板坯连铸结晶器内氩气泡行为的模拟研究

针对氩气泡在板坯连铸结晶器中的运动行为,以190 mm×1 900 mm板坯连铸结晶器原型为研究对象,采用水力学模型及数值模拟的方法,重点研究了拉速为1.7 m/min时不同水口吹气量对结晶器内气泡大小、气泡分布、液面波动、渣-金行为等的影响。研究结果表明:随着水口吹气量增加,气泡尺寸逐渐增加,结晶器窄边气泡数量不断减少,气泡大都聚集在水口附近上浮,水口吹气量是引起乳化卷渣、水口附近液面裸露及卷渣等的主要因素。     

水口吹氩工艺板坯结晶器内气泡运动行为的物理模拟

以1300 mm × 230 mm板坯连铸结晶器的相似比0.4的物理模型,研究了拉速1.1 m/min、水口插入深度160 mm、水口吹气量0～15 L/min时连铸结晶器内气泡的运动行为,及其对钢液流股冲击深度、液面波动和液面裸露的影响。实验结果表明,随水口吹气量增加,结晶器内气泡的数量和尺寸都有所增加,气泡在钢液内水平方向扩散范围增大,且气泡最大穿透深度亦增加;当水口吹气量增大到5 L/min时,气泡逸出后在液面由全部向水口方向运动变为以集中逸出位置为中心的四散运动。     

结晶器内氩气泡分布及钢渣界面波动行为

建立了1∶0.6的结晶器水模型和结晶器原型数学模型,采用高速摄像机及分析软件研究了连铸工艺参数对结晶器水模型内气泡分布行为的影响;采用离散相模型和VOF模型的数学模拟方法,研究了连铸工艺参数对结晶器内气泡分布和钢渣界面波动行为的影响。结果表明,通过数学模拟获得的结晶器内气泡分布和水模型试验结果吻合性较好;增加吹氩量,结晶器内氩气泡尺寸增大,分布更均匀;吹氩可以降低结晶器窄面附近区域钢液的波高,但会导致水口附近波动加剧;增大拉速时,结晶器内氩气泡尺寸减小,分布更均匀,结晶器窄面波高增大,水口附近液面波高显著降低;增大水口倾角和浸入深度,有助于抑制水口附近和窄面附近的波动,气泡在结晶器内的分布相对较为均匀,气泡尺寸变化不显著。拉速为1.2 m/min、水口倾角为15°、水口浸入深度为160 mm,较优的吹氩量为4 L/min。研究结果可以为优化工艺参数、防止钢液卷渣、提高铸坯质量提供理论依据。     

板坯结晶器水模型内气泡运动行为的数学模拟

建立了吹氩板坯结晶器水模型内气泡运动行为的数学模型.以水模型实验获得的整个结晶器内各气泡尺寸和数量浓度为气泡的初始条件,对不同尺寸气泡的运动行为进行数值模拟.结果表明:当水流量为2.54 m3/h,气流量为0.037m3/h,水口浸入深度为78 mm时,气泡都分布在上回流区,没有卷入下回流区.较大的气泡在水口附近上浮,较小的气泡在距离水口较远的区域上浮.这和实验结果相吻合.     

异型坯结晶器内钢水流动和凝固过程的耦合数值模拟

基于传热与流动的耦合模型,分析研究了水口形状对异型坯结晶器出口坯壳厚度的影响.结果表明:采用直通型水口时,结晶器高度方向450～550mm时钢液冲刷严重,使得凝固的坯壳发生重熔现象,从而导致此处结晶器出口坯壳较薄;采用侧开孔型水口时,在结晶器上部,尤其在结晶器高度方向200mm以上,由于钢液的冲刷,腹板中心和翼缘角部没有形成一定厚度的坯壳,而在300mm左右坯壳逐渐形成并和已凝固坯壳连接到一起,随着结晶器高度的增加,结晶器内形成的坯壳厚度也逐渐增厚,在结晶器出口坯壳的厚度也较均匀.     

