板坯连铸结晶器水口优化数理试验研究

采用1∶2.2水模型试验与数值模拟对结晶器浸入式水口结构的改进与优化进行探究。通过不同铸坯断面下C型水口与A型水口对结晶器流场影响效果的比较可以得到,水模试验中,C型水口较A型水口波高平均下降48.99%,冲击深度平均减少1.94%,卷渣程度平均降低80.24%,液面裸露最大宽度平均下降67.39%;数模试验中,C型水口自由液面平均最大流速v_(Cmax)=0.39 m/s大于A型水口自由液面平均最大流速v_(Amax)=0.23 m/s;水模试验与数模试验结果一致,C型水口在稳定结晶器液面、减少卷渣方面均优于A型水口。     

薄板坯连铸漏斗形结晶器内卷渣行为物理模拟

针对高拉速下薄板坯连铸结晶器内的液面卷渣问题，建立了1∶1水力学模型，采用水/真空泵油模拟钢/保护渣介质，研究了连铸拉速、水口插入深度、保护渣黏度对漏斗形结晶器内液渣层变化及卷渣行为的影响。结果表明，随着拉速提高，结晶器内液面波高升高，液面高度自窄边向水口方向逐渐降低，液渣层厚度相应由薄变厚，导致结晶器窄边附近钢液裸露；结晶器内窄边至水口之间1/2处波高变化较大、液面流速最大、易发生剪切卷渣。在试验条件下，采用增加水口插入深度、降低最高拉速、适当提高保护渣黏度等方法，使液面速度小于0.486 m/s的临界流速、液面波动指数F数小于5.45,可防止结晶器内产生剪切卷渣。然而，这些手段不能避免结晶器内水口附近的旋涡卷渣，这是因为薄板坯连铸钢通量大以及漏斗形结晶器和鸭嘴形水口容易形成负压旋涡造成的。     

浸入式水口对82B钢方坯渣沟缺陷的影响

 为了解决82B钢连铸坯表面出现渣沟的问题,以提高钢渣界面温度、改善保护渣的熔化与润滑效果为出发点,对连铸现场180 mm×180 mm小方坯结晶器建立三维数学模型,对比施加电磁搅拌工艺不同直通型浸入式水口下结晶器内流场和温度场分布。计算结果表明,当水口内/外径由40/100 mm变为30/70 mm后,水口两侧流速大于0.15 m/s的流场区域扩大,水平截面环流最大流速由0.44 m/s降低至0.42 m/s,这表明流股对四周壁面的冲刷作用减弱;钢液面最大流速由0.12 m/s增大至0.15 m/s,高温区域范围扩大。综合效果显示,水口内外径减小对结晶器内的流场影响较小,钢渣界面附近钢液温度提高。现场试验统计表明,水口内外径减小后,保护渣消耗量由吨钢0.189 kg提高到0.228 kg,钢液面处保护渣的熔化良好,润滑效果得到了改善。配合保护渣优化等措施,铸坯表面渣沟发生率明显下降,由改进前的40%~50%降低到改进后的1%以内。     

耗散型浸入式水口对1270 mm×150 mm板坯结晶器流场优化

针对某钢厂1 270 mm×150 mm板坯结晶器生产中存在的液面波动问题，改进了浸入式水口结构，并分析改进后的浸入式水口对结晶器流场的影响。研究结果表明，改进水口后结晶器内部流场分布更加合理，表面流速降低，最大表面流速由0.414 m/s减小到0.365 m/s,降低了11.8%。速度场分布的粒子图像测速(PIV)结果与数值计算结果基本吻合，验证了数值计算结果的精确性。最后分别采用原型水口和改进后耗散型水口进行了结晶器油层波动水模拟试验，结果表明采用改进的耗散型水口后，不同拉速下的最薄油层厚度均远远大于原型水口，能够保证油层覆盖液面不裸露。当拉速增加至2.0 m/min时，采用原型水口最薄油层厚度仅为0.005 m,而采用耗散型水口时最薄油层厚度仍有0.015 m。采用新型耗散型水口能够有效降低结晶器自由液面波动，防止钢液二次氧化的发生。研究结果可为优化结晶器水口结构提供参考。     

