连铸结晶器内液面波动及卷渣行为的物理模型研究

根据相似原理建立连铸结晶器的物理模型。分别用煤油、真空泵油、液体石蜡模拟连铸结晶器保护渣,并通过改变拉速和水口插入深度,模拟连铸结晶器内液面波动及卷渣行为,确定卷渣发生的主要位置。     

连铸坯拉速对结晶器卷渣现象的影响

高拉速连铸具有高效、低成本的特点,是未来连铸的发展方向。以常规板坯结晶器为研究对象,采用大涡模拟方法对结晶器内的卷渣现象深入分析。结果表明,在连铸坯拉速较低的情况下,结晶器流场较为稳定,钢液冲击速度较小,上返流速度较小,界面波动幅度不大。在高拉速的情况下,钢液冲击速度增加,渣金界面速度及卷渣数量明显提高。通过界面最大速度分析,建立了一个临界卷渣速度的计算准则,发现不同拉速情况下的临界卷渣速度是不一样的,造成这种现象的原因在于卷渣机理的不同。本模型对控制常规板坯高拉速连铸生产具有一定指导意义。     

板坯连铸结晶器边部卷渣的水模型研究

以某钢厂板坯连铸结晶器为原型,采用1：1的水模型研究方法,系统地研究了不同连铸工艺和操作参数下,结晶器边部保护渣卷入同结晶器液面波动和表面流速之间的关系,结果得出临界卷渣液面波动值和临界卷渣表面流速值。     

基于ANSYS的45钢结晶器内传热分析

采用液面波动VOF和传热模型,运用ANSYS CFX有限元仿真软件构建薄板坯在结晶器内的波动状况和温度场分布。通过有限元计算可知:液面波动VOF模型可以有效地对三维结晶器液面波动进行模拟;通过仿真研究拉速与液面波动的关系和拉速与温度场的关系,得出随着拉速的增大,液面波动加剧,卷渣增多,结晶器出口处的温度增大。     

连铸结晶器内液面波动研究

根据相似理论,建立物理模型来测量结晶器内液面波动及渣金界面发生卷渣时的临界拉速。通过傅立叶变换和谱分析理论,分析结晶器液面波动对卷渣的影响,确定对卷渣产生主要影响的波动频率范围。     

电磁制动技术的发展及在板坯连铸结晶器中的应用

总结了板坯连铸结晶器中电磁制动技术的发展、研究状况以及冶金效果。电磁制动技术可以控制结晶器内钢液的流动、稳定弯月面、减少卷渣现象,有利于结晶器内夹杂物的上浮及去除,从而提高铸坯的质量,且为提高铸坯拉速创造了条件。结果表明电磁制动的影响因素有板坯宽度、浇注速度、浸入式水口（SEN）的形状等。     

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 本文根据相似理论,建立物理模型来测量结晶器内液面波动及渣金界面发生卷渣时的临界拉速。通过傅立叶变换和谱分析理论,分析结晶器液面波动对卷渣的影响,确定对卷渣产生主要影响的波动频率范围。     

直通型水口浸入深度对220 mm×260 mm方坯结晶器流场影响

结晶器内钢液流动状态会直接影响铸坯的质量,不合理的流场会导致液面流速过大,弯月面波动过大,造成卷渣。采用几何相似1：1水模型和Fluent流体力学软件研究了220 mm×260 mm方坯结晶器直通型水口浇注下,不同浸入深度对结晶器液面波动、表面流速、流场分布、冲击深度、保护渣覆盖的影响。结果表明：直通型水口流股集中,冲击深度较大,液面波动均匀,波动受浸入深度和拉速的影响较小。保护渣渣层覆盖良好,渣层均匀,出现卷渣的可能性较小。综合考虑冲击深度,保护渣活跃程度,结晶器电磁搅拌的影响,现场合适的浸入深度为80～100 mm。     

