杆体凹槽形状对水口内夹杂物聚集影响的数值模拟

利用Fluent软件建立三维有限体积模型,采用多相流模型数值模拟的方法,研究向水口内插入带有矩形凹槽吸附杆,在此基础上模拟六组不同形状矩形凹槽对水口内夹杂物聚集的影响。确定出凹槽形状是影响水口内夹杂物聚集的主要因素,以及矩形凹槽尺寸为4 mm×4 mm×10 mm时,得到的钢液流场最有利于夹杂物在吸附杆凹槽壁面聚集,为优化吸附杆杆体结构提供参考。     

连铸薄板坯结晶器内夹杂物运动的模拟研究

采用水模拟和数值模拟相结合的方法分析了连铸薄板坯结晶器内夹杂物的运动状况。通过Proanalyst软件分析高速显微摄像仪拍摄的夹杂物运动图,获得了夹杂物在结晶器内的运动路径;同时,采用拉格朗日法计算获得了结晶器内夹杂物的运动路径,将二者相互对比,分析了拉速和浸入式水口深度对夹杂物运动轨迹的影响。结果表明:夹杂物在结晶器的运动轨迹复杂;拉速越小,浸入水口的深度越浅,夹杂物越容易在上回流区盘旋;拉速越大,浸入水口的深度越深,夹杂物容易在下回流区盘旋;增大夹杂物在结晶器内的停留时间有利于防止夹杂物进入铸坯内形成缺陷。     

321不锈钢板坯夹杂物研究

用两步法冶炼321不锈钢,采用扫描电镜能谱分析方法,研究了连铸浸入式水口结瘤物和32l不锈钢连铸板坯表面夹杂物的成分,探讨了水口结瘤与表面夹杂物的关系。结果表明:板坯夹杂物主要包含Ti、O、N、Ca等元素,与浸入式水口结瘤物中包含的成分相同,说明连铸水口结瘤是造成32l不锈钢连铸板坯夹杂物的重要原因,并依此提出了防止浸入式水口结瘤的建议。     

浸入式水口结构对大方坯结晶器内夹杂物运动的影响

通过建立大方坯结晶器内钢液流动、传热、凝固和夹杂物运动耦合模型,研究了浸入式水口结构对结晶器内钢液流动和夹杂物运动的影响,比较了5种不同孔数的水口对应的夹杂物上浮、下沉以及坯壳吸附的比率和速率.研究结果表明:浸入式水口的结构很大程度上决定了结晶器内钢液的流动方式,进而决定了小颗粒夹杂物的运动轨迹.从水口底孔出来的射流中向上回流至液面部分的流股以及从侧孔出来的射流形成的螺旋上升的流股是促进夹杂物上浮的主要动力.只含侧孔的四孔型和双孔型水口在夹杂物去除方面能力最强,对于50 μm的小颗粒夹杂物去除率分别为25％和17％;而带底孔的水口(包括单孔型、三孔型和五孔型水口)去除率基本在10％以下.此外,对于含底孔的水口,铸坯内部夹杂物相对较多,而对于只含侧孔的水口,铸坯表面附近夹杂物相对较多.     

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。     

含钛超低碳钢连铸浸入式水口结瘤机理的研究

通过对含钛超低碳钢连铸浸入式水口结瘤物的物相及钢中夹杂物的类型进行分析,研究了浸入式水口的结瘤机理,并提出了改进措施。结果表明,浸入式水口的主要结瘤物为Al2O3和Fe Al2O4夹杂;钢中夹杂物主要为Al2O3-Ca S类、纯Al2O3类以及复杂的Al2O3-Mg O-Ca S-Mn S夹杂物,与水口结瘤物的物相一致。为了改进水口结瘤,其根本方法是降低钢液中Al2O3夹杂的含量。     

轴承钢连铸过程中非金属夹杂物群迁移行为的分析

为了研究轴承钢方坯连铸过程中存在的非金属夹杂物聚集问题,建立了凝固过程的流-固耦合模型,采用数值模拟和现场试验相结合的方法,研究了浇注过程中夹杂物族群的迁移行为。结果表明,在断面、结晶器搅拌强度和浸入式水口对比方面,较大断面、较强搅拌和带侧孔的水口对改善铸坯中10 μm以下的夹杂物比较有利,5～10 μm级别夹杂物最易被初生坯壳捕捉。结果显示,5 μm以下的中间包钢液中微观夹杂物数量过大,在浇注过程中会促进夹杂物族群间的碰撞迁移,导致铸坯中20～30 μm级别夹杂物数量增多,但对50 μm以上的大尺寸夹杂物影响甚微;铸坯中该大尺寸级别的夹杂物主要直接来源于中间包。这些研究结果对弄清夹杂物的来源,改善轴承钢疲劳寿命具有重要意义。     