板坯连铸浸入式水口浸入深度对卷渣行为的影响

板坯连铸中,浸入式水口浸入深度对保护渣卷入有着非常重要的影响。针对某厂板坯结晶器流场、钢液表面流动情况展开研究,通过数值模拟对不同浸入水口浸入深度进行对比分析,并采用水模型试验进行验证。结果表明,浸入深度为100 mm和110 mm时,结晶器液面表面流速较高,最高分别为0.215 m/s和0.210 m/s;浸入深度为120 mm和130 mm时,表面最高流速分别为0.181 m/s和0.179 m/s,表面流速在接受范围之内,卷渣几率较小。对水模研究发现,浸入深度为100 mm和110 mm时旋涡现象明显,液渣层不对称,并存在卷渣现象。综合考虑,当拉速1.65 m/min时,该研究水口浸入深度在120～130 mm较为合理。     

高拉速板坯连铸结晶器浸入式水口的水模型研究

利用染料示踪法,采用波高传感器和旋桨式流速仪在全比例水模型中研究了四种浸入式水口(A型:凹型,15°(上角度)-15°(下角度);B型:凸型,15°-15°;C型:凹型,40°-15°,D型:凸型,40°-15°)下板坯连铸结晶器内的流场和液面特征.发现采用凹型水口时结晶器液面的波动与表面流速均小于凸型水口.凹型水口F的表面流速变化的功率(频率为0.03~0.1Hz)比凸型水口小约50%,所以凹型水口更有利于减少结晶器内卷渣的发生.在高拉速条件下(拉速为1.8m·min-1,较大的水口出口上角度有利于抑制水口出口流股的漩涡流,进而减少剪切卷渣的发生.四种水口中C型水口条件下结晶器液面的表面流速最小,约为0.27m·s-1,为提高拉速留有较大余地,所以适合高拉速连铸的最佳浸入式水口为C型.      

板坯连铸结晶器保护渣卷渣及其影响因素的研究

对板坯连铸结晶器保护渣卷渣进行的水力学模拟研究结果表明,主要有三种类型的卷渣,即窄边附近的剪切卷渣、浸入式水口附近的旋涡卷渣和水口吹入的氩气泡上浮冲击钢渣界面引起的卷渣.拉速增加、减少浸入式水口浸入深度、减小水口出口倾角和增加吹入的Ar流量均会加大表面流速和液面波动,增大结晶器内卷渣的倾向,而其中拉速增加对卷渣的影响最大.当结晶器宽度为1 900 mm、采用1.4 m/min的拉速时,选择向下25°的水口出口角度、250 mm的水口浸入深度和10 L/min的Ar流量可将板坯结晶器内流场的表面流速和液面波动控制在合理的范围内,从而减小和避免结晶器内卷渣.     

连铸板坯结晶器内钢液流速的控制与应用

针对SPHC-S铸坯生产存在夹渣缺陷的现状，对不同工况条件下的结晶器流场进行了测定，并根据测试结果进行了工业试验验证。结果表明，水口倾角相同的情况下，当插入深度为140 mm时，随着拉速由1.7 m/min增大至2.0 m/min,结晶器表面流速由0.201 m/s增大至0.279 m/s;当插入深度为160 mm时，相同涨速范围内，结晶器表面钢液流速由0.167 m/s增大至0.234 m/s。当水口插入深度相同，倾角为15°时，拉速由1.7 m/min增至2.0 m/min,结晶器表面流速由0.179 m/s增大至0.258 m/s;当浸入式水口倾角为30°时，结晶器表面钢液流速随着拉速的变化由0.167 m/s提高至0.234 m/s。经过表检系统验证试验热轧卷板夹渣情况，发现结晶器表面钢液流速为0.22～0.24 m/s时，卷板夹渣指数最小。此流速对应的最优工况为浸入式水口倾角30°,水口插入深度为160 mm,拉速为2.0 m/min,且按照此工艺参数进行工业生产验证后，卷渣缺陷相比之前减少51%。     

