独立可调式组合电磁制动分析

为了有效控制高拉速板坯结晶器内钢液流动和复杂多相流行为,介绍了一种新型的独立可调式组合电磁制动技术(FAC-EMBr)。采用数值模拟方法对FAC-EMBr结晶器内的电磁场特性和新型磁场控流行为进行研究。数值模拟结果表明,FAC-EMBr的施加可以在结晶器的上、下回流区和弯月面区域形成均匀分布的磁场,进而对3个主要区域内钢液流动进行控制;水平磁极和立式磁极的共同作用可以显著降低钢液射流对结晶器窄面冲击强度,减小上回流和下回流钢液流速;与未施加电磁制动和施加EMBr ruler相比,施加FAC-EMBr后,弯月面波高降低至14.5 mm,即使在高拉速条件下(2.2 m/min),FAC-EMBr的施加也可达到有效的控流效果。     

电磁制动对宽板坯高拉速结晶器内流场的影响

以Fluent6.3为计算平台,采用数值模拟方法研究了电磁制动不同参数下宽板坯高拉速结晶器内的流场。结果表明,电磁制动可有效控制结晶器内钢液的流动,改变钢液的流动方向,改善钢液上下环流区的分配率。在静磁场作用下,上部环流区的流动增强,下部环流区流动减弱,自由液面的波动减轻。     

板坯连铸结晶器电磁制动和吹氩过程的多相流动现象

利用数值模拟方法研究了高拉速连铸结晶器内电磁制动和吹氩耦合作用下的磁场、钢液流场和夹杂物行为,分析了电磁制动和吹氩量等不同工艺参数对结晶器内的钢液流动和夹杂物去除的影响规律.结果表明:电磁制动可明显减缓钢液流速(尤其是弯月面附近速度),但不利于小粒径夹杂物的上浮,5-50 μm的夹杂物上浮率由无电磁制动且不吹氩时的6.7%降低到3.3%;吹氩可增加整个上回流区钢液的向上运动趋势,粒径50 μm以下的夹杂物颗粒上浮率提高到8.9%;吹氩量增加使自由液面附近产生较强的漩流区,且容易产生二次涡流,直接影响液面波动情况和卷渣的发生;电磁制动和吹氩双重作用则有利于夹杂物上浮,5-50 μm小粒径夹杂物去除率可达12.2%,其被凝固坯壳的捕获率可降低到64.4%.     

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。     

EMBr对高拉速薄板坯钢水动态行为影响的模拟

在高拉速薄板坯的生产工艺研究中,结晶器内钢水流场是决定坯壳均匀性、液面卷渣概率等铸坯质量问题的关键因素。EMBr能够显著改变钢水流场,是改善这些问题的关键工艺技术。因此,对结晶器内钢水流场的模拟、分析与优化是必不可少的工作。以往的研究中,相关的数据与理论指导较少,针对薄板坯无头轧制产线,高拉速连铸机的分析与研究更鲜有报道。因此基于该高拉速连铸机,采用数值模拟方法获得了结晶器内不同电磁制动电流强度的磁感强度分布。采用电磁与多相流耦合模式,针对不同磁感强度条件下的结晶器钢水流场分布与液面形貌进行了仿真模拟,并分析了电磁制动对液面波动的影响。结果表明,基于固定的工况环境,电磁制动电流值为175 A时钢水流场分布均匀,钢水液面流速相对最低,最高流速约为0.6 m/s,同时液面高度差与剪切角相对最小。该条件最有利于减少因坯壳不均或液面卷渣造成铸坯缺陷的概率。电流值225 A相比125 A时,钢水液面位置磁感强度仅提高0.02 T,液面到达稳定时间仅缩短约1 s。因此存在综合评判下的最优电流值。     

二冷区电磁搅拌换向周期对薄板坯中心等轴晶率的影响

在高拉速的薄板坯连铸过程中，增加等轴晶率对提升连铸坯凝固质量的提升至关重要。采用三相凝固模型对三维全尺寸薄板坯连铸过程中的流动模式和等轴晶率进行数值预测，分析了二冷区电磁搅拌换向周期对薄板坯中心等轴晶率的影响。研究结果表明，高温钢液在漏斗型结晶器内迅速凝固，结晶器出口处的铸坯凝固率达37%。当采用恒定方向电磁搅拌时，熔池内部形成上下两个环流，两者被中间聚集的过热钢液分隔，上环流核心区钢液处于过冷状态。当采用换向电磁搅拌后，二冷区会形成四涡甚至五涡的流动模式。随着换向周期的增加，等轴晶率先增加后降低，换向周期为16 s时对等轴晶率提升最明显，相较于恒定方向搅拌提升了17%,并且等轴晶相分布更加均匀。     

