漏斗形结晶器液面流场物理试验与数值模拟分析

当FTSC薄板坯连铸机生产拉速提高到4～6 m/min时,浸入式水口通钢量增加,结晶器内流场扰动加剧,卷渣率提高,对生产顺行及铸坯质量都将产生重大影响。因此,为了解结晶器液面流场,根据实际生产情况,制作了1∶1的结晶器水物理模型,并通过Fluent软件对结晶器液面流场进行了数值模拟,研究了水口浸入深度及拉速对液面流场的影响。结果表明,在水模型物理试验中,水口浸入深度恒定为130 mm时,拉速在4～6 m/min范围内,结晶器表面流速随着拉速的提高而增大,其最大值范围为0.401～0.693 m/s;在6 m/min恒定拉速下,水口浸入深度在130～190 mm范围内,结晶器表面流速随着水口浸入深度的增加而减小,其最大值范围为0.503～0.690 m/s。在数值模拟中,水口浸入深度恒定为130 mm时,拉速在4～6 m/min范围内,结晶器表面流速随着拉速的提高而增大,其最大值范围为0.50～0.75 m/s;在6 m/min恒定拉速下,水口浸入深度在130～190 mm范围内,结晶器表面流速随着水口深入深度的增加而减小,其最大值范围为0.65～0.75 m/s。结晶器表面流速随着距水口中心距离的增大有先增加后减小的规律。     

异形坯结晶器三维流场模型的研究

依照湍动能理论及异形坯连铸的特点 ,建立了异形坯结晶器三维流场数学模型。运用该模型分析了不同水口参数及工艺参数条件下的流场分布 ,从而得出影响结晶器内钢液流动的因素有水口倾角、水口浸入深度及拉坯速度。结果表明 :采用上倾 15°有利于夹杂物上浮 ;拉速 0 .9m/s可使流场分布均匀 ;适宜的水口深度可选 2 0 0mm。利用该模型可对连铸过程进行离线分析 ,确定最佳参数 ,并可作为在线控制模型的基础     

拉速对包晶钢镀锡板连铸坯中夹杂物的影响

为了研究提高拉速对包晶类镀锡板连铸坯中夹杂物的影响,采用自动扫描电镜研究了不同拉速下包晶类镀锡板连铸坯中夹杂物的分布规律。结果表明,将包晶类镀锡板连铸拉速从1.3 m/min依次提高到1.4和1.5 m/min时,结晶器液面波动大于3 mm的比例都小于0.40%。拉速为1.4和1.5 m/min下连铸坯厚度四分之一处大于3 μm的夹杂物数密度平均值分别为1.15和1.36个/mm2,面积百分数平均值分别为0.001 9%和0.002 4%,均低于拉速为1.3 m/min时的测量值。将拉速从1.3 m/min提高到1.5 m/min过程中,结晶器液面控制平稳,连铸坯表层大于10 μm夹杂物数密度和面积百分数均呈减小趋势,最终实现了包晶类镀锡板高拉速稳定的工业化生产。     

各工况对连铸结晶器流场影响的数学物理模拟研究

对断面180 mm×755 mm的板坯进行1∶1物理模拟研究,以及建立fluent数学模型的方法,对结晶器钢液的表面流速、流场等进行分析研究。结果表明:相同拉速下,当倾角为15°、20°、25°时,倾角每增加5°,平均表面流速下降40%左右;相同水口倾角下,当拉速为0.8、0.9、1.0、1.1 m/min时,拉速每增加0.1 m/min,平均表面流速上升30%左右;相同拉速下,当水口浸入深度为100、120、135、150 mm时,浸入深度增加10 mm,平均表面流速上升40%左右。     

拉速对小薄板坯连铸结晶器内温度、溶质及夹杂物分布的影响

采用数值模拟的方法,建立了140 mm×35 mm小薄板坯连铸过程的流场-温度场-溶质场-夹杂物的耦合数学模型,分析了拉速对结晶器内温度、溶质以及夹杂物分布的影响规律。结果表明,结晶器内溶质富集在固液两相区,在液相中逐渐降低,随着拉速增大,偏析最严重的区域向结晶器窄面靠近;夹杂物的体积分数、数量密度分布与结晶器内钢液的速度分布基本一致,在钢液流动方向上较高,在液相中不断降低。随着拉速增大,出口处夹杂物体积分数与数量密度变大,距离中心对称面越近,夹杂物体积分数与数量密度变化越显著。     

