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.     

连铸板坯结晶器内凝固坯壳裂纹敏感性研究

基于钢凝固两相区溶质微观偏析模型和连铸结晶器内坯壳凝固生长二维瞬态热/力耦合有限元模型,提出了定量化描述结晶器内坯壳凝固生长的裂纹敏感性预测模型---CSC(Cracking Susceptibility Coefficient)模型。通过分析结晶器内包晶钢坯壳凝固宏观热/力学行为和坯壳裂纹敏感系数分布,探究了板坯结晶器内包晶钢坯壳凝固生长过程中裂纹敏感性的变化规律。结果表明,典型包晶钢板坯连铸工况下,坯壳偏离角区域易产生"热点",引发坯壳凝固前沿脆性温度区宽度扩大,结晶器窄面线性单锥度极易破坏坯壳应力分布的均匀性;包晶钢板坯表面裂纹和皮下裂纹主要产生于坯壳凝固初期,坯壳角部皮下裂纹则在结晶器内大部分区域均可能产生。     

板坯连铸结晶器内钢凝固过程热行为研究Ⅱ.模型验证与结果分析

基于建立的二维瞬态热/力耦合有限元模型,模拟计算了国内某钢厂实际板坯连铸工况下结晶器内某高强船板钢凝固过程的热行为,并利用现场实测温度数据验证了模型的可靠性.在此基础上重点研究分析了该钢在结晶器凝固过程角部区域气隙厚度、坯壳-铜板间的保护渣(包括液渣层和固渣层)分布及其热行为变化规律和对应区域的热流与表面温度变化特征,...     

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。     

方坯结晶器内钢液凝固及电磁制动的数值模拟

利用电磁流体力学（MHD）的基本理论及Bennon的连续介质模型,给出了方坯结晶器内钢液凝固及电磁制动的三维数学模型、磁场、流场和温度场的数值模拟表明,与钢液流场速度方向相反的电磁力是电磁制动的 直接原因;感生电流主要是集中在钢液入口处及其附近区域;电磁力能有效地改变方坯结晶器内的流场和温度场的分布,造成制动区域的下部呈现活塞流状态,降低了结晶器内高温钢液区域的温度梯度,提高了弯月面附近特别是上角部区域钢液的温度,减薄了上部凝固壳厚度。     

重轨钢大方坯连铸机凝固末端电磁搅拌位置的确定

采用有限元方法,对重轨钢大方坯连铸机的凝固过程温度场分布情况、坯壳生长规律和凝固率进行了模拟,根据凝固末端电磁搅拌对凝固率的要求,为重轨钢大方坯连铸机的凝固末端电磁位置和相应的连铸工艺参数的确定提供理论依据和技术指导。通过射钉实验的方法,验证了模型的正确性。     

结晶器磨损对连铸小方坯鼓肚变形及内裂纹形成的影响

应用连铸坯凝固传热与应力分析耦合数学模型,定量地描述了坯壳与结晶器壁间气隙的大小和分布,着重研究了器磨损对坯壳鼓肚变形和内裂纹形成的影响。结果表明：气隙首先形成于坯壳的角部区域,并且以顶角处的气隙厚度最大,逐渐向中心区扩展;当结晶器磨损严重时,坯壳偏角区成为热节区,在热节区内坯壳厚度最薄,同时在结晶器下半部产生鼓肚变形,这种变形起始于坯壳最薄弱的偏角热节约。在热节区附近的铸坯对角线凝固前沿前生的力学应变达到临界应变,使铸坯产生内裂纹。研究结果验证了严重的结晶器磨损是连铸坯产生鼓肚变形、偏角区内裂纹乃至漏钢事故的重要原因之一,也说明了铸坯偏角区内裂纹是起源于对角线的凝固前沿并向温度相对较高的两个薄弱环节－表层热节区和凝固前沿方向扩展。     

励磁电流对结晶器内磁场和电磁力的影响

利用建立的软接触电磁连铸结晶器内三维电磁场计算数学物理模型,模拟分析了高频磁场励磁电流密度在2.2×106～1.32×10A/m2之间变化时,对结晶器内磁感应强度和钢液内电磁压力的影响.结果表明,提高励磁电流密度,可以有效地提高结晶器内初始凝固区域的磁感应强度和电磁压力,但同样会使钢液或铸坯表层的磁感应强度和电磁压力在同一高度的周向上分布的不均匀性增加,切缝附近明显高于分瓣体中心;同时励磁电流密度增加,电磁压力沿结晶器高度方向的变化梯度随之大幅度增加,均匀性下降.为保证铸坯质量,应控制励磁电流密度在合适范围内.     

