数值模拟研究钢液入口速度对结晶器流场的影响

在连续统一模型的基础上，建立描述反向凝固结晶器中的流动与传热的数学模型，利用有限差分方法，计算出反向凝固结晶器中母带厚度的变化规律，与实验数据基本吻合，在此基础上，研究入口钢液速度对结晶器中流场的影响。     

用数值模拟方法研究反向凝固主要工艺参数对母带厚度的影响

根据连续统一模型建立了描述反向凝固结晶器中的流动与传热的数学模型，计算出了反向凝固结晶器中母带厚度的变化规律，并进一步研究了反向凝固主要工艺参数对母带厚度变化的影响情况。计算结果表明采用数值模拟求解结果与实验数据是吻合的。     

高拉速小方坯结晶器热流密度模型的开发及应用

作为连铸生产设备中的关键部件，结晶器对高拉速连铸起到了至关重要的作用。通过建立结晶器平均热流密度计算模型，计算结晶器内控制单元中凝固坯壳、糊状区及液态钢水区对应的质量，进一步计算整个控制单元的散热量，从而得到结晶器的平均热流密度。结合低拉速结晶器实际生产工况参数以及数值模拟分析，验证了模型的准确性。在高拉速工况下分析得到：对于160 mm×160 mm小方坯，在有效结晶器长度为900 mm、拉速为6 m/min的条件下，其结晶器出口处凝固坯壳厚度达到10 mm时，结晶器平均热流密度约为4 200 kW/m²;以模型计算得到的热流密度为边界条件，应用有限元仿真软件进行结晶器内钢液凝固状态模拟，计算结果显示凝固坯壳厚度为10 mm。根据平均热流密度计算模型得到的热流密度，结合管内受迫对流换热模型，设计了4种不同的结晶器冷却结构并计算其对流换热系数。利用计算得到的对流换热系数，推导出结晶器各种冷却结构对应的热流密度，得到了适用于高拉速的结晶器冷却结构及水流量。     

圆坯连铸温度场模拟

耦合温度场和流场 ,建立了圆坯连铸铸坯温度场的二维稳态柱坐标数学模型。用该模型模拟了国内某钢铁公司Φ178mm圆坯连铸铸坯内温度场分布 ,以渐变色形式模拟显示了圆坯连铸铸坯中心断面温度场分布 ;在温度场的基础上 ,模拟了铸坯凝固壳的厚度变化 ;模拟显示了结晶器内的钢液流动 ;采用铸坯传热数学模型在不同拉速及过热度下进行计算 ,系统分析了拉速及过热度对凝固末端位置、出结晶器坯壳厚度的影响。凝固末端位置的计算结果与现场实测结果一致 ,从而证明了模型的合理性。本研究模拟出的温度场分布和铸坯坯壳厚度 ,为优化工艺参数 ,提高铸坯质量提供了理论依据     

行波磁场旋转搅拌对板坯结晶器内冶金行为的影响

基于电磁热流体与凝固传输理论建立了无间隙原子(IF)钢板坯连铸的三维耦合数值模型,研究了不同拉速下行波磁场旋转搅拌(EMRS)对2 150 mm×230 mm断面板坯结晶器内电磁场、流场、传热与凝固等冶金行为的影响,提出了行波磁场旋转搅拌对结晶器冶金性能影响的多参量评价方法。结果表明,EMRS作用下搅拌器中心横截面上磁感应强度和电磁力的最小值都出现在铸坯中心且电磁力矢量出现了6个涡心。当拉速从0.84 m/min提高到1.84 m/min时,结晶器内液面速度增大,在搅拌器中心横截面位置处,电磁力的涡数量由6个减少至4个。随着拉速增大,宽面凝固前沿最大冲刷速度、窄面附近最大液面波高及钢液冲击深度均增大,而窄面凝固前沿最大冲刷速度和结晶器出口坯壳厚度随拉速增大而减小。     

反向凝固条件下二元合金一维相变传热的研究

建立了描述实验条件下反向凝固器中的相变传热过程的一维数学模型，计算结果与实验数据基本吻合，分析了反向凝固器内热特点，并讨论了母带厚度、钢液过渡度等操作参数和凝因率模型，热物性参数等模型参数对新生相生长的影响，认为凝固器内的停留时间是影响新生相生长的关键因素，为了防止母带熔断，停留时间不能超过一极限值，同时凝固率模型和热物性参数对新生相生长的影响不可忽略。     

拉速液位与结晶器出钢温度的关系研究

结晶器液位和铸坯拉速可直接影响结晶器内钢液温度.本文基于数值模拟和钢液凝固机理,建立起结晶器内钢液液位和铸坯拉速对其出钢口处钢液截面平均温度和坯壳温度的制约关系.仿真结果表明,所建立的关系模型能够反映结晶器出钢口处坯壳表面温度的动态变化,及间接地预知坯壳厚度目的.     