304不锈钢板坯连铸结晶器水口结构优化的数值模拟

通过数值模拟研究了304不锈钢200mm×1 550 mm板坯结晶器内用原水口时的钢液流场及钢-渣界面的特征。结果表明,原水口的结晶器流场的上回流过强,钢-渣界面的不稳定,结晶器窄边渣液层薄,易发生卷渣和钢液裸露;最优化水口结构为将原水口V型底部改成凹型、增加水口出口形状的锥度、向上倾角10°。     

非稳态浇铸对结晶器卷渣定量影响的大涡模拟

 基于实际板坯连铸结晶器建立了耦合大涡模拟(LES)湍流模型和VOF多相流模型的三维数值模拟模型,讨论了不同结晶器浸入水口(SEN)结瘤程度和SEN未对中分布对结晶器内瞬态多相流场及卷渣行为的影响。通过用户自定义程序成功实现了不同工况下结晶器内卷入渣滴数量、大小、空间分布等信息的定量化预测,并得到了弯月面不同位置处发生卷渣的概率分布。结果表明,水口顺时针旋转5°的未对中分布下由于钢液射流更多地撞击宽面,导致弯月面近窄面处液位分布有轻微降低,液位波动也从理想状态下的±(6~7) mm降低至±5 mm以内。SEN结瘤对弯月面液位波动有较大影响,SEN左侧完全堵塞、右侧未堵塞情况下液位波动增大至±11 mm左右,而SEN左侧堵塞2/3且右侧堵塞1/3情况下弯月面液位波动则增大至±15 mm左右。理想工况下净卷渣速率为0.0130 kg/s,卷渣主要发生在弯月面四周以及流股碰撞处。SEN未对中布置工况下净卷渣速率轻微降低至0.009 3 kg/s,但宽面附近卷渣概率明显增大。SEN左侧完全堵塞且右侧未堵塞和SEN左侧堵塞2/3且右侧堵塞1/3情况下净卷渣速率则分别增大至0.045 5 kg/s和0.0670 kg/s;卷渣主要由过大的钢液流速对弯月面的剪切作用造成,且主要位于水口至1/4结晶器宽度的范围内。水口结瘤后不对称流动造成的旋涡增加,由此引起的卷渣也相应增加。     

中间包上水口环形吹氩下气泡大小和迁移行为研究

摘要：通过水模型实验研究了上水口环形吹氩工艺下中间包和结晶器内气泡形貌,并结合数值模拟分析了透气砖位置、拉坯速度和吹氩量对中间包和结晶器内气泡尺寸、气泡迁移和中间包近液面钢液流动的影响。结果表明：上水口环形吹氩形成以塞棒为中心的圆台状气泡羽流,气泡浓度沿径向向外逐渐减少;附壁效应使得气泡羽流偏向塞棒壁面流动,增大气泡的碰撞聚并概率和近塞棒壁面的羽流上升速度,对中间包液面产生较大冲击作用;同时,部分细小气泡会随钢液进入水口及结晶器内部;增大吹氩量,中间包内环形气泡羽流中气泡数目明显增多,中间包近液面钢液上升速度增大;增大拉坯速度,环形气泡羽流的宽度和气泡数量逐渐减小,近液面速度减小;增大透气环距水口中心距离,中间包内气泡弥散度增大,环形气泡羽流宽度也随之增大,气泡羽流对中间包液面冲击作用减弱;增大吹氩量和拉坯速度、减小透气环距水口中心距离,进入结晶器的气量和气泡尺寸逐渐增大。实验条件下,透气环内外径为110mm/140mm、拉坯速度为1.2m/min时,吹氩量为4L/min较为合适。     