水口倾角大范围变化对宽板坯连铸结晶器流场的影响

采用棒偏转法对断面宽度为2 000 mm,水口倾角分别为15°、20°和45°时的连铸结晶器表面流速进行了测量,并结合数值计算分析了水口倾角大范围变化对结晶器内钢液流场的影响。随着水口倾角由15°增加至20°、45°,结晶器表面流速由0.4 m/s减小至0.25 m/s和-0.1 m/s,测量结果与计算结果吻合良好。水口倾角为15°和20°时,形成双循环流,水口倾角为大倾角45°时,流场形态转变为中间流,卷渣风险显著增大。水口倾角为20°时,表面流速处于合理值,有利于抑制卷渣风险。随着水口倾角的增大,钢液射流冲击窄面的冲击位点下移,水口倾角由20°增大至45°,冲击位点下移尤为明显,不利于夹杂物上浮。水口倾角为15°时强烈的双循环流导致液面水口附近波动增高;水口倾角为45°时,宽度1/4位置液面波动加剧,水口附近湍动能明显增大;水口倾角为20°时液面波动最为平缓,有利于抑制卷渣缺陷。     

板坯连铸结晶器内流场的水模型实验研究

通过在实验室进行水模实验,模拟了现场生产时结晶器内钢水的流场分布情况。重点研究了水口浸入深度、结晶器宽度、拉速和水口偏转角度对结晶器钢液流场和液面波动的影响,分析了浸入式水口参数变化在实际生产时的优缺点。通过选择合适的目标拉速和浸入深度,有利于减少结晶器卷渣和铸坯夹杂,降低卷渣漏钢的危险。     

非稳态浇铸对结晶器卷渣定量影响的大涡模拟

 基于实际板坯连铸结晶器建立了耦合大涡模拟(LES)湍流模型和VOF多相流模型的三维数值模拟模型,讨论了不同结晶器浸入水口(SEN)结瘤程度和SEN未对中分布对结晶器内瞬态多相流场及卷渣行为的影响。通过用户自定义程序成功实现了不同工况下结晶器内卷入渣滴数量、大小、空间分布等信息的定量化预测,并得到了弯月面不同位置处发生卷渣的概率分布。结果表明,水口顺时针旋转5°的未对中分布下由于钢液射流更多地撞击宽面,导致弯月面近窄面处液位分布有轻微降低,液位波动也从理想状态下的±(6~7) mm降低至±5 mm以内。SEN结瘤对弯月面液位波动有较大影响,SEN左侧完全堵塞、右侧未堵塞情况下液位波动增大至±11 mm左右,而SEN左侧堵塞2/3且右侧堵塞1/3情况下弯月面液位波动则增大至±15 mm左右。理想工况下净卷渣速率为0.0130 kg/s,卷渣主要发生在弯月面四周以及流股碰撞处。SEN未对中布置工况下净卷渣速率轻微降低至0.009 3 kg/s,但宽面附近卷渣概率明显增大。SEN左侧完全堵塞且右侧未堵塞和SEN左侧堵塞2/3且右侧堵塞1/3情况下净卷渣速率则分别增大至0.045 5 kg/s和0.0670 kg/s;卷渣主要由过大的钢液流速对弯月面的剪切作用造成,且主要位于水口至1/4结晶器宽度的范围内。水口结瘤后不对称流动造成的旋涡增加,由此引起的卷渣也相应增加。     

120t钢包汇流卷渣的物理模拟

通过水模试验,对某厂120 t钢包浇铸过程中汇流卷渣现象进行了观察,研究了钢包渣量、钢包水口直径对卷渣高度的影响。结果表明,钢包从无渣到1.0%的渣量时,开始卷渣高度降低了57%,稳定贯穿漩涡的高度降低了56%;渣量从1.0%增加到7.0%,开始卷渣高度增加了63%,稳定漩涡高度增加了62%;钢包水口流量由2.884 m3/h增加到22.465 m3/h,开始卷渣高度增加60%,钢包水口出流流量由2.361 m3/h增加到19.211 m3/h,稳定漩涡高度增加了75%。     

