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。     

基于PIV技术的结晶器液面波动指数优化

针对国内某钢厂1 150 mm×230 mm断面尺寸的铸坯在冷轧过程经常出现线状缺陷、翘皮缺陷等问题,建立相似比为0.6的水模型,选择结晶器拉速、浸入式水口(Submerged Entry Nozzle, SEN)出口倾角和浸入深度进行三因素三水平正交试验。利用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)技术对不同工况下的结晶器流场进行测速,得到结晶器内钢液流动形态与钢液流速,通过结晶器液面波动指数(F数)分析不同工况对结晶器流场的影响规律。结果表明,通过PIV可以得到结晶器钢液流股的射流角度、流股对窄面的冲击点、冲击速度和冲击角度等参数,可应用F数对结晶器内钢液流动形态与液面波动进行表征。在正交试验中,各因素影响重要性为拉速>出口角度>浸入深度,最优工况为拉速1.5 m/min, SEN倾角为-30°,浸入深度为175 mm。与优化前工况对比,优化后的工况射流角度和冲击深度增大,上回流范围逐渐增大,F数减小且更接近目标值,液面波动幅度减小,卷渣发生的几率降低。     

结晶器表面流速、涡心位置和流场流态在线预测

结晶器内钢液的流动状态直接影响铸坯的产品质量。浇铸过程中结晶器像“黑匣子”一样无法得知内部流场状态。以某钢厂板坯连铸结晶器为原型建立多相流数学模型，采用数值模拟方法计算不同浇铸参数下结晶器表面速度和流场流态分布。对计算得到的表面流速的最大值、涡心位置的坐标值和流场流态转变的临界条件进行拟合，得到不同浇铸断面和浇铸参数下表面最大流速、涡心位置以及流场流态转变的回归公式，并把计算结果搭建成数据库。再通过编程对数据库进行扩展，开发用户界面可视化软件。将预测模型接入连铸二级控制系统，实现了结晶器表面最大流速、涡心位置以及流场流态的在线预测。通过在线优化结晶器流场，实现超低碳钢的卷渣缺陷率控制在3%以下。     

同一水口浇两种断面板坯流场的数模研究

本文利用三维流场数值计算方法,研究用一种水口浇铸不同断面板坯时,结晶器内的钢水流动状态。计算结果表明,浇铸220×1000mm板坯的水口,完全可用来浇铸220×850mm的板坯;水口流出的钢水对结晶器窄边铜板的最大冲击速度,前者是0.059m/s,后者是0.01m/s。最大速度冲击点距液面深度,前者是248.4mm,后者是161.6mm。两种情况下,钢水在结晶器内的流动状态差别较大。     

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。     

浸入式水口侧孔结构对板坯结晶器流场的影响

对断面为850 mm×200 mm、1 150 mm×200 mm、1 400 mm×200 mm的板坯进行1∶1的物理模拟。通过改变浸入式水口的结构,从而对结晶器内流场、保护渣的分布,以及结晶器表面波动情况进行分析研究。实验结果表明,在断面为850 mm×200 mm时,两孔和三孔水口液面波幅的方差分别为0.27和0.03,大约相差10倍,同时由流场图看出三孔水口有效的减少了偏流现象;在断面为1 150 mm×200 mm时,在形成上回流区的3 s内,两孔水口上回流区的面积已经覆盖了2/3,保护渣覆盖面积为钢液表面的4/5且有波动情况,而三孔水口上回流区的覆盖面积只有1/5,保护渣完全覆盖且表面保护渣的波动不明显,因此得出两孔水口更优于三孔水口,使保护渣更容易融化。     

电流频率对连铸圆坯流场-温度场影响的模拟研究

以φ430 mm的圆坯为实验对象,采用磁场传输方程和k-ε双方程模型对钢液的流场和温度场进行耦合数值模拟,分析有、无电磁搅拌的情况下,结晶器内钢液的流场和温度场分布情况,进一步改变电流频率,分析在不同电流频率下的流场和温度场分布情况。模拟结果表明:施加电磁搅拌时,迫使结晶器纵向截面内的钢液出现上、下两对回流区,其回流方向相反,钢液在水平截面内做旋转运动;铸坯芯部温度降低,高温区域范围缩小,热区位置上移;电流频率增大时,下回流区开始形成,上回流区位置升高。     

不同感应中间包留钢液位下受钢过程中钢液流场的数值模拟

利用数值模拟软件模拟了不同感应中间包留钢液位下受钢过程中钢液的流场、空气卷入量和氧化膜浓度,并结合实际制带试验,分析了保证制带顺利进行所必需的中间包液面高度。结果表明:随着中间包留钢液位的增加,钢液的最大速度降低;与其它液位相比,液位400 mm受钢时空气卷入量较小;正常制带期间500 mm液位受钢时不会将氧化膜带入喷嘴包中,同时水口流股对包底的冲击影响最小。实际制带试验结果与流场模拟结果保持一致,正常制带期间,500mm液位受钢时平均单炉制带时长相比其他液位明显提高。     

不锈钢板坯内外弧尺寸差异分析及解决措施

结合304奥氏体不锈钢高温凝固特性及现场连铸浇铸参数,分析304不锈钢连铸铸坯内外弧宽度尺寸相差约为4～7 mm的具体原因,如结晶器内外弧冷却不同、内外弧铜板锥度不同、水口不对中等。详细研究因结晶器内外弧冷却不同对铸坯内外尺寸的影响,实践证明,调整结晶器内外弧水量可以有效改善内外弧铸坯尺寸差异问题。     

