矩形坯连铸结晶器流场和温度场的数值模拟

利用Fluent流体力学软件研究了四孔浸入式水口的浸入深度对结晶器内钢水流场和温度场的影响,且探讨了其合适的铸坯拉速。结果表明,随着水口浸入深度的增加,射流的冲击深度逐渐增加,结晶器内自由液面水平速度减小,液面波动有降低的趋势,且当水口浸入深度大于100 mm时液面趋于平稳;随着浸入深度的增加,结晶器液面温度降低,高温区下移,合适的水口浸入深度为100~120 mm;随着拉速的提高,其冲击深度逐渐增加但变化十分缓慢,液面波动明显增强,合理的拉速范围为0.9~1.1 m/min。     

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。     

1300mm×230mm板坯连铸结晶器流场水模型研究

根据某厂的1 300 mm×230 mm大板坯结晶器生产情况,利用相似原理,采用1:2的物理模型,通过波高检测研究了水口底部形状、水口浸入深度及拉速对结晶器液面波动的影响,同时通过卷渣试验中的卷渣趋势来寻找较优流场。试验结果表明:在水口浸入深度为180~260 mm范围内,使用凸底水口优于凹底水口,液面波动随着拉速的增加而增加,随着水口浸入深度的增加而降低。当拉速为1.1~1.3 m/min,浸入深度为220~260 mm时,液面波动为±4 mm左右,无卷渣产生。     

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。     

1 600 mm×230 mm板坯结晶器流场及液面波动水模拟研究

以某厂1 600 mm×230 mm的板坯结晶器为研究对象,利用相似原理,建立1：2的物理模型,采用波高检测、粒子示踪等方法,研究了不同水口底部形状、浸入深度以及拉速对结晶器流场和液面波动的影响。试验结果表明：采用凸底浸入式水口,拉速为1.1 m/min,浸入深度为220 mm或260 mm时,结晶器液面波动幅度和注流冲击深度较低,无卷渣现象发生。     

板坯连铸结晶器浸入式水口结构优化

针对断面为180×730 mm~2板坯结晶器液面波动较剧烈,易产生卷渣等问题,基于物理模拟和数值模拟对结晶器内钢液表面流速、液面波动和钢水凝固状况等复杂物理现象进行了研究;对拉速和浸入式水口的角度与底部结构进行了设计和优化,并通过物理模拟和数值模拟进行了验证。结果表明,倾角为20°、浸入式水口的底部结构为凹底30 mm,拉速为0.9～1.0 m/min,结晶器表面流速在0.18 m/s以下,液面波动较为平稳。     

板坯高拉速连铸台阶状水口的水模型研究

采用全比例水模型研究了一种用于板坯高拉速连铸的新型台阶状水口的流场、液面特征、液渣分布与流股特征。研究发现： 与原水口相比,使用该水口后结晶器内流场对称性更好;新水口在拉速2.4 m/min下平均波高最大值为 5.3 mm,比原水口最大值（6.4 mm）小17%,液位波动的FFT分析表明：新水口下液面波动频率集中在1.2 Hz (振幅为0.46 mm),而原水口液面波动频率集中在1.1Hz,振幅0.7 mm;使用新水口在高拉速下结晶器的表面流速为0.28 m/s,比原水口(0.41 m/s)小32%,且自由液面波峰波谷差和液渣层裸露面积均小于原水口;水口作用机理分析表明：由于新水口台阶的混合作用,促使水口出口两侧流股对称性更好,更有利于稳定液面和减少卷渣。     

2.05 m/min高拉速低碳钢FC控流结晶器的应用

板坯高速连铸因具有减少设备投资、增产增效和降低物料消耗的优势而受到越来越多的关注。为解决低碳钢浇铸周期与精炼周期的匹配问题和进一步提高生产效率,某钢厂开展了结晶器电磁制动参数优化的高速连铸工艺技术研究,施加磁场后,随着上线圈电流由模式A增加到模式C,结晶器表面的钢液流速由0.35 m/s减小至0.21 m/s,结晶器内上部流场流速减弱,在高拉速下可明显起到降低表面流速的作用,随着吹氩流量从12 L/min增加至20 L/min,钢液表面流速增加,随着水口浸入深度的增大,结晶器内的流场形态变化不明显,2.05 m/min拉速下夹杂物指数较1.8 m/min拉速夹杂物指数明显降低。     

