连铸坯凝固过程中传输现象基础知识系列讲座 第十四讲 连铸结晶器中的钢液流动

连铸结晶器中钢液的流动方式对去除钢水中的夹杂物、防止卷渣和铸流冲刷凝固层十分重要。介绍了板坯连铸结晶器中的钢液流动和水口出口倾角、水口浸入深度及浇铸速度等参数对流动行为的影响，同时概括了小方坯弧形结晶器中钢液流动特点。     

连铸坯凝固过程中传输现象基础知识系列讲座

连铸结晶器中钢液的流动方式对去除钢水中的夹杂物，防止卷渣和铸流冲刷凝固层十分重要，介绍了板坯连铸结晶器中的钢液流动和水口出口倾角，水口浸入深度及浇铸速度等参数对流动行为的影响，同时概括了小方坯弧形结晶器中钢液流动特点。     

板坯连铸内外复合冷却流场和温度场耦合数值模拟

 针对1 240 mm×200 mm板坯连铸提出了一种钢水内外复合冷却技术，即在结晶器内设置内冷却器 U形管，起到提高传热效率改善铸坯内部组织之目的。运用流体力学分析软件，就内外复合冷却结晶器内钢水在流场温度场耦合作用下的凝固状况进行数值模拟，发现内冷却器可以使钢水的流动状态均匀和加快连铸坯的凝固速度。     

板坯结晶器内流场作用下钢液传热凝固的数值模拟

以钢厂230 mm×2 150 mm板坯连铸机为研究对象,通过三维数值模拟分析了拉坯速度(0.8～2.3m/min)、水口浸入深度(100～200 mm)、铸坯宽度(1 100～2 150 mm)对结晶器内流场作用下的钢液传热、凝固特征的影响。结果表明,拉坯速度等参数变化不会改变结晶器内钢液流动的基本特征,但会显著影响到结晶器内窄边坯壳的发育状况。水口浸深、铸坯宽度和拉坯速度的变化对于结晶器熔池液面钢水过热度也有不同程度影响:小断面,大拉速和水口浸入深度较小时熔池液面过热度较大,最大达6.2 K。     

板坯连铸机浸入式水口结构优化的水模研究

通过水力模型实验,研究了水口结构对南钢板坯连铸机结晶器内钢水流动特性的影响.研究结果表明:使用现有水口结晶器内液面波动大且存在明显裸露并有严重的卷渣现象,适当增加浸入式水口出口面积,在不改变水口其它结构参数和插入深度条件下,能够获得液面波动小,保护渣覆盖良好且没有卷渣的钢水流动特性,不仅能够实现提高拉速的要求,还能提高铸坯质量.     

板坯结晶器内钢液综合冶金行为的数值模拟

数值模拟了板坯结晶器内钢液的综合冶金行为.结果表明:钢水的流动状态主要决定于浸入式水口钢水射流形态和强度.在已经给定浸入式水口工作端的条件下,由于水口吐出孔附近存在低压抽引回流区,所以钢水仅从吐出孔下部流出,降低了水口吐出孔的有效利用面积.大断面会使其弯月面的过热度降低;坯壳温度变化主要集中在窄面冲击区域,该区域坯壳温度随铸坯断面增加而降低.断面尺寸为1 400 mm×230 mm和1 600 mm×230 mm的铸坯,结晶器出口处窄面凝固坯壳厚度能达到11.5 mm;对于1 800 mm ×230 mm断面在结晶器出口处窄面凝固坯壳厚度能达到13.4 mm.铸坯宽面坯壳厚度受断面变化的影响很小.     

宽板坯连铸机生产包晶钢结晶器液面波动原因分析

分析了宽板坯连铸机生产包晶钢时结晶器液面波动产生的原因,发现钢水凝固过程包晶反应引起的坯壳不均匀是造成结晶器液面波动的主要因素,而根据钢水实际成分计算的包晶点碳含量与钢水实际碳含量的差值超过某个范围会加剧坯壳的不均匀,进而对结晶器液面波动有影响。通过优化钢水成分,控制计算包晶点碳含量与实际碳含量的差值,解决了超宽板坯连铸机生产包晶钢结晶器液面波动过大的生产难题,稳定了连铸机生产和铸坯质量。     

板坯连铸结晶器电磁制动技术及其应用

叙述了板坯连铸结晶器中应用电磁制动技术的发展、研究状况。电磁制动技术可以控制结晶器内钢液的流动，减少结晶器保护渣的卷渣，有利于结晶器内夹杂物的去除，从而提高铸坯质量，并有利于提高铸坯拉速。研究结果表明电磁制动特性取决于板坯宽度、浇铸速度、氩气流速和浸入式水口(SEN)形状等浇铸参数，介绍了各种浇铸参数对电磁制动效果的影响。     

