五流大方坯中间包控流装置优化的数值和物理模拟

针对280 mm×350 mm五流连铸35 t中间包第3流铸坯质量探伤不合格率较高的问题,采用数值模拟和几何相似比1:3水模型模拟,研究了控流装置对中间包钢液流动特性的影响,优化中间包流场。结果表明,原型中间包控流装置结构不合理,各流一致性差,尤其第3流短路流明显;采用中墙开两孔的2~#挡墙+圆形加檐的B型湍流控制器后,各流一致性明显改善,第3流短路流消除,其平均停留时间延长了242.1 s,同时中间包活塞区体积增加了5.7%,死区体积减小了1.1%,冲击区钢液流动平稳。     

六流连铸中间包结构优化的水模型实验

采用相似比为1:3的水模型,对莱钢六流连铸中间包流场进行模拟研究.研究结果表明:原型中间包内存在明显的短路流和旁路流,死区比例较大,混匀效果差,通过对挡墙结构和湍流抑制器的优化设计,使中间包流场得到明显改善.其中"V"字挡墙配改造2型湍流抑制器效果最佳,可使近水口的滞止时间增加约1倍,死区比例降低70%左右.     

六流双通道感应加热中间包钢水流动控制

通道式感应加热是近年来得到快速推广应用的中间包冶金新技术,其通道常为直通式结构。然而对于多流狭长型中间包,这种结构会造成包内各流钢水流动和温度差异大,从而影响铸坯质量的稳定性和一致性。为此,提出了一种分口通道结构,并以国内某钢厂一需要改造的6流中间包为原型,通过物理模拟方法探究了通道孔径、角度等对钢水流动的影响,且与常规直通道结构进行了对比。结果表明,分口两孔径分别为90、60 mm并配合挡坝结构的A1D方案可明显改善整个中间包的流动均匀性,各水口RTD曲线几乎重合。该结构应用于某厂重轨钢生产,铸坯质量稳定,各流钢水温差为0~3 ℃,取得了良好的应用效果。研究为该类中间包的结构设计提供了新的思路和方法,同时也表明传统的物理模拟方法仍可用于指导感应加热中间包的设计和优化。     

通道式感应加热五流中间包流场的水力学模拟

 通道式感应加热能有效补偿连铸过程中间包钢水的温降,且具加热效率高、设备简单等优点,是近年来得到快速推广应用的中间包新技术。配置感应加热器后的中间包结构与常规中间包差异较大,其加热通道的设计对中间包流场具有明显影响。针对实际应用的某5流直通道感应加热中间包边部流和中间流温差大、钢水浇铸过热度偏高的问题,通过水模拟试验对该中间包流场进行优化,提出了一种新型的分口通道方案。该方案可将中间包的死区比例由原型的29.50%降低到20.33%,钢水平均停留时间较原型延长了40 s。工业试验表明,分口式新型通道设计中间包各流浇铸温度一致性得到改善,其中边部流和中间流的平均温差较原型降低了3.6 ℃,实现了感应加热中间包应用效果的进一步提升。     

六流小方坯中间包流场优化水模研究

为改善某钢厂六流小方坯中间包钢液流场,净化中间包钢水以及改善钢水的温度分布,通过合理设计正交水模试验,考察各方案中间包死区体积、多流一致性等参数,以及两者的综合指标,表明影响该中间包流场综合特性的主次因素顺序为:孔径大小→导流孔倾角→挡墙位置→挡墙高度,其中导流孔径55mm,向上倾角30°,挡坝距中端400 mm,高度250 mm,此方案流场较为合理。     

六流H型通道感应加热中间包的结构优化

为解决六流H型通道感应加热中间包原型死区比例大,各流一致性差,第3流和第4流钢水短路流的问题,通过水模拟实验对中间包流场进行优化,同时采用数值模拟对中间包温度场进行了模拟。结果表明,在中间包内添加挡坝或在V形挡墙上开导流孔均可改善流体的流动状况。与原型结构相比,优化后的A4方案(V形挡墙上开2个水平倾角分别为36°、44°,孔径105 mm,距包底分别为170和510 mm的导流孔)总体平均停留时间延长了165 s,死区比例降低了23.95%,各流水口之间的最大温差仅为0.5 K,一致性显著提高。     

六流H型通道感应加热中间包的结构优化

摘要：为解决六流H型通道感应加热中间包原型死区比例大，各流一致性差，第3流和第4流钢水短路流的问题，通过水模拟实验对中间包流场进行优化，同时采用数值模拟对中间包温度场进行了模拟。结果表明，在中间包内添加挡坝或在V形挡墙上开导流孔均可改善流体的流动状况。与原型结构相比，优化后的A4方案（V形挡墙上开2个水平倾角分别为36°、44°，孔径105mm，距包底分别为170和510mm的导流孔）总体平均停留时间延长了165s，死区比例降低了23.95%，各流水口之间的最大温差仅为0-5K，一致性显著提高。     