电磁制动下钢液射流及钢-渣界面波动行为的数值模拟

建立了描述全幅一段电磁制动作用下结晶器内钢液射流及钢-渣界面波动行为的数学模型,采用数值模拟方法研究了不同电磁参数对结晶器内钢液射流及其引起的钢-渣界面波动行为的影响,分析了磁感应强度及水平磁极与浸入式水口之间距离变化对结晶器内钢液射流行为和钢-渣界面波动行为的影响。结果表明,当全幅一段电磁制动稳恒磁场同时覆盖射流冲击区域、上返流和下返流区域时(D=20mm),电磁制动的施加可以有效控制钢液射流结构,降低上返流和下返流钢液流速,稳定钢-渣界面波动;当电磁制动水平磁极与浸入式水口垂直距离较远时(D=220mm),增大磁感应强度不能对结晶器内上返流区域钢液流速进行抑制,不利于钢-渣界面波动的稳定,增大卷渣发生几率。     

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。     

内置式搅拌磁场对连铸空心铸坯内夹杂物分布影响

耦合求解了电磁场方程以及夹杂物守恒方程,考虑了夹杂物间的湍流碰撞以及斯托克斯碰撞,计算获得了拉速以及行波式电磁搅拌对结晶器内夹杂物分布的影响规律。结果表明,结晶器内夹杂物的运动规律与钢液的流动状态密切相关,拉速越大,钢液的浸入深度越深,则结晶器出口处夹杂物的数量越多,夹杂物的尺寸越小。施加行波式搅拌磁场可以使钢液流动加强,并减小钢液的浸入深度,有利于夹杂物的聚集长大上浮,结晶器内夹杂物的尺寸较大,但数量减少。因此,在连铸空心管坯内部施加搅拌磁场有利于去除钢中夹杂物,从而改善连铸空心管坯的质量。     

2.05 m/min高拉速低碳钢FC控流结晶器的应用

板坯高速连铸因具有减少设备投资、增产增效和降低物料消耗的优势而受到越来越多的关注。为解决低碳钢浇铸周期与精炼周期的匹配问题和进一步提高生产效率,某钢厂开展了结晶器电磁制动参数优化的高速连铸工艺技术研究,施加磁场后,随着上线圈电流由模式A增加到模式C,结晶器表面的钢液流速由0.35 m/s减小至0.21 m/s,结晶器内上部流场流速减弱,在高拉速下可明显起到降低表面流速的作用,随着吹氩流量从12 L/min增加至20 L/min,钢液表面流速增加,随着水口浸入深度的增大,结晶器内的流场形态变化不明显,2.05 m/min拉速下夹杂物指数较1.8 m/min拉速夹杂物指数明显降低。     

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。     

坯壳导电性对电磁制动结晶器多物理场的影响

采用雷诺时均方法,标准k-ε模型研究电磁制动下凝固坯壳导电性对板坯连铸结晶器内流场和电磁场的影响。计算了3种不同工况,1—忽略凝固坯壳导电性,2—凝固坯壳电导率取定值,该值等于钢液电导率,3—凝固坯壳电导率随温度变化,并对比了3种工况下感应电流、洛伦兹力、焦耳热及速度分布。结果表明,相较于凝固坯壳绝缘的情况,坯壳导电时,上环流减弱,下环流增强,环流涡心区域扩大;洛伦兹力、感应电流密度、焦耳热最大值出现在水口和射流区域,在制动区域内数值较高,随着远离制动区域而迅速衰减;坯壳导电时,数值和分布范围较坯壳绝缘时均有明显提高;电磁制动下坯壳导电性影响显著,因此模拟计算时凝固坏壳的导电性不应被忽略;由于凝固坯壳电导率接近钢液,因此工况2、3差异微小,由凝固坯壳导电引起的流场、感应电流密度分布和焦耳热分布的变化在工况2下变化幅度略大于工况3。     

