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。     

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。     

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。     

挡墙设计对四流T型中间包钢液流动行为的影响

挡墙设计在T型中间包流场控制方面扮演着重要角色。以某钢厂四机四流T型中间包为研究对象,采用水模拟“刺激-响应”的试验方法,对比研究了不同导流孔的挡墙对中间包内钢液流动模式和各出口一致性的影响规律。研究结果表明,中间包现有结构下的死区处于较低水平,存在远流与近流响应时间差别较大的现象,且流量的增加会恶化中间包钢液的混匀效果。优化方案通过减小导流孔的直径并设计向上45°的倾角,在中间包内产生了较大的环流结构,延长了近流出口的响应时间,活塞区比例从6.61%增加到了9.04%;各流的一致性指数从22.8降低到了9.6,降幅为58%,死区比例也略有减少,有利于改善中间包的整体冶金效果。     

相似比对中间包模拟试验的影响

物理模拟试验和数值模拟是当前优化中间包流场和结构的主要手段,相似比的选取对于中间包模拟试验结果的准确性有较大影响。为了研究相似比对中间包模拟试验的影响,获得更能准确反映实际冶金反应器内流体流动行为的相似比,以80 t板坯连铸中间包为研究对象,采用经物理模拟验证后的Fluent模型模拟几何相似比分别为1∶1、1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10的中间包内部流场流动行为,得到其速度和湍流动能的分布情况。结果表明,随着相似比减小,中间包内流场的平均速度整体呈减小趋势,湍动能无明显变化;相似比的改变对包内速度平缓变化的区域影响更加显著;当模型相似比小于1∶6时,与原型相比,模型速度的相对误差大于5%。因此,相似比的选用宜大于1∶6,以提高模拟的精度,准确还原实际流场。     

六流非对称中间包结构优化水模型研究

为了降低钢中夹杂物数量,根据相似原理进行小方坯六流非对称中间包的水模拟研究。通过模拟分析原型中间包流场,找出其存在的问题,提出通过在原中间包中合适位置加设挡墙、挡坝、开设导流孔等的方法来优化中间包结构,共设计了包括六流浇注和五流浇注在内的5种优化方案。优化结果为:六流浇注优化后比原型中间包的停留时间增加105.2%,死区比例减小60.4%。五流浇注优化后比原型中间包的停留时间增加172%,死区比例减小76%。优化后各流之间差异性明显减小。     

数值模拟在小方坯连铸中间包优化设计中的应用

计算机模拟作为一种参数优化的工具,越来越多地应用于冶金领域。用流体商业软件对某厂4流T型中间包流场进行数值模拟,从钢液流动的速度矢量图、流线图来分析有、无控流装置的中间包的流动特征。通过模拟分析,确定了合理的中间包控流装置,以指导生产实践。     

四流小方坯连铸中间包流场的数学模型分析

针对四流小方坯连铸机中间包的液面流场进行了数学模型研究。结果表明,在中间包导流挡墙的中部,流体从上往下流,如只开中间墙的上孔,则引导流体向表面流动,因此液面流速将明显提高。如果导流挡墙的侧墙开孔处流速快,流股将直接冲向对侧包壁,则形成明显的水平环流。     

8流一体式方坯中间包控流装置优化研究

针对多流中间包冶金过程存在的问题,通过水模型试验,就影响其流场的因素,采用正交试验的方法对中间包内部控流装置进行优化。综合考虑各种影响因素,钢厂8流一体式T型中间包内合理的控流装置是带导流孔的V型挡渣墙+双坝的组合。     

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%。     

二流板坯中间包结构优化

针对某钢厂二流板坯中间包,采用数学模拟和物理模拟相结合的方法对其进行结构优化。数学模拟结果表明,原二流中间包内部控流装置不合理,钢液存在贯穿流和短路流,在中间包内设置湍流控制器和导流墙后,钢液的流动得到明显改善。根据相似原理,建立1∶2.5的物理模型。结果表明:钢液在包内滞留时间、平均停留时间、峰值时间、活塞区体积,分别由原来的26.5 s、178.5 s、268.7 s、13.9%提高到107.5 s、233 s、414.8 s、23.1%;死区体积由原来较大的63.5%变为较小的43.7%。     