280 mm×380 mm方坯连铸结晶器钢水流场的数值模拟

借助商业软件CFX4.4,对拉速0.8 m/min、两孔浸人式水口结构内腔中的钢水流动和(mm)280×380 ×800结晶器内70L(0.70%C)钢水流场进行了数值模拟。结果表明,侧孔倾角度10°、20°时,结晶器液面附近有二次漩涡出现,易造成卷渣;倾角30°时,液面相对平静;水口插入深度175~225 mm时,水口射流对结晶器钢水液面没有明显的冲击。     

连铸板坯结晶器液面波动及冲击深度水模型研究

为评价现有浸入式水口设计是否合理,通过几何相似比1:2的水模型对拉速0.8～1.7 m/min,断面为230 mm×(900～2 150)mm的板坯结晶器液面波动和冲击深度进行了模拟实验。结果表明,现行结晶器在5种不同断面下液面较平稳,模型中波高都在1.5 mm以内(相当于原型3 mm以内),保护渣渣层平稳,液渣层分布较均匀;而当低拉速、小断面时,即使冲击深度较低,液面波动也小于0.5 mm(相当于原型小于1 mm),导致渣-钢界面活跃不够,化渣不良,甚至可能造成液面结壳,故有必要对现有浸入式水口进行优化改造。     

浸入式水口结构对409 L钢连铸坯表面“卷渣”的影响

基于太钢409 L钢连铸生产工艺及板坯连铸机工艺参数,采用水模型实验和工业试验相结合方式研究了浸入式水口结构对结晶器内钢水流动行为及其对连铸坯[200 mm×(1 060～1 240 mm)]表面"卷渣"的影响。结果表明:使用原浸入式水口(侧孔48 mm×70 mm,和上倾15°)结晶器内钢液流场不稳定,对应连铸坯表面存在严重"卷渣"缺陷;在不改变水口结构条件下,上倾5°和上倾10°水口均无法解决连铸坯表面"卷渣";32 mm×52 mm小侧孔水口能有效解决小断面[200 mm×(900～1100 mm)]或低拉速(0.7～0.9 m/min)时409 L钢表面"卷渣";Φ60 mm内径水口对应结晶器中心平均波高在3.5～4.5mm,连铸坯表面"卷渣"缺陷由原来的36.5%降低至0.8%,该型水口不仅能适用现有断面[200 mm×(900～1320 mm)]及拉速(0.7～1.1 m/min)要求,还能提升连铸坯实物质量。     

180 mm×610 mm板坯连铸结晶器内流场水模型及数值模拟

以北方某钢厂断面为180 mm×610 mm板坯连铸结晶器为原型,针对其生产过程中出现的表面流速波动较大、易卷渣等问题,采用Fluent数值模拟软件,对其浸入式水口底部结构、浸入深度和拉速等工艺参数进行了优化研究,并对数值模拟结果进行了冷态水模拟验证。结果表明,当不改变浸入式水口底部结构,水口浸入深度为100 mm时,拉坯速度应不超过1.45 m/min;当拉坯速度提升至1.55 m/min时,水口浸入深度应保持在120～130 mm时较为合适;若要保持原有工艺条件(拉速为1.55 m/min、浸入深度为100 mm)不变的情况下,应将水口底部结构改为凹槽深度为10 mm的凹面水口,此时结晶器表面流速较为适宜。     

