通道式感应加热中间包挡墙优化的物理模拟

特种钢连铸对配备了通道感应加热技术的中间包内钢液均匀性和洁净度有着严格的要求。以国内某钢厂四流双通道感应加热中间包为对象,采用物理模拟方法对无挡墙、V型和八字型挡墙方案下中间包的流场和停留时间(Residence Time Distribution, RTD)曲线进行对比分析,从而获得最佳挡墙和导流孔结构。研究结果表明,使用八字型挡墙的中间包在平均停留时间和死区体积分数方面相比V型挡墙有很大的优势,其中最优方案为采用八字型挡墙两个导流孔的方案A2,其平均停留时间为707.7 s,死区体积分数为11.86%,方案A2相比原型中间包、V型挡墙四个导流孔的方案B1和B2、V型挡墙两个导流孔的方案C1和C2平均停留时间分别延长了223.4 s、122.1 s、117.2 s、85.3 s、68.4 s,死区体积分数分别减小了18.28%、15.24%、14.59%、10.64%、8.52%。     

四流中间包控流装置优化的物理模拟

根据相似原理,针对某钢厂四流中间包建立1∶2.5的物理模型,模拟钢液在原包内的流动情况,并研究弧形开孔导流墙和弧形开槽导流墙对中间包内钢液流动的影响。水模实验结果表明,由于原包冲击区域较小,导致各流最小停留时间和峰值时间较小,死区比例较高,不利于连铸生产的顺利进行。中间包控流装置采用弧形开孔导流墙和湍流控制器优化后,中间包冲击区体积变大,对两端的控流能力增强,流体在中间包内的流动情况得到很大改善。优化后1、2流死区比例分别减少了12.3%、12.1%,平均停留时间分别提高39 s、52 s。     

四流中间包非正常工况下流动行为研究

通过1:3的水力学模型研究了四流中间包的两种典型控流装置在非正常工况(关闭1号水口或2号水口)的流体流动行为。通过停留时间分布(RTD)曲线以及死区活塞区比例等参数进行比较,同时考察了三个水口流动过程的相似程度,采用数值模拟进行验证。研究表明关闭1号水口比关闭2号水口死区比例更低,活塞区比例更高。在两种工况下,U型挡墙方案三个水口死区平均值比II型挡墙方案降低了24.9%和18.2%。II型挡墙的关闭水口的一侧,流体流动缓慢,而U型挡墙方案三个水口流动一致性很好,关闭水口对整体流场影响不大,U型挡墙对非正常工况适应性较II型挡墙好。     

4流中间包钢液流动行为研究

通过水模型试验对4流方坯中间包在不同控流装置下包内流体流动动行为进行研究。研究结果表明：原中间包由于流体流速快导致边部流和中部流的流体特性差异大且死区比例高。改进后的中间包的边部流和中部流间的流体特性趋于一致,最小停留时间仅相差1~2 s;实际平均停留时间平均增加145.9 s,死区比例平均减小17.2%。     

四流中间包钢液流动行为的数学物理模拟

中间包内流体流动状态对铸坯质量的优劣起着至关重要的作用。采用合理的控流装置可以优化钢液在中间包内的流动特征,本文通过实验室物理模拟实验与数值计算相结合的方法,分析比较了两种导流隔墙对四流连铸中间包内流体流动特征的影响。物理模拟和数学计算结果能够较好地吻合,结果表明：与直板挡墙中间包相比,V型导流隔墙的使用将中间包死区体积分率降低了45%,各出水口之间响应时间和峰值时间之间的标准差有所减小,均匀了各水口之间的流动状态。     

两流连铸中间包控流装置的优化设计

针对两流连铸中间包,采用数值模拟方法,研究了12种控流装置对流体流动特性的影响。结果表明:中间包内不设置控流装置时,出流水口的响应时间和峰值时间均较小;合理的控流装置设计可延长钢液在中间包内的平均停留时间,提高活塞流区的体积,降低死区的体积。通过对流场和RTD曲线的综合分析,湍流控制器+坝的控流效果最好,中间包的死区体积分数减少到16.51%,死区所占的比例大大降低,浇注区由死区占主导地位变为活塞流占主导地位;不采用湍流控制器的挡墙也得到较好的控流效果,死区体积分数减少到24.32%。     