板坯连铸结晶器内流场与钢-渣界面波动性数值模拟分析

基于Fluent商用有限元平台,以1 300×200 mm板坯连铸结晶器为研究对象,结合其实际生产工艺,利用VOF方法建模计算,并追踪结晶器内钢-渣界面运动;分析了拉速和水口浸入深度对系统流场和钢-渣界面波动性的影响规律,并通过水模实验验证了仿真模型准确性。同时,结合实际生产情况给出了结晶器钢-渣界面稳定性的控制措施。结果表明,拉速的增加会加剧结晶器弯月面处的界面波动,浸入深度的增加可有效抑制钢-渣界面波动,避免卷渣现象发生;根据数值模拟结果,为获得稳定流场和减少界面波动,建议的工艺匹配值为:拉坯速度1.2 m/min,水口浸入深度280 mm。     

连铸垂直段结晶器-弯曲二冷段内漩涡运动的大涡模拟

构建一种描述连铸垂直段结晶器-弯曲二冷段内漩涡运动行为的大涡模拟,通过水模拟试验验证模型预测连铸机内漩涡运动过程的准确性,研究连铸垂直段结晶器-弯曲二冷段内漩涡形成、运动和发展的演变过程,定量解析不同工艺条件下漩涡运动过程的振荡频率。结果表明,连铸过程中漩涡分布、运动在时空范围上具有湍动性和非对称性,维持结晶器内自振荡流型。漩涡运动过程的振荡频率与连铸拉速、水口(SEN)插入深度相关。连铸拉速从1.1m/min增加到1.7m/min,漩涡运动振荡频率从0.06Hz增加到0.22Hz,峰值的幅值增大到0.2;SEN插入深度从90mm增加到120mm,频率从0.26Hz减小到0.15Hz,峰值幅值相应减小到0.02。     

板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动及流动行为的数值模拟

建立了板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动行为的三维数学模型,利用数值模拟方法研究了磁场与流场耦合作用下不同工艺参数和电磁参数对结晶器内钢/渣界面波动行为及流场的影响,通过VOF方法对不同条件下的钢/渣界面进行捕捉,讨论不同磁极位置、水口倾角、拉速及线圈电流强度对结晶器内钢/渣界面波动行为和流动的影响。模拟结果表明：电磁制动的施加可以显著降低钢/渣界面波高,减小射流对结晶器窄面的冲击。拉速和水口浸入深度恒定时,磁极位置和水口角度直接影响结晶器内流场形式：当[P＝]40 mm时,增加线圈电流可以降低结晶器内钢/渣界面波高和表面流速,从而减小由液面波动引发卷渣的概率;当磁极距离水口较远时[（P＝]80 mm）,随着线圈电流强度的增大,水口射流的冲击方向向上偏转,引起上回流的流动强度增强,导致钢/渣界面波高增加,增大卷渣发生的概率。     

方坯连铸结晶器内表面流速与卷渣行为模拟

针对中小断面方坯侧分水口浇铸技术,以实际180 mm×240 mm断面方坯连铸结晶器为原型,基于相似原理,采用1：1的物理模型,比较了直通型和侧分旋流型水口浇注时在不同拉速和浸入深度下的结晶器内自由表面流速和渣层状态。结果表明：相同的浸入深度和拉速下,旋流型水口浇注时结晶器内各测点表面流速比直通型水口大;在实验条件下,直通型水口表面流速为0.010～0.023 m/s,旋流型水口为0.010～0.055 m/s,拉速和浸入深度对旋流型水口表面流速的影响较直通型水口显著;此外,采用旋流水口时结晶器的渣层波动要比采用直通型水口时频繁,拉速1.0 m/min、浸入深度120 mm时,其渣层波动适宜,钢渣界面活跃且无卷渣和裸钢现象发生,此时两测点的表面流速分别为0.028和0.032 m/s,是较适宜的工艺条件。     

板坯高拉速连铸台阶状水口的水模型研究

采用全比例水模型研究了一种用于板坯高拉速连铸的新型台阶状水口的流场、液面特征、液渣分布与流股特征。研究发现： 与原水口相比,使用该水口后结晶器内流场对称性更好;新水口在拉速2.4 m/min下平均波高最大值为 5.3 mm,比原水口最大值（6.4 mm）小17%,液位波动的FFT分析表明：新水口下液面波动频率集中在1.2 Hz (振幅为0.46 mm),而原水口液面波动频率集中在1.1Hz,振幅0.7 mm;使用新水口在高拉速下结晶器的表面流速为0.28 m/s,比原水口(0.41 m/s)小32%,且自由液面波峰波谷差和液渣层裸露面积均小于原水口;水口作用机理分析表明：由于新水口台阶的混合作用,促使水口出口两侧流股对称性更好,更有利于稳定液面和减少卷渣。     