拉速对板坯倒角结晶器钢液流动的影响

为研究凝固坯壳影响时拉速变化对板坯倒角结晶器内流场和温度场的影响,通过数值模拟和物理模拟研究相结合的方法,建立了板坯倒角结晶器流动、传热及凝固三维数学模型和相似比为1∶1的断面尺寸为1 490 mm×230 mm的板坯倒角结晶器物理模型。数值模拟和物理模拟流场形态及液面相同位置流速结果进行的对比分析表明了数模和水模试验结果趋势的一致性;拉速变化对倒角结晶器内流场及温度场的数值影响明显,但对整体形态影响不大;拉速增大到1.7 m/min时液面流速过快、波动剧烈,极易出现卷渣;拉速增大会强化钢液流股对窄面凝固坯壳的冲击,导致坯壳重熔减薄;在本试验研究范围内以1.5 m/min拉速进行生产能够取得较好的综合效果。     

基于ANSYS的45~#钢结晶器内温度场模拟

以包钢薄板坯连铸结晶器内的45~#钢为研究对象,利用ANSYS有限元软件建立二维非稳态传热模型。研究了在不同拉速和过热度条件下,铸坯在结晶器出口处温度和坯壳厚度变化的情况。结果表明:拉速增大时,结晶器出口处的温度升高、坯壳厚度变薄,且坯壳厚度的变化曲线和Hanno提出的定律相一致;同样,过热度增大时,结晶器在出口处的温度也升高,过热度对角部坯壳厚度影响作用明显。通过有限元计算,给出了结晶器出口处铸坯温度分布和坯壳的厚度范围,分析了其影响因素,这为其他凝固坯壳厚度在线无损检测提供参考数据。     

薄板坯连铸漏斗型结晶器内流动、传热和凝固行为的数值研究

针对薄板坯连铸漏斗型结晶器,建立了钢液流动与凝固传热的三维耦合模型,在不改变造型复杂的水口和漏斗型结晶器的尺寸和结构的前提下,计算分析了不同操作参数——拉坯速度和浇注温度对结晶器内流场、温度场和凝壳的影响,同时采用了第二类和第三类两种不同的热边界条件进行了流场和温度场的分析。计算结果表明,钢液凝固壳及糊状区对结晶器内钢液的流动有很大影响,采用第二类热边界条件能够更真实地反映出结晶器内流动对传热的影响。     

Cu-12%Al线材连续定向凝固最大稳态拉坯速度

将结晶器移出感应加热器,使连续定向凝固时固液界面控制在结晶器出口;结合传热边界条件,求解连续定向凝固熔体区、液/固界面、空冷区和水冷区的一维稳态温度场方程,得出线坯最大稳态拉坯速度随熔体温度、结晶器长度、冷却距离和冷却水流量的变化规律;并基于直径为6 mm的Cu-12%Al(质量分数)线材制备的工艺条件,对理论解进行实验验证和讨论.结果表明:Cu-12%Al线材的最大稳态拉坯速度随熔体温度升高而降低,且降低速率逐渐减小,其中在1 150～1 300 ℃范围内降低37.3%;最大稳态拉坯速度随结晶器长度增加而增加,且增加速率逐渐减小,其中在20～40 mm范围内增加28.5%;最大稳态拉坯速度随冷却距离增加而降低,且降低速率逐渐减小,其中在4～12 mm范围内降低68.8%;冷却水流量在100～400 L/h范围内最大稳态拉坯速度变化不明显.当固液界面前沿温度梯度小于2.02 ℃/mm时,实际拉坯速度无法达到理论最大稳态拉坯速度;当固液界面前沿温度梯度大于4.17 ℃/mm时,最大稳态拉坯速度实验值和理论值吻合较好.     

A coupled model on fluid flow,heat transfer and solidification in continuous casting mold

Fluid flow, heat transfer and solidification of steel in the mold are so complex but crucial, determining the surface quality of the continuous casting slab. In the current study, a 2D numerical model was established by Fluent software to simulate the fluid flow, heat transfer and solidification of the steel in the mold. The VOF model and k-ε model were applied to simulate the flow field of the three phases(steel, slag and air), and solidification model was used to simulate the solidification process. The phenomena at the meniscus were also explored through interfacial tension between the liquid steel and slag as well as the mold oscillation. The model included a 20 mm thick mold to clarify the heat transfer and the temperature distribution of the mold. The simulation results show that the liquid steel flows as upper backflow and lower backflow in the mold, and that a small circulation forms at the meniscus. The liquid slag flows away from the corner at the meniscus or infiltrates into the gap between the mold and the shell with the mold oscillating at the negative strip stage or at the positive strip stage. The simulated pitch and the depth of oscillation marks approximate to the theoretical pitch and measured depth on the slab.     