超薄大断面异型坯结晶器非对称流场和温度场的优化

建立0.7∶1的水力学试验模型优化水口结构来改善超薄大断面异型坯结晶器流场,并对实际生产工况下结晶器及其二冷段内钢液的三维流场和温度场进行了数值模拟。结果表明,现有直通型水口结晶器内流场分布极不对称,结晶器内各位置响应时间相差较大,造成结晶器内温度、成分等分布不均匀。优化后的三侧孔一底孔型水口浇铸有效地解决了结晶器各位置响应时间较长且不一致的问题,有效改善了单点直通型水口浇注时的严重不对称流场,浇注侧和非浇注侧的温度差异明显缩小,沿拉坯方向的温度变化也较为合理,有利于良好凝固坯壳的形成,为实际生产提供了指导。     

异形坯连铸中间包工艺技术的开发与应用

针对莱钢近终形大H型钢异形坯连铸机中间包工艺设计上的缺陷,开发与应用异形坯中间包双定径水口快速更换技术、中间包流场优化技术、中间包控流装置长寿技术等,通过技术集成与创新,形成了具有自主知识产权的异形坯中间包工艺技术,使铸坯合格率达到99.80%以上,中间包单包连浇时间达到36h以上。     

控流装置对中间包流场影响的水模型研究

以相似原理为基础,建立1[∶]3的水模型,对某钢厂二流板坯连铸中间包进行研究。对挡坝孔大小及位置优化试验表明,随孔径的增加,平均停留时间先增加,后减小,孔径为90～120 mm左右时,平均停留时间最长;孔高和孔底与挡坝底部距离共同影响钢液在中间包内的平均停留时间和死区比例,总体来讲孔高较小对改善流场更有利,在挡坝的基础上添加小挡坝并不能有效延长钢液在中间包停留时间,但较高的小挡坝能有效增加钢液的滞止时间;优化后中包较原型中间包平均停留时间增加40 s,死区体积由原来的19.5%下降至9.0%。     

底吹气量对中间包钢液流动影响的数值物理模拟

利用水模型和Fluent软件对某厂两流板坯连铸中间包底吹气进行数值物理模拟,研究吹气量对中间包流场的影响.研究得出,不出现卷渣的临界吹气量为0.10 m3/h,此时中间包液面的最大流速达0.45 m/s.未吹气中间包液面的最大流速为0.24 m/s,吹气显著延长钢水在中间包内的峰值时间,但滞止时间和平均停留时间无明显延长.     

基于中间包冶金工艺优化对钢液温度场的研究

以首钢82B连铸凝固传热过程为研究对象,应用FLUENT数值模拟软件对首钢中间包结构优化,研究其对铸坯凝固传热和铸坯凝固质量的影响。研究表明：中间包结构的优化改造,通过减小纵向侧壁钢液液面高度处内壁宽度,适当减小中间包两端的体积,从而减小死区,优化中间包内钢液流动和温度场分布。有利于保持钢液流场的稳定,降低钢液对耐材的侵蚀和钢液中夹杂物的含量,夹杂物的控制保证了82B在拉拔过程中质量缺陷的发生。     

涟钢二流板坯连铸中间包水模型研究

以相似原理为基础,建立1∶3的水模型,对涟钢二流板坯连铸中间包进行研究.结果表明,单纯的湍流控制器+挡坝,中间包活塞区体积偏小,死区体积偏大;挡坝开孔能使中间包死区减小,而不会产生明显的短路流;有利于改善中间包钢液流动的控流装置组合为挡堰+开孔挡坝+湍流控制器,得出了其具体位置;优化后的中间包平均停留时间由343 s延长至387 s,死区体积由20.0％下降至9.8％,滞止时间由61s延长至99 s.     

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。     

异钢种连浇工艺参数对交接坯长度的影响

对梅钢板坯异钢种连浇过程进行水力学模拟,研究进钢量、中间包余钢量和通钢量与铸坯长度方向的无量纲浓度变化关系曲线。结果表明,在梅钢浇铸条件下,降低中间包余钢量和增大通钢量均能显著减少交接坯长度,并且对于进钢量,如果对混合率要求不是很高（90%以下）,增大进钢量也能明显减少交接坯长度。     

控流装置对中间包钢水流场和洁净度的影响

为研究控流装置对中间包内钢水流场影响,采用水模型和工业验证相结合方法针对某钢厂板坯连铸中间包进行优化。通过对不同控流组合中间包的优化得出,湍流控制器+下挡墙组合最优;通过对下挡墙的位置和高度的优化得出,下挡墙高300mm、距长水口距离1900mm为最佳方案。优化中间包后,钢液在中间包内平均停留时间由304.1s增加至342.1s,死区比例由18.5%降至8.4%。工业试验表明,采用优化后中间包,IF钢铸坯平均氧质量分数降低了16.8%,平均氮质量分数降低12.5%,铸坯10μm以上夹杂占比由8.6%降至6.1%。     

连铸异钢种连浇中间包内钢液流动的数值模拟

本文针对某钢厂异钢种连浇过程中中间包内钢液的混合过程进行了数值模拟,分析比较了液面高度和拉速对混浇时间和过渡坯长度的影响.结果表明:增加拉速,降低液面,减少中间包内剩余钢水量,有利于缩短混浇时间,减小过渡坯长度.同时,在各工况条件下,近流混浇时间最短,中流较长,远流最长.     

双流板坯连铸中间包结构优化及改造

中间包作为连铸的关键设备,对保证连铸生产发挥着重要作用。为了减少停浇过程中间包的余钢量,提高金属收得率,以某厂转炉车间双流板坯连铸中间包为模型,利用数值模拟的手段研究中间包流场温度场。根据研究结果,优化设计了中间包结构,为现场中间包结构改造提供优化方案,并介绍了新型中间包的砌筑改造及应用跟踪。改造后的中间包现场应用表明,结构优化能够减少余钢量,使余钢量由16～18 t降至4～6 t,显著提高了金属收得率。