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。     

水口浸入深度对CSP结晶器内流场的影响

为了解决高拉速生产条件下CSP板坯表面质量问题,利用数值计算软件FLUENT针对某厂CSP连铸机水口插入深度对结晶器流场及液面波动的影响进行了数值模拟研究。研究结果表明,不同的水口浸入深度结晶器内流场基本相同,增加水口浸入深度对结晶器流场影响不明显,水口浸入深度的大小直接决定了从水口流出的流股撞击结晶器窄面位置的高低,同时得出,当水口浸入深度从300、340增大到380 mm时,液面处最大流速分别为0.180、0.160和0.127 m/s;增大水口浸入深度,结晶器上回流对结晶器液面的扰动将减弱,对应的卷渣次数减少。     

连铸工艺对超低碳钢表面线状缺陷的影响分析

从连铸工艺包括拉速、水口浸入深度、浸入水口出口角度、保护渣性能对超低碳钢热轧卷表面线状缺陷进行深入研究并进行现场工业试验,分析了连铸工艺参数对该类缺陷的影响规律。研究结果表明：将230 mm×1 600 mm断面铸坯,拉速由1.2 m/min降低至1.1 m/min,浸入式水口插入深度由130 mm加深至145 mm,水口出口角度由15°增加到18°,均可对抑制浇铸过程液面波动及提高超低碳钢板卷表面质量起到很好的作用。将超低碳钢保护渣黏度由0.306 Pa·s提高至0.364 Pa·s,熔点由1 089 ℃降低至1 062 ℃,可使超低碳钢热轧板卷线状缺陷发生率由8.86%降低至4.49%。     

PIV测速技术分析异型坯连铸结晶器流场

通过建立1[∶]1异型坯结晶器物理模型，采用PIV粒子测速技术，研究断面尺寸为767.3 mm×383.1 mm×103.2 mm异型坯结晶器不同工艺参数条件和不同水口结构对结晶器内流场的影响。PIV实验结果表明，减小拉速和增大水口底部内径可以有效地减小冲击深度，结晶器深度860 mm处水口中心最大流股速度分别下降了27.96%和41.46%；增加拉速和减小水口浸入深度可以提高流场下旋涡上顶点位置。通过减小拉速和浸入深度，增大水口底部内径可以改善结晶器内流场。     

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.     

直通型水口浸入深度对220 mm×260 mm方坯结晶器流场影响

结晶器内钢液流动状态会直接影响铸坯的质量,不合理的流场会导致液面流速过大,弯月面波动过大,造成卷渣。采用几何相似1：1水模型和Fluent流体力学软件研究了220 mm×260 mm方坯结晶器直通型水口浇注下,不同浸入深度对结晶器液面波动、表面流速、流场分布、冲击深度、保护渣覆盖的影响。结果表明：直通型水口流股集中,冲击深度较大,液面波动均匀,波动受浸入深度和拉速的影响较小。保护渣渣层覆盖良好,渣层均匀,出现卷渣的可能性较小。综合考虑冲击深度,保护渣活跃程度,结晶器电磁搅拌的影响,现场合适的浸入深度为80～100 mm。     

大方坯连铸结晶器水口优化模拟探究

为了研究不同浸入式水口类型对结晶器内流场流动的影响,以结晶器水口优化为出发点,利用物理模拟和数值模拟两种手段对断面280 mm×380 mm大方坯结晶器不同水口开展优化研究。本研究首先构建了一个1∶1结晶器水模拟试验装置,实现不同浸入式水口下的连铸流动模拟,利用PIV测量了不同水口下的结晶器截面流场,然后利用Fluent软件进一步研究了浸入式水口开孔角度、开孔数目、安装角度等参数变化对结晶器内流场以及液面波动的影响。物理模拟和数值模拟研究表明,开孔角度向上时,波动范围大于5 mm;开孔角度水平时,对窄面冲击速度过大,达到0.35 m/s;较双孔水口,四孔水口液面速度为0.22 m/s,小于卷渣临界速度值;水口安装角度改为对角线时,强化了内流场角部流动,整个流场流动更加稳定。