IF钢板坯表层大尺寸夹杂物的三维分布

IF钢铸坯表层大尺寸夹杂物分布对冷轧钢板表面质量有较大影响。采用ASPEX自动检测法与逐层刨削法研究了IF钢铸坯表层20 mm内中100 μm以上夹杂物的三维分布。铸坯表层20 mm内夹杂物共分成3类,气泡、氧化铝+气泡、块状氧化铝,数量比例分别为72%、26%和2%。结合水模型研究了结晶器内大尺寸夹杂物被凝固坯壳捕获行为,结果表明,在现有浇铸工况下结晶器内大尺寸夹杂物主要集中在上回流涡心处与浸入式水口下部等结晶器“死区”位置。消除结晶器内死区有助于减少铸坯表层大尺寸夹杂物,提高轧板表面质量。     

流动液体中夹杂物超声去除的影响因素

以高密度聚乙烯（HDPE）颗粒和水形成的悬浮液为研究体系。考察了有无超声波作用下。介质流量、夹杂物数量以及夹杂物的粒径对总去除率、上浮去除率、壁面粘附去除率的影响。实验结果表明，在短时间内（30s)超声波对流动液体中的夹杂物具有明显的去除效果。总去除率达93％。夹杂物的总去除率随着超声波输入电功率的增大而提高；超声波对较多数量或较大粒径的夹杂物去除效果更显著。超声波作用下流动液体中的夹杂物比静止液体中的更容易去除。超声波对流动液体中夹杂物去除效果的去除机理主要是通过气泡捕获夹杂物，超声空化效应产生直接包裹夹杂物的气泡以及通过夹杂物碰撞凝聚使夹杂物容易上浮实现去除。     

船板钢铸坯中大型夹杂物的分析

为了解船板钢铸坯中夹杂物含量、尺寸及来源,采用大样电解法提取B、D船板钢铸坯中的大型夹杂物,利用扫描电镜和能谱仪对夹杂物的形貌和组成进行分析,并对尺寸大于50 μm的夹杂物的来源进行了分析。试验结果表明,在铸坯宽度1/4处夹杂物含量最高。铸坯中尺寸大于50 μm的大型夹杂物主要来源于浇铸过程的卷渣,其余为LF精炼过程对钢中夹杂物进行钙处理的产物、浸入式水口及耐火材料侵蚀产物、钢液二次氧化产物。     

连铸结晶器内簇状夹杂物分形生长的Monte-Carlo模拟

建立夹杂物分形长大数学模型来描述连铸结晶器内夹杂物的动态长大过程.采用Euler方法给出了连铸结晶器内钢液流动和夹杂物的三维分布,采用Lagrange方法跟踪单个夹杂物颗粒在夹杂物浓度场中的运动来研究其碰撞、长大过程.计算结果表明:钢液的夹带作用是影响夹杂物分布的关键因素.钢液流动和夹杂物分布在连铸机内均具有上、下两个循环区,在出口处具有"W"分布特征.对于单个夹杂物,由于种于夹杂物不断吸附其它夹杂物,因此较大粒径的夹杂物具有多个突起和触手,呈簇状形态.     

含钛超纯铁素体不锈钢水口结瘤机制研究

针对含钛超纯铁素体不锈钢连铸浸入式水口结瘤问题,分别对Ti质量分数为0.17%的不锈钢和Ti质量分数为0.39%的不锈钢水口结瘤物进行取样,使用扫描电镜和能谱仪对水口堵塞物进行分析,对比研究了不同钛质量分数超纯铁素体不锈钢中水口结瘤机理特点。研究发现:钛质量分数为0.17%的水口堵塞物靠近耐材侧存在冷钢层,冷钢层中存在较多数量的氧化铝夹杂物,同时在内层堵塞物中主要为Al_2O_3-MgO夹杂物,以及少量CaO-TiO_2类夹杂物;在钛质量分数为0.39%的水口堵塞物主要为Al_2O_3-MgO-CaO-TiO_2复合型夹杂物,以及树枝状的CaO-TiO_2夹杂物。高钛质量分数不锈钢钢液中容易形成氧化钛类复合夹杂物,同时在连铸降温过程中,会促进钙钛矿类夹杂物的进一步形成。     