亚包晶钢板坯纵裂成因与浸入式水口改型

针对某厂连铸机浇注亚包晶钢板坯表面纵裂纹发生率较高的问题,分析了双侧孔浸入式水口对裂纹形成的影响。在此基础上对浸入式水口结构进行优化,开发了新型浸入式水口。通过模拟研究和生产应用分析,对比了双侧孔浸入式水口与新型浸入式水口结构的差异以及两者对结晶器内流场和温度场的影响。结果表明,采用双侧孔水口浇注时,结晶器钢液流场和温度场分布不合理,导致结晶器内液渣层厚度不均匀,尤其是水口与结晶器壁之间位置液渣层厚度偏薄,从而诱发了板坯表面纵裂纹缺陷的大量发生,纵裂纹集中在板坯宽面中心400 mm范围,裂纹长度50～1 200 mm,深度2～12 mm;采用新型浸入式水口更有利于水口与结晶器壁间钢液流动,增加水口出入口钢液束流能力,使结晶器内钢液流场对称、温度场分布均匀、液渣层厚度均匀增加,亚包晶钢板坯表面纵裂纹改善显著,表面纵裂纹发生率由10.9%降低至1.5%。     

静磁场下气泡在板坯连铸结晶器内运动行为的物理模拟

以水银和氩气作为模拟介质,通过物理模拟研究了高拉速板坯连铸结晶器内电磁制动和水口吹氩耦合作用下的气泡运动和分布行为.采用电阻探针测量了结晶器内气泡的运动和分布情况,分析了磁场、吹氩量等不同工艺参数对气泡占空比、气泡数量和气泡脉冲宽度的影响规律.实验结果表明:在一定的拉速条件下,施加磁场改变了气泡在结晶器内的分布规律,有利于气泡的上浮,降低了气泡在结晶器内的冲击深度,减少了到达结晶器窄面的气泡数量;磁场的施加和吹氩量的增加都使得脉冲宽度较大的气泡数量增多,且主要集中在结晶器1/4宽度和水口之间区域.

     

Mathematical Modeling of Multi-sized Argon Gas Bubbles Motion and Its Impact on Melt Flow in Continuous Casting Mold of Steel

The 3D turbulence k-ε model flow of the steel melt(continuous phase)and the trajectories of individual gas bubbles(dispersed phase)in a continuous casting mold were simulated using an Eulerian-Lagrangian approach.In order to investigate the effect of bubble size distribution,the radii of bubbles are set with an initial value of 0.1-2.5mm which follows the normal distribution.The presented results indicate that,in the submerged entry nozzle(SEN),the distribution of void fraction is only near the wall.Due to the fact that the bubbles motion is only limited to the wall,the deoxidization products have no access to contacting the wall,which prevents clogging.In the mold,the bubbles with a radius of 0.25-2.5mm will move to the top surface.Larger bubbles issuing out of the ports will attack the meniscus and induce the fluid flows upwards in the top surface near the nozzle.It may induce mold powder entrapment into the mold.The bubbles with a radius of 0.1-0.25mm will move to the zone near the narrow surface and the wide surface.These small bubbles will probably be trapped by the solidification front.Most of the bubbles moving to the narrow surface will flow with the ascending flow,while others will flow with the descending flow.     

首钢板坯连铸技术进步

回顾了近十年来首钢为生产优质冷轧钢板和特厚钢板而开发的板坯连铸新技术。为了降低优质冷轧钢板表面冶金缺陷,开发了浸入式水口防堵塞技术、结晶器内钢液流动综合控制技术和中高拉速FC结晶器技术等。综合应用这些技术后,水口堵塞率降低60%以上,结晶器液面波动±3 mm比例提高至98%以上,冷轧钢板表面卷渣缺陷指数降低50%以上。为了提升特厚钢板的冶金质量,开发了特厚板坯窄面鼓肚控制技术、倒角结晶器连铸技术、半干法连铸技术和二冷间歇式喷淋等技术,400 mm厚板坯窄面鼓肚量降低至5 mm以下,含铌微合金化钢板坯表面裂纹发生率大大降低。开发了特厚板坯连铸轻压下技术,中心偏析C类1.0级及以下比例达到100%,确保了150 mm特厚钢板的心部韧性达到100 J以上。     

板坯连铸结晶器内非对称流动现象的数值模拟

基于流体力学基本原理,采用Fluent软件建立板坯连铸结晶器及浸入式水口的三维有限元体积模型,模拟研究了水口不对中和水口单孔结瘤条件下结晶器内流体的流动特征和温度场分布状况.结果表明:水口对中不良时,结晶器两侧回流明显不对称,液面会产生旋涡,水口偏向侧温度高于水口偏离侧;水口出口单孔结瘤时,未结瘤侧流股增强,液面流速增大,并且液面有涡流产生,结瘤侧新鲜钢液减少,温度偏低.     