两流中间包控流装置优化的物理模拟与应用

以太钢两流对称板坯连铸中间包为研究原型,采用物理模拟的方法研究抑湍器以及挡墙、挡坝位置对中间包流场的影响。物理模拟结果表明,中间包未设置任何控流装置时存在短路流,死区比例高达36.47%;中间包使用抑湍器后,响应时间增加了13.5 s,平均停留时间延长了34.8 s,死区体积降低了6.33%;保持挡墙的位置不变,将挡坝距长水口的距离增加100 mm,更利于改善中间包流场。通过现场试验表明,中间包优化后铸坯全氧质量分数由平均2.02×10~(-7)降低至1.55×10~(-7),减少了30.32%。     

冲击区体积对感应加热中间包流动影响数学模拟

通道式感应加热中间包能够对包内钢水的热量进行及时有效的补偿,有利于提高铸坯质量。建立了某厂五流四通道感应加热中间包的数学模型,研究冲击区体积对中间包内钢液流动的影响。结果表明,冲击区体积占前腔比例的45%时,双峰和短路流问题得到有效解决,各流间钢水分配较为合理,中间包内部钢液能够获得较好的流动性能,中间包总体停留时间达到1020s,死区体积降低为11.5%,3个下水口达到峰值的时间较为一致,最大时间差为49s,达到峰值的平均时长为335s。     

八流中间包内控流装置结构的数理研究

针对某钢厂8流无控流装置中间包,应用物理和数值模拟方法进行了控流装置的优化研究.数值计算获得的结论与物理模型实验结果相吻合.使用优化的控流装置,利于夹杂物的上浮去除,延长了钢液在中间包内的平均停留时间,有效减小了各流间的停留时间差和钢液温度差,死区体积由48.2%下降至5.6%,中间包内流体的流动特性得到改善.     

通道式感应加热中间包流场物理模拟研究

根据相似原理采用1:2水模型研究了断面为1300 mm×2.2 mm的薄带感应加热连铸中间包内钢液的流动特征。通过测定中间包在有无挡墙条件下,中间包出口处停留时间分布曲线,计算其平均停留时间,死区,活塞区和全混区的体积分数。结果表明,采用上下挡墙的组合方式能有效地改善感应加热中间包内的流场。距离通道出口处380 mm设置高度为100 mm的挡墙,在通道上方设置高度为420 mm的挡墙后,使中间包内的死区体积分数由16.2%降低到5.4%,中间包内钢液的平均停留时间由797 s提高到900 s,短路流现象基本消除。     

通道式感应加热中间包钢液流动特性的数值模拟

通道式感应加热中间包能够有效补偿钢液在浇注过程中产生的温降。钢液流动特性是影响通道式感应加热中间包冶金过程的关键。采用ANSYS软件求解电磁场、流场和温度场控制方程,得到通道式感应加热中间包稳态流场和温度场;在此基础上,求解示踪剂溶质输运方程,得到RTD曲线。数值结果表明,浇注口温度提高20K;相比于无感应加热的通道式中间包,应用通道式感应加热后,总体平均停留时间延长48s,总体死区体积分率缩小为21.5%;通道式感应加热中间包的电磁力对钢液的搅拌作用是影响流动形态的主要因素,焦耳热引起的热对流是影响流动形态的次要因素。     

双流T-型中间包的流场模拟及其控流结构优化

以北方某钢厂双流T型中间包为原型,在保持原生产节奏的基础上,设计了两种控流装置优化方案1与优化方案2。优化方案1即为在中间包注流区加入了一个导流隔墙,在隔墙上开两个直径为120 mm,倾角向上15°的导流隔墙孔来控制钢液的流动;优化方案2为在优化方案1的基础上,在距离中间包中心线两侧1 500 mm的地方各加一个高度为300 mm的挡坝。采用数值模拟与冷态水模拟相结合的手段,对3种中间包结构的流场进行了模拟研究。研究结果表明：对于双流T型双流中间包,无控流装置时,原中间包结构内存在较多短路流,不利于夹杂物的去除。相对于优化方案1与原包结构,优化方案2的死区体积分数降低到了9.4%,钢液平均停留时间明显增长并且中间包浇注区温度明显提高且分布较为均匀。因此,优化方案2更加适用于此钢厂的中间包结构。     

