小方坯连铸结晶器内注流偏流流场的数值模拟

对国内某钢厂165mm×163mm小方坯不锈钢连铸机弧形结晶器建模,利用CFX软件模拟了水口沿连铸机径向向内弧侧偏离不同距离后结晶器内钢液流场和液面波动情况。结果表明,水口沿连铸机径向向内弧侧偏离结晶器入口几何中心12mm时,注流对结晶器外弧侧凝固坯壳的冲击减弱,同时结晶器内内外弧侧向上回流的钢液均能到达弯月面处,结晶器内钢液流场分布更加合理。     

圆坯结晶器偏心浇注条件下水口优化的模拟研究

针对连铸生产过程中常出现水口不对中的问题,通过旋流水口来消除偏心水口带来的不利影响。建立了圆坯结晶器内三维流动、传热数学模型,结合水模型实验,计算分析了水口优化前后结晶器内的流场和温度场。结果表明:合适的水口切向倾角可以使钢液产生较强的旋流,降低偏心浇注条件下结晶器内的偏流指数。旋流流场还可以减小钢液的冲击深度,促进钢液过热耗散,使热中心上移,均匀初生坯壳厚度,提高铸坯品质。     

一种新的旋流连铸技术——电磁旋流水口

日本及中国的学者研究表明,在连铸过程中浸入式水口内的旋转流动可以有效改善结晶器内的流体流动状态并提高钢坯的表面和内部质量。笔者提出一种新的旋流连铸技术,即利用水口外的旋转电磁场对钢液的洛伦兹力,使水口内钢液形成旋转流动。对圆形电磁旋流装置作用下圆坯及方坯连铸过程结晶器内钢液流场进行了三维数值模拟,分析了350 A电磁旋流作用下圆坯及方坯结晶器内钢液流场。结果表明：①水口电磁旋流使得圆坯结晶器内的钢液都处于旋转状态。②有旋流时,在方坯结晶器角部的附近可以观察到水平流动;钢液的冲击深度更小,上返流增强。     

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。     

大方坯连铸结晶器电磁搅拌的数值模拟

对大方坯连铸结晶器电磁搅拌过程的流场和温度场进行了数值模拟,并讨论了搅拌强度对流场和温度场的影响。结果表明：在结晶器电磁搅拌下,搅拌器区域的钢液变为水平旋转,使从水口向下吐出的钢水与向上回流的钢水流股相冲突,流股侵入深度变浅,从而使轴向温度迅速降低,径向温度升高,提高了热区位置,有利于传热;搅拌强度越大,钢水的二次流现象越明显,热区位置越高。     

圆坯结晶器电磁搅拌过程三维流场与温度场数值模拟

建立了描述圆坯连铸结晶器电磁搅拌过程的三维数学模型．采用有限元和有限体积结合的方法求解Maxwell方程组和湍流Navier—Stokes方程,分析了结晶器电磁搅拌过程的磁场、流场、温度场和夹杂物轨迹特征,并考虑了励磁电磁强度和频率的影响．研究表明,磁场模拟结果与现场实测数据一致,电磁力在圆坯水平截面上呈周向分布．钢液在结晶器纵截面内形成两对回流区,且在水平截面内旋转流动;过热钢液滞留在结晶器上部区域,铸坯芯部温度迅速降低,凝固前沿温度梯度提高;大部分夹杂物积聚到结晶器上部区域旋转运动．励磁电流强度和频率对结晶器内钢液的流动、温度分布及夹杂物运动均有明显影响．     

3D NUMERICAL SIMULATION OF FLOW FIELD AND TEMPERATURE FIELD IN A ROUND BILLET CONTINUOUS CASTING MOLD WITH ELECTROMAGNETIC STIRRING

建立了描述圆坯连铸结晶器电磁搅拌过程的三维数学模型. 采用有限元和有限体积结合的方法求解Maxwell方程组和湍流Navier-Stokes方程, 分析了结晶器电磁搅拌过程的磁场、流场、温度场和夹杂物轨迹特征, 并考虑了励磁电磁强度和频率的影响. 研究表明, 磁场模拟结果与现场实测数据一致, 电磁力在圆坯水平截面上呈周向分布. 钢液在结晶器纵截面内形成两对回流区, 且在水平截面内旋转流动; 过热钢液滞留在结晶器上部区域, 铸坯芯部温度迅速降低, 凝固前沿温度梯度提高; 大部分夹杂物积聚到结晶器上部区域旋转运动. 励磁电流强度和频率对结晶器内钢液的流动、温度分布及夹杂物运动均有明显影响.     