连铸优化设计

为确保连铸的优越性,现代铸机的整体设计以产品质量、生产能力、可靠性和成本为重点。为此,Ｋｖａｅｒｎｅｒ金属公司采用了先进的模拟技术。优化结晶器设计包括浇钢水品和结晶器中金属流动过程的模拟以及固化坯壳和结晶器板的优化。已经确认,铸坯厚度减薄过程的模拟可以保证板坯的和和应变达到合理的程度。装置设计同样直接应用了细致分析技术。．     

特厚板坯窄边鼓肚原因分析与控制

特厚板坯在浇铸过程中由于窄边鼓肚变形引起液相穴富集溶质钢水流动，传热不均导致严重的中心偏析和中心线状裂纹，同时增加边角部裂纹发生率。因此特厚板坯窄边鼓肚已成为了限制其质量发展的重要因素。本文结合南钢特厚板坯连铸机实际生产工艺，在生产前通过进行扇形段辊缝调整、增强了结晶器与窄边足辊的冷却强度，增加了铸坯坯壳厚度；并通过增加结晶器窄边足辊对数，进行铸坯出结晶器后窄边锥度补偿，延长对铸坯窄边的支撑，减小了钢水静压力对窄边的作用力。通过加强对生产过程中间包钢水过热度与拉速的控制，在结晶器中形成较厚坯壳，有效解决了特厚板坯460/370 mm×(1 800～2 600)mm断面窄边鼓肚现象，窄边鼓肚单侧鼓肚量控制在5 mm以内，改善了特厚板坯的表面及内部质量。相关研究结果将为未来特厚板的品种研发提供理论基础。     

喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响

研究了不同喷淋距离下连铸小方坯二冷喷嘴的水量分布,建立了凝固传热模型分析了82B钢连铸坯的热行为。该模型特别考虑了二冷区铸坯表面宽度方向的水流密度分布,并根据铸坯表面测温结果进行了模型校正。采用凝固传热模型研究了喷嘴喷淋距离对连铸二冷均匀性的影响。结果表明:喷嘴喷淋距离的增加有助于提高二冷水横向分布的均匀性,导致铸坯表面温度横向均匀性降低、纵向均匀性提高。这些效果有助于改善铸坯内部裂纹,但是会对角部裂纹产生不利影响。在二冷区前段喷嘴采用低喷淋距离,二冷区末段采用高喷淋距离,既可以提高铸坯角部温度,又能降低表面最大回温速率,有助于同时改善连铸坯角部和内部裂纹。在此基础上,提出了一种连铸小方坯二冷喷嘴布置方式,即二冷区每段喷嘴喷淋距离沿拉坯方向逐渐增加,该方法有助于提高连铸坯“纵?横”冷却均匀性。      

Analysis of Mould,Spray and Radiation Zones of Continuous Billet Caster by Three‐dimensional Mathematical Model based on a Turbulent Fluid Flow

An analysis of mould, spray and radiation zones of a continuous billet caster has been done by a three‐dimensional turbulent fluid flow and heat transfer mathematical model. The aim was to reduce crack susceptibility of the billets and enhance productivity of the billet caster. Enthalpy‐porosity technique is used for the solidification. Turbulence is modelled by a realizable k‐ε model. The three‐dimensional mesh of the billet is generated by Gambit software, and Fluent software is used for the solution of equations. In various zones, different standard boundary conditions are applied. Enhanced wall treatment is used for the turbulence near the wall. In the mould region, Savage and Prichard expression for heat flux is applied. In the spray cooling zone, the heat transfer coefficient for surface cooling of the billet is calculated by knowing the water flow rate and the nozzle configuration of the plant. The model predicts the velocities in the molten pool of a billet, the temperature in the entire volume of billet, the heat transfer coefficient in the mould region, the heat flux in the cooling zone and radiation cooling zone, and the shell thickness at various zones. The model forecasts that the billet surface temperature up to the cutting region is above the austenite‐ferrite transformation temperature (which is accompanied by large volume change). The model predicts a temperature difference of maximum 700 K between the centre and surface of the billet. The entire solidification takes place at 11.0 m length at 3.0 m/min. For the same casting arrangement, increasing the casting speed up to 4.0 m/min has been explored. Based on the simulation results, recommendations to alter the spray water flow rate and spray nozzle diameter are presented to avoid a sudden change of temperature.     

降低过热度对方坯凝固组织的影响

结晶器内钢液过热度的降低可以促进柱状晶向等轴晶的转变和提高等轴晶率,从而有利于铸坯组织的均质化。基于上述原理,设计和制造了可用于降低钢液过热度的冷却水口,并在方坯连铸机上进行了工业试验,分析了低过热度技术对方坯凝固组织的影响。结果表明:采用冷却水口以后,结晶器内钢液过热度的下降幅度可达14℃,铸坯的等轴晶率提高了8%~24%,中心偏析和缩孔严重程度有所降低。     