唐钢薄板坯连铸高拉速技术优化研究

唐钢薄板坯连铸连轧线在2012年围绕提高连铸拉速对薄板坯连铸机进行工艺技术优化,优化后连铸工作拉速由原来的4 m/min以下提高到4.5～5.5 m/min,最高拉速可以达到6.0 m/min。为解决连铸拉速提高后铸坯质量缺陷增加的问题,对高拉速保护渣、浸入式水口、结晶器冷却方式和结晶器窄板进行技术优化研究。通过优化,连铸坯的裂纹缺陷率降至0.1%以下,表面夹渣缺陷率不高于0.03%,结晶器铜板寿命显著延长,漏钢率不高于0.1%,实现了高拉速下薄板坯连铸的稳定生产。     

高拉速薄板坯连铸结晶器钢渣界面波动分析

为应对提高拉速薄板坯结晶器内钢液不稳定行为,以1 520 mm×90 mm薄板坯结晶器为研究对象,利用液面追踪技术VOF方法建模计算,对薄板坯钢渣界面进行了深入研究,实现了对薄板坯连铸结晶器内流体流动及钢/渣界面行为的模拟计算。并结合实际生产工艺,采用1∶1物理模型和数值模拟相互验证,分析了拉坯速度、浸入深度和保护渣黏度种类对结晶器流场及钢渣界面的影响。结果表明,当结晶器钢液面流速为0.20~0.25 m/s,且界面较平稳时,保护渣黏度高于0.237 Pa·s可以适用;当钢液流速为0.25~0.30 m/s,保护渣黏度为0.382 Pa·s时,现场低碳钢卷渣率小于0.5%,表现出良好的抗卷渣能力。     

方坯连铸结晶器内表面流速与卷渣行为模拟

针对中小断面方坯侧分水口浇铸技术,以实际180 mm×240 mm断面方坯连铸结晶器为原型,基于相似原理,采用1：1的物理模型,比较了直通型和侧分旋流型水口浇注时在不同拉速和浸入深度下的结晶器内自由表面流速和渣层状态。结果表明：相同的浸入深度和拉速下,旋流型水口浇注时结晶器内各测点表面流速比直通型水口大;在实验条件下,直通型水口表面流速为0.010～0.023 m/s,旋流型水口为0.010～0.055 m/s,拉速和浸入深度对旋流型水口表面流速的影响较直通型水口显著;此外,采用旋流水口时结晶器的渣层波动要比采用直通型水口时频繁,拉速1.0 m/min、浸入深度120 mm时,其渣层波动适宜,钢渣界面活跃且无卷渣和裸钢现象发生,此时两测点的表面流速分别为0.028和0.032 m/s,是较适宜的工艺条件。     

水口吹氩工艺条件下连铸结晶器内钢液流动行为的模拟和优化

采用冷态物理模拟方法研究了在吹氩工艺条件下板坯连铸结晶器内钢液的流动行为,考察了水口吹气量、水口插入深度和拉速等参数对连铸结晶器内钢液流动行为的影响,并在此基础上进行了优化设计.实验结果表明:在本实验条件下,当拉速大于0.8m/min时,水口吹气量可选择为4～6 L/min,水口插入深度可选择为180～200 mm.     

内置式搅拌磁场对连铸空心铸坯内夹杂物分布影响

耦合求解了电磁场方程以及夹杂物守恒方程,考虑了夹杂物间的湍流碰撞以及斯托克斯碰撞,计算获得了拉速以及行波式电磁搅拌对结晶器内夹杂物分布的影响规律。结果表明,结晶器内夹杂物的运动规律与钢液的流动状态密切相关,拉速越大,钢液的浸入深度越深,则结晶器出口处夹杂物的数量越多,夹杂物的尺寸越小。施加行波式搅拌磁场可以使钢液流动加强,并减小钢液的浸入深度,有利于夹杂物的聚集长大上浮,结晶器内夹杂物的尺寸较大,但数量减少。因此,在连铸空心管坯内部施加搅拌磁场有利于去除钢中夹杂物,从而改善连铸空心管坯的质量。     

