宽断面板坯结晶器内钢水流动、传热和凝固过程的数值模拟

建立了求解宽断面板坯结晶器内的钢液流动、传热和凝固数学模型,研究了不同浸入式水口结构、铸坯宽度、铸坯厚度和拉速等工况条件下,宽断面板坯结晶器内的流动、传热和凝固行为。结果表明：随着铸坯的宽度从1 800 mm增加2 200 mm时,从浸入式水口侧孔出来的射流在结晶器下部的影响范围更广;宽断面结晶器中的浸入式水口结构对不同铸坯断面和拉速下的流动和凝固行为产生较大的影响;在生产中需根据宽断面结晶器的流动及传热特点进行水口结构及工艺参数的优化。     

板坯连铸结晶器内钢液表面流速的水模研究

以某钢厂板坯连铸结晶器为原型,建立1︰1的水模型进行试验,研究了拉速、水口出口角度、水口浸入深度、水口底面结构等工艺参数对结晶器表面流速的影响。结果表明:拉速和水口出口倾角对结晶器内表面流速的影响较大,水口底面形状次之,浸入深度的影响最小。通过改变工艺参数来优化表面流速,有多种组合方式,要根据实际生产情况选择最合适的优化方案。     

薄板坯高拉速浸入式水口研究与优化

为了满足薄板坯连铸工艺高拉速对结晶器流场和温度场的要求,对浸入式水口的结构进行了研究。通过数值模拟研究,对薄板坯连铸浸入式水口进行了优化,优化后的新型浸入式水口可以获得高拉速状况下稳定的结晶器流场和温度场。同时对新型浸入式水口进行了水模分析,验证了数值模拟结果的有效性。现场试验新型浸入式水口,发现结晶器液面平稳、热相图稳定,板卷质量良好,铸机拉速较原水口提高22%。     

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。     

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。     

低拉速板坯结晶器自由液面控流的数值模拟

基于流体力学,利用Fluent软件建立了连铸结晶器内钢水流动的三维数学模型,采用k-ε双方程高雷诺数湍流模型对板坯结晶器内的流场进行了模拟,研究了低拉速时结晶器控流装置对不同结构参数的水口条件下自由液面流场及温度场的影响。结果表明,结晶器流动控制装置(MFCD)对结晶器自由液面的影响与浸入式水口结构有关;1号水口条件下MFCD的加入可以降低自由液面的湍动能,2号水口条件下MFCD的加入增加了自由液面的湍动能。结晶器流动控制装置(插入深度50mm、100mm)并不适用于低拉速(0.55m/min)条件下的板坯连铸。     

薄板坯连铸结晶器内四孔水口的水模试验

为研究内4孔水口下拉坯速度、水口浸入深度和结晶器宽度对结晶器液面波动的影响,以断面为90 mm×1 500 mm和90 mm×1 270 mm的结晶器为原型,建立1[∶]1的物理模型,通过DJ800水工数据采集系统对结晶器液面波动情况进行检测。研究结果表明：最大波高差出现在2号传感器位置,在浸入深度一定下,结晶器液面波动随着拉速的逐渐增大而增大;当拉速一定时,液面波动随着水口浸入深度从240 mm增加到340 mm而减小;在拉速和浸入深度相同时,小断面结晶器的液面波动情况总体小于大断面结晶器的液面波动。     

宽板坯浸入式水口优化的物理模拟

通过水模型研究方法,对某钢厂200mm×1800mm连铸机结晶器内流体的流动行为进行了研究,在此基础上对水口的结构参数和工艺参数进行了优化。研究结果表明：①拉坯速度、水口底部形式、水口出口形状、出口角度、出口面积比以及浸入深度等参数对结晶器内流场有重要影响,在对其进行优化研究时应综合考虑;②在试验条件下,结晶器优选出的新型浸入式水口的最佳结构参数为：水口倾角15°,出口面积比2.0,出口形状为跑道形,底部形状为平底,结合现场生产实际建议浸入深度为125mm,拉速为1.45m/min。     

新型水口作用下的结晶器流场数值模拟

以结晶器表面的钢液流速和结晶器内的射流冲击深度作为参考指标,基于FLUENT对邯钢宽厚板坯连铸结晶器内流场进行数值模拟,研究该连铸机所用的A水口的性能及在该水口作用下的拉速、水口浸入深度对结晶器内流场的影响。结果表明:在A水口的作用下结晶器的表面流速大,射流冲击深度则较小,有较大的卷渣可能性;最大结晶器表面流速随着拉速的增大而逐渐增大,射流冲击深度则逐渐减小;结晶器表面流速随着水口浸入深度的增加而减小,射流冲击深度则增大;根据邯钢宽厚板坯连铸机的实际生产条件,在拉速较大时,应将A水口替换为平行水口;在使用A水口时,在适当降低拉速的同时,水口浸入深度也应适当增大。     