电磁搅拌宽厚板结晶器内钢液流动和液面波动

为合理控制宽厚板结晶器内的钢液流动和液面波动,提高铸坯质量。通过数值模拟的方法研究了2 200 mm×250 mm连铸结晶器内的钢液流动和液面波动行为。考察了搅拌位置对流动和液面波动行为的影响规律。结果表明,电磁搅拌可增强上回流区域钢液流动,有利于均匀钢液成分和温度。电磁搅拌可使水口附近钢液的流速增加约0.04 m/s,增强了对水口附近钢液的搅拌。提高搅拌位置,搅拌产生的水平旋流增强了下返流流速,使熔池内下涡心位置上移。钢液的水平旋流使上返流发生偏转,减弱了上返流流速,降低了对液面的直接冲击,减小液面波动。适当提高电磁搅拌器位置有利于控制液面波动。电磁搅拌器中心位置Y=-0.1 m时,液面波动可由7.5 mm降低到3 mm以内,可减小液面卷渣,流场具有很好的对称性。     

板坯连铸结晶器内钢液过热消除过程的数值模拟

利用数值模拟方法研究了连铸结晶器内钢液的三维温度分布和传热,分析了水口浸入深度、水口侧孔倾角、结晶器宽度、拉速、钢液过热度、吹Ar、电磁制动及吹Ar量和电流强度等对结晶器内过热钢液的温度分布和传热的影响.结果表明,凝固坯壳前沿的最大热量传入处出现在结晶器窄面的钢液冲击点附近,钢液的大部分过热耗散发生在这一区域附近;过热钢液传递到凝固坯壳表面的热流量与拉速和过热度的增加成正比;吹Ar导致结晶器窄面冲击区域和宽面上部区域的热流密度增加;电磁制动有利于提高结晶器上部区域的温度,但对热流密度分布没有明显影响;吹Ar和电磁制动的双重作用使结晶器上部区域的宽面热流密度提高,冲击区域的热流密度分布没有明显变化.     

水口结构对连铸GCr15钢二冷区温度场的影响研究

以连铸GCr15钢二冷区钢液凝固过程为研究对象,基于有限体积法建立铸坯流场和温度场三维模型,分析不同水口结构对连铸GCr15钢二冷区温度场分布规律的影响。结果表明,与直通水口对比,旋转水口能增强结晶器内旋涡流动,二冷区出口凝固率较大。增加侧出口数目,铸坯温度降低速率加快。但钢液结晶会释放大量潜热,坯壳增长速度没有温度下降速度快。     

电磁搅拌作用下板坯结晶器内金属液流动行为实验研究

以水银为实验介质,通过物理模拟实验,考察板坯连铸结晶器电磁搅拌中,搅拌电流和水口出口角度对结晶器内金属液流动的影响。在搅拌电流分别为0、50、60 A和水口出口角度分别为0°、15°、25°时,采用超声波多普勒测速仪测量模型内金属液的流速分布。结果表明:电磁搅拌的施加改变了结晶器内金属液流场分布,提高了金属液的流速,降低了自由液面的稳定性,使金属液冲击深度变浅;随着搅拌电流的增大,金属液流速、液面湍流度及冲击深度有增大的趋势;当水口出口角度为15°时电磁搅拌效果较佳。     

旋流水口对小方坯连铸结晶器流场影响的水模拟

通过在连铸水口的水力学模型内安置的旋流叶轮模拟了水口电磁搅拌的作用,使模型实验中水口出流呈螺旋状流态.用超声波Doppler测速仪定量测量结晶器模型内液流的垂直及水平速度,检验水口电磁搅拌的效果,分析有效的工艺参数.结果表明,旋流式水口有利于改善结晶器内的流场,有效降低冲击深度,增大液流向弯月面区域的回流和热流上传,使液面形成水平环流,提高了液面的活跃程度,增强钢水表面融渣的效果.     