EMBr对高拉速薄板坯钢水动态行为影响的模拟

在高拉速薄板坯的生产工艺研究中,结晶器内钢水流场是决定坯壳均匀性、液面卷渣概率等铸坯质量问题的关键因素。EMBr能够显著改变钢水流场,是改善这些问题的关键工艺技术。因此,对结晶器内钢水流场的模拟、分析与优化是必不可少的工作。以往的研究中,相关的数据与理论指导较少,针对薄板坯无头轧制产线,高拉速连铸机的分析与研究更鲜有报道。因此基于该高拉速连铸机,采用数值模拟方法获得了结晶器内不同电磁制动电流强度的磁感强度分布。采用电磁与多相流耦合模式,针对不同磁感强度条件下的结晶器钢水流场分布与液面形貌进行了仿真模拟,并分析了电磁制动对液面波动的影响。结果表明,基于固定的工况环境,电磁制动电流值为175 A时钢水流场分布均匀,钢水液面流速相对最低,最高流速约为0.6 m/s,同时液面高度差与剪切角相对最小。该条件最有利于减少因坯壳不均或液面卷渣造成铸坯缺陷的概率。电流值225 A相比125 A时,钢水液面位置磁感强度仅提高0.02 T,液面到达稳定时间仅缩短约1 s。因此存在综合评判下的最优电流值。     

电磁制动下薄板坯结晶器内钢液流动优化

电磁制动对结晶器内钢液流动具有显著影响,为明确电磁力对高拉速薄板坯结晶器内流场分布的影响规律,建立了薄板坯电磁连铸结晶器内钢液流动的三维数学模型,利用数值计算方法研究磁场与流场耦合对钢液的流动影响。模拟结果表明,五段式电磁制动技术产生的恒稳磁场可以显著抑制钢液湍流流动,降低弯月面波动,且具有稳定钢渣界面的作用;通过研究高拉速与制动力的产生关系,揭示了由线圈产生的磁感应强度与不同拉速的匹配程度。     

水口结构对板坯结晶器液面流动行为的影响

针对不锈钢板坯轧材经常出现的夹渣和表面翘皮现象,以实际生产条件为背景,对其连铸结晶器内钢液流动行为与水口工艺的相关性进行了试验研究。基于相似原理建立了相似比0.65∶1的物理模型,对不同浸入式水口结构和浇注工艺参数下的结晶器液面状态进行了流体动力学行为评价与比较优化。其中,主要研究了拉速、浸入深度、水口倾孔倾角(4°、8°、15°)、侧孔形状(矩形、倒梯形)等对结晶器内液面波动和表面流速的影响。结果表明,连铸拉速和水口浸入深度对液面波动的影响比水口结构显著;水口上倾角由4°增大到8°、15°,结晶器表面流速有减小趋势,但因流股冲击深度减小,导致在结晶器弯月面处的波高增大。综合表明,针对实际连铸拉速1.10 m/min的需要,其适宜的水口结构为倒梯形水口侧孔、上倾8°,其在水口浸入深度110~120 mm范围内,液面平均波高为1.1~1.2 mm,平均表面流速约为0.103 m/s。同时用数值模拟方法比较了优化方案和原方案,同样表明优化方案液面较平稳,剪切卷渣概率较低。     

电磁搅拌宽厚板结晶器内钢液流动和液面波动

为合理控制宽厚板结晶器内的钢液流动和液面波动,提高铸坯质量。通过数值模拟的方法研究了2 200 mm×250 mm连铸结晶器内的钢液流动和液面波动行为。考察了搅拌位置对流动和液面波动行为的影响规律。结果表明,电磁搅拌可增强上回流区域钢液流动,有利于均匀钢液成分和温度。电磁搅拌可使水口附近钢液的流速增加约0.04 m/s,增强了对水口附近钢液的搅拌。提高搅拌位置,搅拌产生的水平旋流增强了下返流流速,使熔池内下涡心位置上移。钢液的水平旋流使上返流发生偏转,减弱了上返流流速,降低了对液面的直接冲击,减小液面波动。适当提高电磁搅拌器位置有利于控制液面波动。电磁搅拌器中心位置Y=-0.1 m时,液面波动可由7.5 mm降低到3 mm以内,可减小液面卷渣,流场具有很好的对称性。     