Structural Optimization of Electromagnetic Swirling Flow in Nozzle of Slab Continuous Casting

During the slab continuous casting process, the flow field of molten steel in the mold plays a decisive role in the quality of the slab. In this paper, electromagnetic swirling flow in nozzle technology is proposed to control the flow field in mold.This technology can drive molten steel to rotate inside the submerged entry nozzle by electromagnetic force, thereby controlling the flow field. This research shows that it can reduce the impact of molten steel on the bottom of nozzle and partly reduce the negative pressure at the upper part of nozzle outlet which is even eliminated by optimizing the structure and angle of nozzle. The area of heat flux of the mold wall becomes larger, and the crest value of heat flux gets lower than that without swirling in nozzle and any nozzle optimization. The meniscus fluctuates smoothly, and the flow velocity at the top surface is within a reasonable range. The temperature field distribution in the mold is uniform which was beneficial to the growth of equiaxed crystal and decreased element segregation.     

高频电磁场对15CrMo连铸坯表面质量和等轴晶率的影响机理

采用小线圈法对结晶器内的磁场分布进行了测量,并对结晶器内磁场,电磁力和钢液流速分布进行了数值模拟.在实验室连铸机上进行了合金结构钢15CrMo的连铸实验,对连铸坯表面形貌进行了观察与分析.提出了高频电磁场对连铸坯质量影响的机理:施加高频电磁场后,保护渣通道拓宽,铸坯与结晶器壁间的渣道动压减小,有效地抑制了铸坯表面振痕的产生;受电磁场Joule热以及保护渣热阻增加的影响,已结晶同相的温度梯度减小,柱状晶生长受到抑制.此外,实验测量和数值模拟结果表明,由于磁场在拉坯方向分布不均匀,在弯月面区域形成上,下2个,,向相反的涡流,钢液环流造成固/液界面前沿液柑的温度梯度减小,有利于形成成分过冷而获得发达的等轴晶组织.     

高拉速薄板坯连铸结晶器钢渣界面波动分析

为应对提高拉速薄板坯结晶器内钢液不稳定行为,以1 520 mm×90 mm薄板坯结晶器为研究对象,利用液面追踪技术VOF方法建模计算,对薄板坯钢渣界面进行了深入研究,实现了对薄板坯连铸结晶器内流体流动及钢/渣界面行为的模拟计算。并结合实际生产工艺,采用1∶1物理模型和数值模拟相互验证,分析了拉坯速度、浸入深度和保护渣黏度种类对结晶器流场及钢渣界面的影响。结果表明,当结晶器钢液面流速为0.20~0.25 m/s,且界面较平稳时,保护渣黏度高于0.237 Pa·s可以适用;当钢液流速为0.25~0.30 m/s,保护渣黏度为0.382 Pa·s时,现场低碳钢卷渣率小于0.5%,表现出良好的抗卷渣能力。     

二冷电磁搅拌下板坯连铸机内流动和凝固行为

二冷电磁搅拌(S-EMS)是板坯连铸生产中重要的电磁冶金技术。采用数值模拟方法研究了二冷电磁搅拌对板坯连铸机内钢液流动和凝固的影响。数值结果表明,二冷区电磁辊产生的磁场主要集中在电磁辊附近。二冷电磁搅拌对结晶器钢液的流场影响不明显,对二冷区凝固坯壳的厚度影响也不明显。当上下两对电磁辊的电流方向相反时,二冷区流场呈三环式;当上下两对电磁辊的电流方向相反时,二冷区流场呈双蝶式。     

Analysis of mixed grade transition in continuous thin slab casting with EMBR

A concentration change during grade transition operation in thin slab casting is investigated through computer simulation and the results are compared with experimental measurements. Fluid flow and mixing patterns in various tundish levels and flow rates were analyzed by a three-dimensional mathematical model. Based on the contained results, a simple, efficient and accurate computational model is suggested to predict the concentration profile at the outlet of the tundish. Based on the model, mixing in and below the mold was analyzed considering electromagnetic braking force. The predicted concentration profiles show good agreements with the measured values. It is found that the lower vortices in the mold are suppressed by the electromagnetic field and a plug-like flow region develops, which decreases the intermixing of two different grades of steel and shortens the length of transition region.