电磁搅拌对液态夹杂物聚并及去除行为的影响规律

高拉速连铸具有高效、低成本的特点,是未来连铸的发展方向。以常规板坯结晶器为研究对象,基于大涡模拟理论及欧拉-拉格朗日方法,对CSP结晶器内的多相流动及夹杂物碰撞聚并及去除行为展开深入分析。结果表明,电磁搅拌加剧了钢液在结晶器中的湍流强度,并促使更多夹杂物聚并上浮至渣金界面。并且,由于水平方向流速较大,钢液射流被限制在了电磁搅拌区域,显著降低了钢液射流深度,有利于夹杂物上浮。此外,由于电磁力的存在加剧了渣金界面波动,容易造成卷渣,因此,电磁搅拌对夹杂物的去除影响是双向的,既会提升内生夹杂物去除率,也会增加外来夹杂物的卷入风险。本模型对控制CSP结晶器连铸过程具有一定指导意义。     

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。     

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。     

吹氩板坯连铸结晶器内钢/渣界面行为的数值模拟

利用VOF方法和Lagrange两相流模型描述了吹氩结晶器内钢/渣界面行为,并用水模型实验检验了数值模拟结果.在此基础上考察了吹氩量、拉速、结晶器宽度、水口浸入深度及气泡尺寸对钢/渣界面卷混的影响规律.结果表明:拉速为1.8 m/min时,增大吹氩量,结晶器的上回流区逐渐消失,气泡对界面的扰动则不断加剧;吹氩量一定时,拉速由1.2 m/min增至2.2 m/min的过程中,气泡的冲击深度增加,氩气泡对钢液流型和界面形状的影响减弱;增加水口浸入深度对抑制吹氩下界面波动作用明显,而结晶器宽度对此影响较小;气泡尺寸显著影响钢/渣界面行为.     

常规板坯连铸提拉速的研究和实践

高效连铸的核心是高拉速。为提高连铸拉速,对铸机的最高拉速进行了理论计算,对提拉速实践过程中板坯的低倍形貌、宽度控制、热装表面裂纹和结晶器卷渣质量问题进行了研究分析,通过提高铸机精度、均匀二冷水、调整结晶器下口宽度、控制板坯入炉温度及采用新型结晶器浸入式水口等方式,解决了相关质量问题,使拉速提高了15%。     

特厚板坯结晶器内液面波动影响因素的研究

以国内某钢厂特厚板坯连铸结晶器作为研究对象,采用1∶2模型进行水模拟实验,通过DJ800型多功能监测系统,研究了不同拉速和水口插入深度对连铸特厚板结晶器液面波动的影响。实验结果表明:同样的插入深度下提高拉速或者相同的拉速下减小插入深度都会使结晶器液面波动增加。     

薄板坯连铸及其铸坯表面缺陷的形成机理

薄板坯连铸连轧技术已成为了钢铁冶金技术发展的主要趋势之一,但薄板坯连铸具有拉速高、凝固速度快、铸坯宽厚比大等特点,使得铸坯容易出现表面夹渣、表面裂纹等缺陷,而这些铸坯表面缺陷问题的产生与结晶器流场、温度和热流分布有直接的联系。因此,对薄板坯连铸结晶器内高温动态行为进行系统地概述,并在此基础上分析了铸坯表面缺陷的形成机理。研究表明,薄板坯连铸结晶器内钢液流动更加紊乱、涡流速度更快,这不利于夹杂物的上浮,且容易导致卷渣的发生,增大铸坯表面夹渣缺陷产生的可能。此外,在钢液湍流和涡流的作用下,铸坯内温度分布不均,加上在高拉速下结晶器内热流更大,这使得铸坯表面更易产生裂纹缺陷。