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。     

非对称三流中间包结构优化的水模型研究

采用相似比为1∶2的水模型,对非对称三流中间包流场进行模拟研究。结果表明:原型中间包存在明显的短路流、死区体积比例较大以及各流水口的流动一致性较差等问题。通过对其结构进行优化,各流响应时间一致性较强,分散度降低至5.10,死区体积比例降低至13.15%,使中间包流场得到明显改善。     

湍流控制器结构对中间包流场影响的数值模拟

根据某钢厂连铸中间包结构和操作工艺参数,建立中间包钢液流动的数学模型,用FLUENT软件进行模拟计算。数值模拟结果得出了不同结构的湍流控制器对中间包流场的影响,指出湍流控制器对中间包冲击区的流场影响较大,几种湍流控制器对中间包流场都有一定的改善作用。其中八边形有顶缘的湍流控制器更有利于降低湍动能,八边形侧壁设置斜向上的导流孔更有利于夹杂物碰撞。     

板坯连铸70 t中间包流场优化

通过数值模拟对板坯70 t中间包不同上下挡墙组合形式下的流场特性进行了研究。数模结果表明:原型中间包可以较好控制注流区的流动,但是由于增加了短上挡墙,没有明显增加活塞区比例,同时在短上挡墙附近形成了回流区(死区),不利于夹杂物的去除。优化控流方式后,平均停留时间由原来的992 s提高至1 036 s,死区体积比例由优化前的8.7%减少至7.1%。工业试验表明,优化后中间包在降低铸坯总氧和减少大尺寸夹杂物方面均优于原型中间包。     

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%。     

单流板坯中间包挡坝结构优化的数值模拟

以某钢厂单流板坯中间包为基础,采用数值模拟的方法对中间包挡坝结构优化前后钢液流场及夹杂物去除效果进行了研究。结果表明,挡坝优化后部分钢液通过斜上导流孔流出,减弱了钢水沿挡坝向上流动对液面产生的冲击,也避免了其沿包底直接流出形成的短路流。30°导流孔条件下中间包钢液平均停留时间最长,死区最小,流动状态最合理。当导流孔角度进一步增加,钢液流出导流孔后快速汇入挡坝后方的大环流导致停留时间减少。30°导流孔结构的夹杂物去除率相比于原结构提高约11%。当导流孔角度进一步增大,夹杂物去除率下降,但都略优于原始挡坝结构。新导流孔结构工业应用后,各类夹杂物评级结果均显著提高。     

多流中间包流场模拟研究及优化

为了减少多流中间包的卷渣概率、提高对夹杂物的去除能力,采用物理模拟及数值模拟的方法对某钢厂六流中间包内部流场特性进行分析和优化。研究表明,导流孔仰角对中间包内流场及温度场有较大影响。改进后的挡墙使用25°仰角导流孔使各流最大温差由5.2 ℃降至2.4 ℃。较小的导流孔仰角对夹杂物去除有利,25°的仰角各流均匀性较好。提高挡坝高度亦有利于夹杂物上浮,推荐的挡坝高度为650 mm。另外建议现场浇注高度保持在100 mm以上以消除卷渣现象的不利影响。     

中间包吹气的水力学研究

以相似原理为基础,用水力学模型研究吹气对一流板坯中间包过程的影响.实验结果表明,吹气显著地改变了中间包内流体的流动特征;当不吹气时,流体在中间包内的平均停留时间较短,死区体积较大,不利于夹杂物的去除;吹气以后,气流上升形成气幕挡墙,增加了平均停留时间,缩小了中间包的死区体积,有利于夹杂物的去除.在3号位置使用A型透气砖,吹气量在150NL/h时,中间包内的流场最佳.     

异形孔导流结构板翅换热器内部流体流动与传热特性

针对板翅换热器各层流道流体分布不均匀问题,提出一种新型异形孔导流增效结构。以流量均匀程度为设计目标,同时考虑换热器入口不同位置流动速度差异,通过采集关键控制点附近流体速度向量,设计一种变孔径的异形孔导流结构。采用计算流体力学方法分析异形孔导流结构板翅换热器内部流体流动与热量传递,同时对换热器流场与温度场进行数值模拟,得到流体流动与温度分布规律并与传统导流结构进行对比。结果表明：异形孔导流结构可在增加流体流动压降的同时提升换热器流体均匀分布程度,导致传热过程中的热压比增加;采用异形孔导流结构可以在一定程度上改善流体均匀分布程度,降低冲击作用,而对异形孔结构进行合理优化与布局可以更好地改善流体在换热器入口位置分布均匀程度,提升换热器的传热性能。