水口扩张角对230mm x 1300 mm板坯结晶器流场及氩气泡行为的影响

利用离散相模型研究水口扩张角（0~12°）对230mm×1300 mm板坯结晶器流场及氩气泡行为影响。并用水模型实验进行了验证。结果表明,扩张角增大,能显著减小注流冲击深度及氩气泡在自由液面上浮区域;尤其当扩张角为9°时,结晶器流场较好,自由液面波动较小,有利于夹杂物去除及减轻界面卷渣几率。双流230mm板坯连铸工业性试验表明,安装扩张角9°的水口一流铸坯较安装无扩张角水口的另一流铸坯表面夹渣发生率降低了5.9%~14.8%。     

304不锈钢板坯连铸结晶器水口结构优化的数值模拟

通过数值模拟研究了304不锈钢200mm×1 550 mm板坯结晶器内用原水口时的钢液流场及钢-渣界面的特征。结果表明,原水口的结晶器流场的上回流过强,钢-渣界面的不稳定,结晶器窄边渣液层薄,易发生卷渣和钢液裸露;最优化水口结构为将原水口V型底部改成凹型、增加水口出口形状的锥度、向上倾角10°。     

H型钢连铸质量缺陷和浸入式水口结构优化的数值模拟

研究的H型钢Q235(/%:0.06c,0.30si,1.60Mn,0.010P,0.003S,0.025Mo,0.40Ni,0.017Ti,0.15Cu)由80 t LD-LF-喂硅钙线-28 t中间包-430 mm×300 mm×85 mm H型连铸一热轧工艺生产。由于H型铸坯易产生纵裂纹缺陷,根据H型连铸坯采用直通型浸入式双水口浇铸的实际工艺参数建立数学模型,采用流体有限元软件CFD进行结晶器流场和温度场分布汁算,得出直通型双水口浇铸时,熔池冲击深度大,不利夹杂上浮;液面得不到足够热量补充,导致坯壳过早凝固,不利于化渣。数值模拟结果表明,改用三侧孔水口进行浇铸,避免了直通型水口的不利因素,流场和温度场分布合理,可降低漏钢事故和裂纹发生的机率。     

Investigation of Fluid Flow and Steel Cleanliness in the Continuous Casting Strand

Fluid flow in the mold region of the continuous slab caster at Panzhihua Steel is investigated with 0.6-scale water model experiments, industrial measurements, and numerical simulations. In the water model, multiphase fluid flow in the submerged entry nozzle (SEN) and the mold with gas injection is investigated. Top surface level fluctuations, pressure at the jet impingement point, and the flow pattern in the mold are measured with changing submergence depth, SEN geometry, mold width, water flow rate, and argon gas flow rate. In the industrial investigation, the top surface shape and slag thickness are measured, and steel cleanliness including inclusions and the total oxygen (TO) content are quantified and analyzed, comparing the old and new nozzle designs. Three kinds of fluid flow pattern are observed in the SEN: “bubbly flow,” “annular flow,” and an intermediate critical flow structure. The annular flow structure induces detrimental asymmetrical flow and worse level fluctuations in the mold. The SEN flow structure depends on the liquid flow rate, the gas flow rate, and the liquid height in the tundish. The gas flow rate should be decreased at low casting speed in order to maintain stable bubbly flow, which produces desirable symmetrical flow. Two main flow patterns are observed in the mold: single roll and double roll. The single-roll flow pattern is generated by large gas injection, small SEN submergence depth, and low casting speed. To maintain a stable double-roll flow pattern, which is often optimal, the argon should be kept safely below a critical level. The chosen optimal nozzle had 45-mm inner bore diameter, downward 15 deg port angle, 2.27 port-to-bore area ratio, and a recessed bottom. The pointed-bottom SEN generates smaller level fluctuations at the meniscus, larger impingement pressure, deeper impingement, and more inclusion entrapment in the strand than the recess-bottom SEN. Mass balances of inclusions in the steel slag from slag and slab measurements show that around 20 pct of the alumina inclusions are removed from the steel into the mold slag. However, entrainment of the mold slag itself is a critical problem. Inclusions in the steel slabs increase twofold during ladle changes and tenfold during the start and end of a sequence. All of the findings in the current study are important for controlling slag entrainment.