连铸板坯辊式电磁搅拌多场耦合模拟

基于库伦规范的Maxwell方程组与标准[k-ε]湍流模型,在考虑铸机结构与铸坯凝固的条件下建立了电磁搅拌传输数值计算的模型。研究了连铸板坯二冷区辊式电磁搅拌凝固坯壳形状与钢液流场的相互影响。结果表明：相对于不考虑凝固,凝固坯壳明显减弱了电磁搅拌强度;凝固坯壳使得钢液流速降低,回流区影响范围减小。电磁搅拌作用下的流场与传热影响凝固坯壳的形状。     

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.     

连铸圆坯电磁搅拌下的流场-温度场数值模拟

以准430 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。分析在电磁搅拌的情况下,改变其拉速、水口插入深度和浇注温度,结晶器内钢液的流场和温度场分布情况。基于数值模拟结果,选择合适的工艺参数可以提高铸坯的等轴晶数量,改善铸坯的质量。     

大方坯皮下负偏析带形成过程的数值模拟

针对某钢厂大方坯连铸过程中铸坯内部质量问题,通过耦合电磁-流动-热-溶质传输,建立多尺度、多物理场的三维数学模型,研究了高碳钢大方坯皮下负偏析带的形成过程。结果表明,铸坯皮下负偏析带是铸坯凝固前沿钢液流速和凝固速率共同作用的结果。对于四孔水口大方坯,铸坯皮下会经历两次负偏析,第一次负偏析是由水口射流造成的,第二次负偏析是由结晶器电磁搅拌造成的。磁搅参数的改变只会影响电磁搅拌影响区的负偏析程度,而不会影响负偏析带在铸坯中的位置及宽度,也不能改善铸坯中心的正偏析度。     

大方坯连铸结晶器电磁搅拌三维电磁场与流场的数值模拟

建立了描述大方坯连铸结晶器电磁搅拌过程的电磁场和流场三维数学模型,并分别用有限元、有限体积法进行数值求解,对电磁场计算结果进行了实测检验.结果表明,电磁力在水平面上呈周向分布,铸坯边缘上的切向电磁力在搅拌器中心横截面上最大,在结晶器出口处有一峰值.钢液在横截面内旋转流动,而在纵截面内形成4个旋涡.在铸坯内,从水口向下吐出的钢水与向上回流的钢水流股相冲突,使流股侵入深度变浅,同时使流股向四周发散,从而有利于传热.励磁电流强度与频率对电磁力和流场均有影响.     

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。     

帘线钢82B小方坯电磁搅拌结晶器多场传输行为

连铸电磁搅拌结晶器内钢液流动、传热、传质和凝固行为十分复杂且对铸坯质量影响巨大,为了进一步揭示电磁搅拌结晶器内多物理场传输行为及其相互影响规律,建立了电磁场作用下三维多物理场耦合连铸凝固模型,模拟研究了结晶器电磁搅拌对帘线钢82B小方坯连铸过程的影响。结果表明,随着搅拌电流强度增大,钢液流动加强;结晶器出口附近铸坯中心纵向流速先减小,进而流速反向,之后反向的流速增大,促进热量散失,加剧了小方坯皮下负偏析,同时促进了钢液池溶质浓度提高。当搅拌电流为280 A时,搅拌器中心铸坯横截面上最大切向速度达到0.23 m/s,距离弯月面1.5 m位置,负偏析低谷碳的质量分数为0.706%,铸坯中心碳的质量分数达到了0.872%。     

不同浸入式水口250 mm×1800 mm板坯连铸过程模拟

通过水模型物理模拟和数值模拟的方法研究某钢厂3种不同水口在250 mm×1 800 mm板坯连铸过程中对钢液流场、弯月面和温度场的影响。结果表明:1#水口弯月面钢液不够活跃,不利于液渣上浮;2#水口存在结晶器上部温度低,结晶器凝固坯壳薄的问题;3#水口具有能促进液渣层分布均匀,提高结晶器上部温度的优点。250 mm×1 800 mm板坯连铸过程中,3#水口使用效果良好。