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。     

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。     

连铸板坯表面夹渣缺陷的成因及控制

对连铸生产的板坯表面夹渣缺陷的产生原因进行了对比研究。结果表明,夹渣缺陷主要由连铸过程中结晶器卷渣造成的。通过采取防止水口面氧化、减少结晶器液面波动、防止浸入式水口堵塞、选择合理的水口浸入深度、优化保护渣和覆盖剂性能、合理控制拉速、减小结晶器振幅、选择合适的结晶器水量、优化职工操作等措施,最终使夹渣率由3.9%降至1.5%,取得良好的控制效果。     

特殊钢特厚板结晶器内温度场及流场的数值模拟

采用数值模拟对特殊钢特厚板连铸结晶器工艺参数进行优化。首先对400mm×2 400mm的板坯结晶器内不同过热度及水口不同插入深度进行了模拟。其次,在优化的基础上,研究了铸造速度对流场温度场的影响,并研究了在拉速为0.5m/min的条件下得到的热应力结果。结果表明,结晶器内宜选用水口插入深度约为120mm,过热度为20K,拉速为0.5m/min,既能保证生产率也能保证产品品质。     

板坯连铸结晶器内钢液的三维流场数值模拟

采用数值模拟的方法,建立了描述某厂结晶器内钢液流动的数学模型;用有限体积法求解,研究了结晶器内的钢液流动行为,详细分析了结晶器浸入式水口(SEN)插入深度、侧孔倾角和拉速对结晶器内钢液流场的影响.得出了适合该厂连铸工艺条件的浸入式水口形式和拉坯速度,即水口合理的出口倾角应为向下15°左右;在水口结构一定条件下,水口插入深度140～170mm比较适宜;合理的拉速应控制在1.4～2.0m/min.     

板坯连铸结晶器浸入式水口结构研究

在实验室条件下,基于某厂实际水口结构及生产状况重新设计了4种不同结构的浸入式水口,然后采用1∶1的水模型对该厂600 mm×170 mm断面板坯连铸结晶器的流场特征进行试验,通过对比分析不同拉速下采用不同结构浸入式水口时结晶器内钢液的流场特征的变化情况,从而优选出适合该厂的浸入式水口结构。研究表明,在拉速≤1.6 m/min时,采用底部形状为凸底、出口倾角18°、侧出孔尺寸为40 mm×60 mm的椭圆形水口,结晶器内流场最为理想,即为最优水口结构。     

小方坯连铸6.0 m/min高拉速技术改善与生产实践

高拉速是小方坯连铸机螺纹钢实现低成本且绿色化生产的必要条件，是连铸整体技术进步的体现。福建三钢二炼钢3号小方坯连铸机经高效化改造，160 mm×160 mm断面螺纹钢拉速达到6.0 m/min的能力，生产过程拉速提高到4.1 m/min时发生漏钢以及铸坯拉断事故。综合采用调研及追溯等手段分析引起漏钢事故的机理及影响因素，发现结晶器振动工艺、浸入式水口插入深度及保护渣性能参数是引起漏钢的主要因素，从机理和模型角度研究了3个因素对漏钢定性和定量化影响规律。结果表明，在结晶器均匀强冷已实现条件下结晶器润滑状态对高拉速的稳定生产有决定性影响，合适的振动工艺是其限制性因素。采用优化后的结晶器振动工艺(脱模平均速率大于20 mm/s)、保护渣(碱度0.9、熔点1 020℃、黏度0.23 Pa·s)以及浸入式水口插入深度(120 mm),160 mm×160 mm断面小方坯螺纹钢拉速从4.1 m/min最终提高到6 m/min且未发生漏钢事故。     

板坯塞棒和中间包上水口吹氩工艺水模型研究

针对唐钢不锈钢3#连铸机塞棒和中间包上水口吹氩工艺进行了原型与模型比例为2∶1的水模实验,研究了同一种板坯宽度、同一种水口条件,不同拉速、不同水口浸入深度下,塞棒和中间包上水口的临界吹气量,以及吹气量对于结晶器流场中液面波动和流股在窄边冲击点的影响规律,为现场生产中结晶器吹氩工艺参数的优化提供依据。     

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。     

水口结构对薄板坯初始凝固行为的影响

以薄板坯连铸结晶器为研究对象,采用有限元法,建立了流动、传热、凝固的三维耦合数学模型。重点研究了拉速及双侧孔水口出口面积比对结晶器内自由液面流动情况、铸坯表面温度分布与凝固坯壳生长的影响。结果表明,当拉速由6 m/min减少到4 m/min时,液面波动由±10.5 mm降至±4.5 mm,而结晶器出口处的坯壳厚度将由7.1 mm增加到9.5 mm;当水口出口面积比由1.56增加到2.00时,液面波动由±9.1 mm降至±7.1 mm,出口处的坯壳厚度减薄了0.4 mm。