通道式感应加热7流中间包流场的物理模拟

 为解决通道式感应加热7流中间包各流一致性差、第2和第6流钢水停留时间短的问题,通过水模拟试验对该中间包流场进行优化。等温试验结果表明,通过改变通道结构以及添加双挡坝可改善流体的流动状况。与原型结构相比,优化后中间包总体平均停留时间延长了277.8 s,死区比例降低了30.16%,各流一致性得到较大改善。非等温试验表明,感应加热引起的包内自然对流不可忽略,流体经加热从通道流出后会形成明显上升流。通道内外温差越大,中间包各流的一致性越好。针对原型方案,通道内外温差为5 ℃时,中间包内流体停留时间即较无温差时明显延长,死区基本消除。     

六流中间包挡墙优化的数值模拟和工业实践

根据钢厂40 t六流重轨钢中间包的结构和工艺参数,通过Ansys Fluent软件数值模拟的方式,研究了其流场、温度场及RTD（停留时间分布）曲线。研究发现,原中间包流场及温度场分布不合理,各流一致性较差。通过正交试验,确定了挡墙开孔底部仰角10°、中部仰角10°、开孔上移0 mm的优化方案。模拟结果表明,通过优化设计,提高了中间包的整体流场速度, 大幅降低了钢水的平均停留时间标准差,最低温度提高了 14.2 K,各流水口温差缩小了 1.77K,各流一致性显著增强。40 t中间包U75V重轨钢的生产应用结果表明,优化后最远端水口（3号水口）平均停留时间由原687.1 s降至575.5 s,各流温差由2.05 K降至0.28 K,改善显著。     

基于数值模拟的七流中间包控流装置设计

中间包内钢液流动行为是影响后续铸坯凝固质量的重要因素,因此,设计合理的中间包控流装置显得十分必要。以某钢厂新设计的七流"T"形中间包为研究对象,根据"T"形中间包结构特点和七流中间包的几何尺寸设计了四种不同的控流装置,并通过数值模拟的方法对各控流条件下中间包内的速度场、温度场和夹杂物去除效果进行系统分析,发现采用控流方案C时,各流间流动均衡性较好;中间包内最大温差和各流出口极限温差分别为9℃和0.4℃,温度非常均匀;同时,夹杂物去除率达89.12%,是适用于现场的一种理想控流方案。     

十流小方坯连铸机双中间包流场的优化设计

对山钢十流小方坯连铸机双中间包进行设计优化，确定合理的中间包结构类型；通过中间包流场、温度场数值和水力学模拟研究，分别为品种钢、普通钢连铸生产设计了L型挡渣墙结构中间包和整体稳流器挡渣墙结构中间包。双中间包结构类型、流场经过优化，延长了钢水在中间包内的平均停留时间，减少了各流间出口钢水温差，提高了钢水纯净度，有效促进了生产的稳定顺行和产品质量的提升。     

双通道感应加热中间包的三维磁流热耦合模型

 结合感应加热的中间包冶金是当前提升特殊钢连铸洁净度和质量稳定性的前沿技术。针对大方坯连铸用T型六流中间包,利用流动-传热耦合模型研究了控流装置对具有双感应加热通道中间包冶金行为的影响,首先获得了不开启感应加热工况下中间包的优化控流结构;进而通过对该结构进行电磁-流动-传热耦合模拟,研究了感应加热的控流和热补偿作用。结果表明,通过提高加热通道高度并配合双挡坝结构可进一步改善流体流动状况、提高各流一致性。其中,在不开启感应加热时,优化后中间包较原型死区比例由31.4%降低为17.6%,活塞区比例由19.1%提高为39.1%,平均停留时间标准差由99.6减小到40.3 s。开启感应加热后,中间包内流场有显著变化,通道出口钢液具有明显的上升流,这将有利于夹杂物的上浮去除。开启感应加热30 min后较未开启感应加热时中间包各出口平均温度由1 798.1升高为1 827.3 K,这表明感应加热可有效补偿钢水浇注过程中的热损失。这一功能有利于实现低过热度恒温浇铸,从而也有助于提高中间包控制铸坯洁净度和铸态组织一致性的综合冶金效果。     

八流一体式中间包的钢液流动特性分析

以单流中间包停留时间分布曲线(RTD曲线)组合模型为基础,充分考虑中间包各流流量对流动特性的影响,提出一个适合多流中间包的RTD曲线分析模型。该模型使中间包各流所对应的短路流、活塞流、混合区及死区的体积分数之和为100%,有效避免了传统组合模型所导致的各流股对应区域的体积分数之和偏大(超过100%)的情况,使之符合客观物理现实。模型选用短路流、活塞流、混合区及死区体积分数的标准差,进行各流流动一致性判断。以此为理论依据,采用水模拟实验,结合正交设计实验方法,确定八流一体式中间包控流装置的最佳组合为:低孔挡墙+低挡坝+盆式湍流抑制器。     