独立可调式组合电磁制动分析

为了有效控制高拉速板坯结晶器内钢液流动和复杂多相流行为,介绍了一种新型的独立可调式组合电磁制动技术(FAC-EMBr)。采用数值模拟方法对FAC-EMBr结晶器内的电磁场特性和新型磁场控流行为进行研究。数值模拟结果表明,FAC-EMBr的施加可以在结晶器的上、下回流区和弯月面区域形成均匀分布的磁场,进而对3个主要区域内钢液流动进行控制;水平磁极和立式磁极的共同作用可以显著降低钢液射流对结晶器窄面冲击强度,减小上回流和下回流钢液流速;与未施加电磁制动和施加EMBr ruler相比,施加FAC-EMBr后,弯月面波高降低至14.5 mm,即使在高拉速条件下(2.2 m/min),FAC-EMBr的施加也可达到有效的控流效果。     

REVISED κ -ε TURBULENCE MODEL IN ELECTROMAGNETIC CONTINUOUS CASTING OF MELT

The research is motivated by the ongoing the electromagnetic continuous casting of molten metal. The revised k-ε model considering the effect of magnetic field application was derived. The specific model equations for the electromagnetic braking were used to calculate the velocity distribution in the continuous casting mold of steel. The results show that the revised k-ε model considering the effect of magnetic field application tends to suppress the production of turbulence and difference between the conventional and revised k-e model is small.     

铁素体不锈钢板坯连铸机技术要点

结合铁素体不锈钢连铸过程高温凝固特性,拟新建的双流铁素体不锈钢板坯连铸机采用直弧型连续弯曲连续矫直的特殊技术,选用全程无氧化浇铸、大容量中间包、结晶器自动液面控制减少钢水中夹杂物;采用摩擦力监测、结晶器漏钢预报保证浇铸的连续性;合理设计动态一冷和二冷配水等提高铸坯表面质量,并设计采用电磁制动、低过热度浇铸、二冷电磁搅拌、二冷动态轻压下技术提高铸坯内部质量。     

板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动及流动行为的数值模拟

建立了板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动行为的三维数学模型,利用数值模拟方法研究了磁场与流场耦合作用下不同工艺参数和电磁参数对结晶器内钢/渣界面波动行为及流场的影响,通过VOF方法对不同条件下的钢/渣界面进行捕捉,讨论不同磁极位置、水口倾角、拉速及线圈电流强度对结晶器内钢/渣界面波动行为和流动的影响。模拟结果表明：电磁制动的施加可以显著降低钢/渣界面波高,减小射流对结晶器窄面的冲击。拉速和水口浸入深度恒定时,磁极位置和水口角度直接影响结晶器内流场形式：当[P＝]40 mm时,增加线圈电流可以降低结晶器内钢/渣界面波高和表面流速,从而减小由液面波动引发卷渣的概率;当磁极距离水口较远时[（P＝]80 mm）,随着线圈电流强度的增大,水口射流的冲击方向向上偏转,引起上回流的流动强度增强,导致钢/渣界面波高增加,增大卷渣发生的概率。     

高频电磁场对15CrMo连铸坯表面质量和等轴晶率的影响机理

采用小线圈法对结晶器内的磁场分布进行了测量,并对结晶器内磁场,电磁力和钢液流速分布进行了数值模拟.在实验室连铸机上进行了合金结构钢15CrMo的连铸实验,对连铸坯表面形貌进行了观察与分析.提出了高频电磁场对连铸坯质量影响的机理:施加高频电磁场后,保护渣通道拓宽,铸坯与结晶器壁间的渣道动压减小,有效地抑制了铸坯表面振痕的产生;受电磁场Joule热以及保护渣热阻增加的影响,已结晶同相的温度梯度减小,柱状晶生长受到抑制.此外,实验测量和数值模拟结果表明,由于磁场在拉坯方向分布不均匀,在弯月面区域形成上,下2个,,向相反的涡流,钢液环流造成固/液界面前沿液柑的温度梯度减小,有利于形成成分过冷而获得发达的等轴晶组织.