水口结构对连铸中低碳钢流场和温度场的影响

 为研究水口结构形状对连铸中低碳钢结晶器内流场和温度场分布的影响，采用有限容积法建立连铸圆坯三维数学模型，模拟了不同水口形状下圆铸坯的流场和温度场。结果表明，在水口浸入深度为80 mm、其他参数不变时，与直水口相比，旋流水口使钢水冲击深度降低，结晶器内涡流增强，弯月面温度和二冷区凝固率提高，且随着水口数量的增加，弯月面波高和结晶器出口温度降低；采用旋流水口并施加结晶器电磁搅拌(M EMS)时，结晶器中钢液温度升高，弯月面有卷渣行为，结晶器出口未形成凝固坯壳。在实际应用中，应避免同时使用M EMS和旋流水口，或使用旋流水口时采用低强度的M EMS。     

方坯连铸结晶器浸入式水口结构类型的研究

应用流场计算软件PHOENICS及水力模型,模拟了方坯连铸结晶器内钢液的流场和流动分布。在此基础上模拟计算了几种不同形式的水口对流动形态的影响,并用水力模型试验进行了验证。通过数值模拟,为优化结晶器内钢液的流场以及浸入式水口的设计提供了科学依据。     

连铸二冷系统喷嘴堵塞物来源分析和控制措施

连铸二冷喷嘴堵塞会造成冷却水分布不均匀,导致铸坯表面温差大,使铸坯产生裂纹缺陷,严重降低轧材的成材率。针对湘钢4号小方坯连铸机出现的喷嘴频繁堵塞问题,全面、系统分析了喷嘴堵塞物类型及其来源,并提出了相应控制措施。分析结果表明,喷嘴堵塞物主要分为4种类型,即边角突出的致密铁氧化物,球形铁氧化物,含P、Si、Ca的无定形氧化物和多孔疏松结构的铁氧化物,其来源于水站沉淀池和连铸反冲洗过滤器后的碳钢材质部件结垢物。当反冲洗过滤器后的碳钢材质部件更换为不锈钢材质后,喷嘴堵塞物中多孔疏松结构的铁氧化物消失,喷嘴堵塞现象明显改善,最大喷嘴堵塞数量由5~8个减少为0~2个。     

连铸二冷系统喷嘴堵塞物来源分析和控制措施

连铸二冷喷嘴堵塞会造成冷却水分布不均匀,导致铸坯表面温差大,使铸坯产生裂纹缺陷,严重降低轧材的成材率。针对湘钢4号小方坯连铸机出现的喷嘴频繁堵塞问题,全面、系统分析了喷嘴堵塞物类型及其来源,并提出了相应控制措施。分析结果表明,喷嘴堵塞物主要分为4种类型,即边角突出的致密铁氧化物,球形铁氧化物,含P、Si、Ca的无定形氧化物和多孔疏松结构的铁氧化物,其来源于水站沉淀池和连铸反冲洗过滤器后的碳钢材质部件结垢物。当反冲洗过滤器后的碳钢材质部件更换为不锈钢材质后,喷嘴堵塞物中多孔疏松结构的铁氧化物消失,喷嘴堵塞现象明显改善,最大喷嘴堵塞数量由5~8个减少为0~2个。     

凌钢2号方坯连铸机二冷制度的优化

凌钢通过对2号方坯连铸机二冷制度的优化结果表明,采用合理的喷嘴型号和布置以及适当的水量控制等制度,对减轻铸坯中心偏析、扩大铸坯等轴晶率、提高铸坯内部质量有明显效果,铸坯合格率由优化前的87.26%提高到优化后的99.81%,为进一步完善连铸二冷控制制度奠定了坚实的基础.     

旋流水口对圆管坯连铸结晶器内钢水流场的影响

借助于流体力学分析软件Fluent,在圆管坯连铸浸入式水口上施加电磁力,对结晶器内钢水产生电磁搅拌作用使模型水口出流成螺旋状态的钢水流场进行了数值模拟。结果表明:旋流式水口有利于改善结晶器内的流场,有效降低冲击深度,增大液流向弯月面区域的回流和热流上传,提高了液面的活跃程度,增强钢水表面融渣的效果。     

浸入式水口结构对连铸大圆坯质量的影响

为研究不同结构的浸入式水口对大规格连铸圆坯质量的影响,以某钢厂生产断面直径为500 mm的 42CrMo连铸圆坯为背景,对使用侧孔浸入式水口和传统直通浸入式水口的使用效果开展研究。结果表明,采用侧孔浸入式水口浇铸时,结晶器进出水温差由传统直通水口的3.30 ℃提高至3.54 ℃;连铸圆坯中心疏松由1.5级改善至1.0级,中心偏析指数由0.93~1.21降低到0.98~1.02,近表层至近中心碳极差由0.050%~0.075%降至0.035%~0.053%,使用侧孔浸入式水口的连铸圆坯碳偏析得到改善;铸坯内弧侧表层至3/4R处氧化物夹杂物总量减少0.5个/mm2;铸坯从1/4R处向内长度不小于13 μm的硫化物数量减少0.35个/mm2;轧材全氧质量分数平均降低0.000 12%,夹杂物中B类氧化物夹杂均在1.5级以内,钢中大尺寸夹杂物明显减少,钢的洁净度得到改善。