板坯电磁加热中间包钢液流动特性和结构优化

电磁加热中间包技术能有效补偿浇注钢液温降,实现恒温和低温浇注。为使电磁加热中间包技术能合理应用于双流板坯连铸,建立了相应的数学模型,研究了感应加热技术对中间包内流动和温度特性的影响。考察了挡墙-挡坝和通道角度等因素对钢液温度场和流动行为的影响。结果表明,通道式感应加热技术不能直接应用于双流板坯连铸,有必要优化中间包结构。电磁加热能显著提高中间包分配室内的钢液温度,但会产生短路流。挡墙-挡坝可有效减少短路流和均匀钢液温度。挡墙-挡坝与水口出口距离为0.5 m时,钢液流动状态较好,温度分布较均匀;增大通道展开角度不适用于双流板坯感应加热中间包。合理的加热功率模式可将浇注温度波动控制在5 K以内。     

过滤控流中间包流场及夹杂物去除的数值模拟

以60 t板坯连铸中间包为研究对象,采用雷诺平均方程、组分输送以及离散相模型分别计算了高拉速下中间包内钢液流场特征演变以及夹杂物运动轨迹和去除率。结果表明,采用多孔过滤控流装置后,10 μm的小夹杂物去除率提升了10%以上。与45°倾角过滤器中间包相比,55°倾角过滤器中间包的夹杂物去除率增加约5.3%,其顶部孔为水平方向,减小了卷渣与钢液裸露的风险。通过RTD曲线获得多孔过滤控流中间包的钢液停留时间缩短了30~50 s、死区体积比增加0.03%,但夹杂物去除率明显提高。因此,采用停留时间、死区体积比等宏观流场特征参数评估中间包内夹杂物去除效率的方法已不适应过滤控流装置中间包的开发研究,宜采用速度云图、夹杂物运动轨迹等微观分析方法评估其冶金效果。     

中间包流场控制技术的进展

合理控制中间包的流场有利于促进钢液中夹杂物上浮、均匀钢液成分和温度。水模型试验和数值模拟是两种主要的中间包流场研究方法,各有优缺点应相互补充。数值模拟成本低廉速度快,但受限于边界条件的不确定性和湍流模型的局限性难以完全真实反映中间包内的流场。水模型试验能够较为准确地模拟中间包内流场,但无法准确模拟温度场、水口结瘤、覆盖剂和吹气等对中间包流场的影响。研究表明,湍流控制器对降低长水口钢液射流的湍动能、均匀钢液温度和成分、聚拢射流让其转向向上流动降低死区体积分数、延长平均停留时间和优化流场结构具有很好的作用。湍流控制器、堰、坝和导流挡墙合理组合,协同发挥的控流效果,优于单一控流装置的效果。合理调节堰与包底距离、挡坝高度、堰与挡坝距离、堰与出流口距离、挡坝开孔的个数、尺寸和角度,可以优化中间包流场,促进夹杂物去除。气幕挡墙对钢液进行气洗可以提高钢液洁净度。环形气幕挡墙解决了条形气幕挡墙夹杂物去除率低、且不稳定的问题,提高了夹杂物去除率。最后,中间包流场数学模型精细化,并考虑连铸过程中更多工艺与边界条件的影响是未来发展的趋势。对于中间包流场研究的特定问题,针对性设定优化指标,会使得优化研究工作事半功倍。水模型试验作为中间包控流技术的另一种重要研究手段,同样越趋精确化,不断有研究者以提高试验精度为目的在试验方法和测量原理上进行探索和创新。     

模铸连浇中间包控流装置优化的水模实验

通过水力学模拟实验,优化了模铸连浇中间包控流装置。结果表明,安装控流装置,并将开孔设于挡墙下部正中间时,流体在中间包内的停留时间较长,死区体积最小,夹杂物上浮率也较高,而且不存在短路流。因此,经过控流装置优化,流体在中间包内的流场也得到明显改善,流动模式较合理,有利于钢中夹杂物的上浮去除,可以保证浇注大钢锭的质量。     

八流一体式小方坯中间包结构的优化研究

通过数理模拟,对采用正交法设计的某钢厂八流一体式中间包控流装置的实验方案进行钢液流场、温度场及流动特征的研究,并以此设计出新的控流装置.研究结果表明,采用新方案(湍流控制器十带导流孔的“V”型挡渣墙+双坝组合的控流方式),延长了近流水口响应时间及平均停留时间,各水口钢液的流动模式趋于一致,中间包内钢液的流动特征得到明显...