板坯连铸结晶器内水口结瘤对钢液流动行为的影响

 根据现场调研结果,采用物理模拟和数学模拟相结合的方法,系统地研究了浸入式水口单侧结瘤对结晶器内流场、液渣层以及气泡的影响,同时,还考察了不同体积的结瘤物脱落进入结晶器后的运动轨迹。研究结果表明,水口单孔结瘤将导致结晶器两侧流场不对称。相比较于结瘤侧,未结瘤侧流量增加,流股冲击增强,保护渣卷入钢液的几率增大,同时,未结瘤侧的气泡数量增多,气泡穿透深度增大。此外发现,不同体积结瘤物脱落进入结晶器后,粒径较大者更容易上浮至结晶器液面。     

倒角连铸坯角部纵向裂纹形成机制及控制

 倒角结晶器是控制板坯角部横向裂纹的有效方法之一,但角部纵向裂纹是倒角连铸坯易发的缺陷,这成为了倒角结晶器大规模应用的最大障碍。通过研究倒角结晶器生产工艺参数、设备精度以及喷嘴堵塞等因素对倒角连铸坯角部纵向裂纹的影响,确定了角部纵向裂纹发生的机制。研究表明,倒角结晶器窄面锥度不合理、0段和1段连接偏差以及喷嘴堵塞等是角部纵向裂纹产生的主要原因。通过采取有效措施,可以将倒角连铸坯角部纵向裂纹发生率降低到0.6%以下,使得倒角结晶器实现大规模的工业应用。     

立式板坯连铸机结晶器内流场的数值物理模拟

采用1:1的水模型研究了200 mm×1:300 mm立式板坯连铸结晶器内流场和在水口浸入深度115mm、拉坯速度0.55 m/min时水口结构参数(侧孔尺寸40 mm×40 mm～40 mm×80 mm,侧孔角度+15。～一15。)对液面波动的影响,基于流体力学计算,利用Fluent软件和采用κ-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三维数值模拟。结果表明,数值模拟结果与物理模拟结果较吻合;水口结构参数对液面湍动能的影响较明显;在1~#～4~#水口中,2~#水口(40 mm×40 mm,+15°,向下,倒Y形底部)的使用性能相对较好;流股的冲击速度越浅,自由液面湍动能越大。     

异形坯连铸充型凝固过程数值模拟

利用CFD商用软件Flow-3d,对单双水口Q215钢750 mm×450 mm×120 mm异形坯连铸结晶器内钢水充型凝固过程进行数值模拟,得到了速度场、温度场的分布图和充填过程自由表面的位置和形状图。分析了单双水口模型对速度场及凝固的影响。结果表明,双水口模型可以减轻结晶器上部回流的强度,减小冲击深度,提高传热效率,加快结晶器内钢液的凝固速度,有助于提高铸坯的质量和提高拉速。     

宽规格板坯连铸结晶器浸入式水口的数值模拟

利用Fluent计算软件建立三维数学模型对马钢板坯连铸结晶器内钢液的流场和温度场进行数值模拟研究,并进行正交试验,分析了水口浸入深度(150～190 mm) 、水口侧孔倾角(-10°～-16°) 、水口侧孔与中孔的截面积比值(2,2～3.2)对拉速0.9 m/s,230 mm×1800 mm结晶器内钢液流动的影响。研究结果表明,水口浸入深度和倾角对结晶器液面波动F数和凝固坯壳厚度的影响较为显著。对于浇铸断面230 mm×1800 mm的结晶器浸入式水口的最佳工艺参数为:浸入深度170 mm、水口侧孔倾角13°、侧孔出口与中孔面积比2.7。