高拉速方坯连铸结晶器钢渣界面行为特征

对于高拉速连铸,结晶器内高通钢量下的钢液与保护渣流动行为控制是保证结晶器区合理凝固与冷却控制的重要一环。通过建立三维方坯连铸结晶器内多相流动、传热与凝固耦合数学模型,研究结晶器内高速钢液瞬态流动现象及其对液面波动与保护渣流动的影响。结果表明,结晶器内高速钢液冲击钢渣界面使弯月面处形成明显的凸起,同时导致水口附近界面波动剧烈。液态保护渣的流动行为受液面波动影响较大,不连续的保护渣流入造成了厚度不均匀的固态渣膜形成,不规整的固态渣膜转而又阻碍了液态保护渣的流入。     

双辊薄带连铸过程数值模拟

针对双辊薄带连铸过程,使用了耦合湍流流动和凝固传热的三维数学模型,模拟计算了使用楔型布流系统浇注时,连铸熔池内钢水的流动形态和凝固情况。结果表明,楔型布流系统可使钢水在熔池内合理分布,有利于均匀凝固。     

方坯连铸机结晶器凝固传热的模型研究

开发了方坯连铸机结晶器内非稳态凝固传热的计算软件，能够预测结晶器内的温度分布和坯壳厚度。模型考虑了凝固时横、纵向以及角部气隙的存在所造成的传热不均匀。同时，采用等效比热法处理了凝固前沿产生的结晶潜热。并以生产厂方坯为研究对象，得出了结晶器温度分布规律、凝固坯壳生成规律，分析了拉速对铸坯温度和坯壳厚度的影响。结果表明，经模型计算得出的铸坯温度和结晶器出口处坯壳厚度值与现场测定的温度和拉漏数据基本相符。     

H90/钢反向凝固复合层的厚度变化规律

以08Al钢作为母带，H90黄铜作为复合材料，系统地研究了反向凝固复合工艺浸渍复合时间、铜液的温度以及钢带的预热温度和厚度对黄铜复合层厚度变化的影响规律。研究结果表明：随浸渍复合时间的增加，复合层的厚度变化经历了凝固生长、平衡相持和回熔3个阶段；铜液温度以及钢带预热温度和厚度变化不改变复合层厚度的变化规律，但对各阶段的持续时间和复合层的厚度有影响；钢带越厚以及铜液的温度和钢带的预热温度越低，复合层的厚度越厚。     

拉速对薄板坯连铸过程中流场、温度场及溶质偏析的影响

针对薄板坯连铸过程中的动量传输、热量传输及溶质传输过程，建立了一个三维三场耦合数学模型。模拟计算了薄板坯连铸过程中的紊流速度场、温度场及溶质场分布，计算分析了拉速变化对三场及凝固过程的影响。结果表明，提高拉速显著增强了铸坯内钢液的紊流流动，改变了温度场形状及溶质浓度的分布。提高拉速导致铸坯上表面钢液流速加快，增加了弯月面的波动，使得射流对窄壁的冲击力变大、凝固坯壳变薄，并有减小溶质偏析的趋势。     

铸轧铝板带铸轧区内液穴深度变化规律的探讨

推导了双辊式连续铸轧铝板带生产工艺中铸轧区内液体金属凝固时,凝固层厚度随时间变化的函数关系;铸造区内液穴深度与铸轧辊面线速度、铸轧辊直径、铸轧区长度、铸轧板厚度、供料嘴出口液体金属温度之间的函数关系。通过计算得出液穴深度与铸轧辊面线速度、铸轧区长度、铸轧板厚度、供料嘴出口液体金属温度之间的变化规律,并与现场生产中实际情况相对照,表明符合现场实际情况。     

铸拉工艺极限速度的计算

用结晶器壁内表面光洁度的假设，提出了处理结晶器、铸件有间隙接触问题的方法，避免了测定铸件表面温度或结晶器热流密度这一难题，建立了铸拉时的温度场，得到了铸件的温度分布、液穴形状及结晶器与铸件间间隙值与工艺参数的关系。同时，提出了一种新的摩擦计算模型，并求得了摩擦应力与间隙值、表面光洁度和铸件表面剪切强度之间的关系。然后根据限制铸拉速度的主要缺陷，即凝固壳断裂和冷隔，通过计算铸件截面承受的摩擦力、热应力和液穴形状，得到了铸拉工艺的极限速度，计算值与实测值吻合。