连铸结晶器内坯壳安全凝固的研究

为了避免连铸结晶器内坯壳凝固厚度不足,易出现断裂拉漏的危险,需要对结晶器出口处坯壳安全厚度进行研究。通过建立凝固数学模型,对热流密度边界条件进行设计,模拟结晶器内钢液的液相分数,推导结晶器出口处坯壳厚度。采用经验安全厚度与模拟坯壳厚度对比,验证边界热流密度的准确性。进行Gleeble热/力高温力学试验,分析连铸坯材料高温屈服极限及高温弹性极限,应用高温屈服极限界定坯壳出结晶器时安全温度范围,应用高温弹性极限及安全温度范围对坯壳出结晶器时经验安全厚度进行修正。     

宽厚板坯连铸结晶器渣道内热行为研究

根据宽厚板坯结晶器内初凝坯壳动态热收缩所确定的渣道宽度、保护渣的液-固状态及厚度分布、铸坯表面和铜板热面的温度分布,以及气隙厚度的动态变化等,建立了结晶器渣道热流计算模型,并在此基础上,通过将该模型嵌入至结合结晶器铜板分析的坯壳凝固过程二维瞬态热/力耦合有限元分析模型,研究分析了国内某钢厂实际宽厚板坯连铸工况下,结晶器内某碳钢凝固过程中结晶器渣道内气隙、保护渣厚度分布,以及热流变化的规律。     

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.     

Large Eddy Simulation of Transient Flow,Solidification, and Particle Transport Processes in Continuous-Casting Mold

The current study developed a coupled computational model to simulate the transient fluid flow, solidification, and particle transport processes in a slab continuous-casting mold. Transient flow of molten steel in the mold is calculated using the large eddy simulation. An enthalpy-porosity approach is used for the analysis of solidification processes. The transport of bubble and non-metallic inclusion inside the liquid pool is calculated using the Lagrangian approach based on the transient flow field. A criterion of particle entrapment in the solidified shell is developed using the user-defined functions of FLUENT software (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA). The predicted results of this model are compared with the measurements of the ultrasonic testing of the rolled steel plates and the water model experiments. The transient asymmetrical flow pattern inside the liquid pool exhibits quite satisfactory agreement with the corresponding measurements. The predicted complex instantaneous velocity field is composed of various small recirculation zones and multiple vortices. The transport of particles inside the liquid pool and the entrapment of particles in the solidified shell are not symmetric. The Magnus force can reduce the entrapment ratio of particles in the solidified shell, especially for smaller particles, but the effect is not obvious. The Marangoni force can play an important role in controlling the motion of particles, which increases the entrapment ratio of particles in the solidified shell obviously.     

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。     

Similarity of Mold Metallurgy

The governing equations for hydrodynamics and electromagnetism can be described by a general differential equation, which involves, in convective terms, diffusion and source. The finite-volume method, which has been widely applied in the field of computational fluid dynamics, is introduced to solve the magnetohydrodynamics equations. Numerical results show that the spatial distribution of flow field, temperature field, inclusion concentration field, and inclusion number density field are similar. All of them have the upper and lower recirculation region. But the electromagnetic field follows another rule: the symmetric static magnetic field and the symmetric flow field produce the asymmetric induced current density field and the symmetric electromagnetic force.     

电磁制动下薄板坯结晶器内钢液流动优化

电磁制动对结晶器内钢液流动具有显著影响,为明确电磁力对高拉速薄板坯结晶器内流场分布的影响规律,建立了薄板坯电磁连铸结晶器内钢液流动的三维数学模型,利用数值计算方法研究磁场与流场耦合对钢液的流动影响。模拟结果表明,五段式电磁制动技术产生的恒稳磁场可以显著抑制钢液湍流流动,降低弯月面波动,且具有稳定钢渣界面的作用;通过研究高拉速与制动力的产生关系,揭示了由线圈产生的磁感应强度与不同拉速的匹配程度。     

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。     

VAR过程电弧等离子体的电磁特性研究

依据磁流体动力学及等离子体物理学理论,建立三维有限元模型对VAR过程电弧区电磁场进行数值模拟,并以此分析其对铸锭质量的影响.结果表明,熔炼电极底部的电流密度和电磁力均最大;随着径向距离的增加,熔池表面的电流密度逐渐减小,焦耳热逐渐降低;弧长较大时,熔池表面的电磁力几乎不变;弧长较小时,随着径向距离的增大,电磁力先增大后减小.熔池表面的焦耳热随着弧长的增加而降低,但当弧长由45 mm增至50 mm时,焦耳热降低并不明显.弧压的增加会使得熔池表面的焦耳热增大.     

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.     

电磁场对连铸末端凝固过程的影响

通过模拟连铸末端金属凝固的实验条件,考察施加电磁场时金属熔体内部温度场的变化情况。在Lorentz力作用下,熔体的温度分布更趋均匀;温度场的变化导致凝固速率发生改变,与未施加电磁场相比较,开始阶段的凝固速率小,凝固末期的凝固速率增大;提出特征固相率的概念,Lorentz力加速了低于某一粘度金属熔体的热、质传输过程,表现为提高了熔体的特征固相率。