泡底部、两者处于动态的稳定状态一起上浮。粒子在气泡表面上滑移时处于不稳定状态,气泡受到轻微扰动,粒子会失稳脱离液膜。     

Inclusion removal by bubble flotation in a continuous casting mold

Fundamentally based computational models are developed and applied to quantify the removal of inclusions by bubbles during the continuous casting of steel. First, the attachment probability of inclusions on a bubble surface is investigated based on fundamental fluid flow simulations, incorporating the turbulent inclusion trajectory and sliding time of each individual inclusion along the bubble surface as a function of particle and bubble size. Then, the turbulent fluid flow in a typical continuous casting mold, trajectories of bubbles, and their path length in the mold are calculated. The change in inclusion distribution due to removal by bubble transport in the mold is calculated based on the computed attachment probability of inclusions on each bubble and the computed path length of the bubbles. In addition to quantifying inclusion removal for many different cases, the results are important to evaluate the significance of different inclusion-removal mechanisms. The modeling approach presented here is a powerful tool for investigating multiscale phenomena in steelmaking and casting operations to learn how to optimize conditions to lower defects.