连铸参数对中间包内控流元件冶金性能的影响

根据相似原理,以浇铸Φ380 mm铸坯的28 t 3流T型中间包为原型,通过实验相似比λ=1:2水模型,研究了拉速0.3～0.9 m/min、液位600～1200 mm连铸条件下,控流元件对中间包内流场特性的影响。结果表明,当实际生产的中间包液位为500 mm左右时,拉速<0.4 m/min时,控流元件改善其流场的作用不明显,不需加入控流元件;当拉速≥0.4 m/min和<0.7 m/min时,可选用带挡墙结构的中间包;当拉速≥0.7 m/min,可考虑挡墙加湍流抑制器的结构,以优化中间包内流场特性。通过对中间包内流场的分析得出,设置控流元件时,应尽量降低注流混乱度并使钢水湍动能尽可能多的消耗在浇铸区。     

八流方坯连铸中间包结构优化研究

采用1:3水模型实验对钢厂的八流150 mm×150 mm坯连铸不同控流结构80 t中间包内钢液流场进行了研究,并通过数值模拟进行验证。研究结果表明,中间包仅加湍流抑制器后对改善钢液的流动效果不明显,加上"V"型挡墙后能明显改善各流流动特性,湍流抑制器、"V"型挡墙和单坝组合能进一步提高各流的流动特性一致性,平均停留时间增大到505.22 s,在挡坝的两侧分别形成了明显的环流区。将单挡坝改为双挡坝后,V_p/V_d平均由原来1.77提高到2.63,死区比例平均也减少了6.0%,且各水口的稳定性最好,各流RTD曲线吻合度也最好,且存在3个大环流区和1个小环流区,水模型实验与数值模拟结果一致。     

六流连铸机T型中间包控流装置优化的物理模拟研究

以某钢厂六流连铸机T型中间包为研究对象,根据相似原理建立了几何相似比为1∶4的物理模型。模型从挡墙上导流孔角度优化方面研究中间包内流动特性的改变。实验结果表明,上导流孔倾角15°、下导流孔倾角25°方案控流装置获得了相对最优的结果。采用优化后的控流装置,死区总体比例从原型方案的22.24%降为15.75%,钢液得到更充分的混匀;各流平均停留时间标准差从原型方案的37.92 s降到31.29 s,各流一致性也得到改善。     

六流矩形坯连铸中间包结构优化的水模型研究

通过六流矩形坯连铸中间包的水模试验,研究了不同控流装置对其流动特性的影响。研究结果表明,稳流器和多孔挡墙能明显改善各流流动特性的一致性,在此基础上加设方形孔挡墙能有效减小死区体积。合理的中间包组合控流装置为稳流器＋多孔挡墙＋方形孔挡墙。     

多流中间包结构对各流一致性及钢洁净度的影响

为提高某钢厂铸机设备利用率和钢产量,将现用6流中间包改造为7流中间包,并通过工业试验对比了改造前后中间包各流钢液温差和铸坯中的夹杂物。结果表明,改造后的中间包不仅提高了生产效率,同时还提高了铸坯质量。以帘线钢为例,7流中间包浇注帘线钢时相比6流中间包各流间的钢液最大温差由平均4.3℃降低至3.0℃,各流钢液的温度标准差降低了32.4%,这有助于稳定各流浇注过热度和铸坯凝固组织。另外,铸坯中的大型夹杂物含量由平均4.52 mg/10 kg降低到1.62 mg/10 kg,显微夹杂物的平均数密度和各流数密度标准差分别降低了47.6%和87.9%。改造后7流中间包对应的铸坯洁净度和各流一致性均显著提高,表明不同的中间包控流方案设计对钢液洁净度有一定影响,在工业生产中不容忽视。通过对中间包流场的物理模拟解释了以上现象。研究结果可为多流中间包的优化改造提供参考。     

六流方坯连铸中间包结构优化水模实验

 通过六流方坯连铸中间包水模实验,研究了不同控流装置对其流动特性的影响。采用笔者提出的多流中间包流动特性分析模型及各流流动特性一致性的分析方法进行了定量描述。结果表明,带横墙和不带横墙的“V”型挡墙均能明显改善各流流动特性的一致性,与不带横墙的“V”型挡墙组合挡坝的数量、高度均对流动特性有影响,在较优的“V”型挡墙与挡坝组合控流装置基础上加入抑湍器后控流效果更佳。通过实验研究,提出了优化方案。     

非对称控流结构中间包流场一致性的物理模拟

国内某钢厂使用的两流板坯连铸中间包因受固定位置排渣口的限制,包内控流装置采用左右不对称布置。生产实践发现,排渣口侧的水口对应铸坯大型夹杂物含量高、热轧卷探伤合格率低,疑与中间包流场的一致性有关。为此,采用1∶3.5的水模型对中间包流场进行了模拟研究,并基于流体动力学原理对其控流效果进行了优化。结果表明,原型中间包两个水口的滞止时间差高达36 s,钢液在排渣口侧的1号水口形成短路流,因而导致两流铸坯洁净度的差异。经水模优化后,方案F1下两流平均停留时间标准差和滞止时间标准差分别可降到0.12和0.35 s,明显改善了中间包内两流浇铸流动特性的一致性,且死区比例较原型降低8.87%、平均停留时间延长了30 s。