石油套管缺陷形成原因分析

采用金相显微镜、扫描电镜和能谱仪对石油套管制造过程中形成的缺陷进行了分析,并对缺陷的形成原因进行了探讨。结果表明:钢管分层、内表面鼓包缺陷以及螺纹表面麻坑缺陷是管坯中大型夹杂物导致的,其中分层和内表面鼓包缺陷中的夹杂物来源于钢水,夹杂物在浸入式水口中聚集长大后被钢流冲刷到钢液中;螺纹表面麻坑缺陷的夹杂物来源于钢液中的结晶器保护渣。钢管外折缺陷是由于管坯表面存在皮下裂纹,在轧制过程中遗传到钢管中形成的。提高钢水的洁净度、减少结晶器保护渣的卷入、控制铸坯表面的皮下裂纹是控制石油套管缺陷的关键。     

异型坯中大型夹杂物分析

在异型坯横截面不同区域取样,采用大样电解、扫描电镜结合能谱分析对莱钢异型坯中大型夹杂物的特征、数量、形状、成份、分布和尺寸等进行了分析;结合LF精炼前后和铸坯中氧、氮变化,对莱钢异型坯清洁度和夹杂物来源进行分析;结果表明异型坯生产采用半敞开式浇铸,二次氧化严重,大型夹杂物主要为MnO-SiO2-Al2O3系夹杂,熔点较低;加上浸入水口为直孔水口,结晶器横截面窄小,异型坯比表面积较大,凝固速度较快等原因,异型坯中大型夹杂数量明显偏高;并且大型夹杂在内弧R角及腹板部分数量较多。连铸生产中,异型坯内弧R角及腹板部位坯壳应力较高,数量较多的大型夹杂物在此聚集,对裂纹形成有促进作用。     

铝脱氧含硫钢结瘤现象的分析

对某厂铝脱氧含硫QC40钢的结瘤现象进行了分析研究,取样分析了浸入式水口内壁的结瘤物,并对棒材夹杂物进行了分析。经扫描电镜及能谱分析发现结瘤物分为两层结构,靠近水口内壁层的结瘤物主要是MgO·Al₂O₃、高熔点CaO-Al₂O₃和低熔点CaO-Al₂O₃;第二层的结瘤物主要是MgO·Al₂O₃、高熔点CaO-Al₂O₃和CaS。棒材中的夹杂物主要为MgO·Al₂O₃、高熔点CaO-Al₂O₃和CaS夹杂物。分析认为出现这种结瘤现象的原因是CaS属于高熔点夹杂物,但其和钢水的润湿角为87°（小于90°）,属于和钢水润湿性较好的夹杂物,而MgO·Al₂O₃和高熔点CaO- Al₂O₃与钢水的接触角均大于90°,属于高熔点且与钢水润湿性差的夹杂物,因此出现了CaS夹杂物仅能在第二层结瘤的现象。利用FactSage软件对铝脱氧含硫钢的钙处理工艺进行了理论优化,认为通过优化钙处理工艺,减少二次氧化等措施,能够减少乃至杜绝浸入式水口的结瘤行为。     

板坯连铸机内钢液流动和夹杂物碰撞长大行为

采用数值模拟方法研究了板坯连铸机内钢液流动、夹杂物碰撞聚合行为.由于凝固坯壳的向下运动和上升流股的相互作用,在结晶器窄面附近形成一个角部涡.此角部涡的存在使夹杂物的浓度、数量密度和特征尺寸的分布在结晶器窄面附近产生一个极值.数值模拟结果还表明钢液的对流输运是影响夹杂物分布的重要因素.由于钢液上部回流区的存在,夹杂物分布显现环状特征.在结晶器下部,由于壁面效应和夹杂物碰撞聚合,夹杂物在中心截面上形成"W"形分布,在水平截面上形成"8"字形分布;而在铸坯窄面和水口下方对称面处,夹杂物形成"V"形分布.     

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基于分形理论,建立了Al2O3凝聚态夹杂物分形碰撞凝聚长大新数学模型,并利用Fluent软件将此新数学模型应用于某钢铁公司冶炼铝镇静钢的中间包中,从夹杂物的分布特征角度比较了新数学模型与传统等体积球状数学模型的差异。结果表明:与传统等体积球状数学模型相比,Al2O3凝聚态夹杂物分形碰撞凝聚长大新数学模型的计算结果数值较大,且夹杂物粒子分布特征复杂;新数学模型显示出了夹杂物粒子容易在出水口和入水口富集的特征,这与实际生产中Al2O3夹杂物容易堵塞水口现象一致;实际生产中很难找到球形Al2O3夹杂物,大多是簇群状形貌夹杂物,分形维数在1.78~1.85,表明Al2O3夹杂物分形碰撞凝聚长大新数学模型具有一定的现实意义。     

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 应用分形理论探讨了钢液中凝聚态夹杂物的性质、凝聚规律及上浮特性。结果表明：两个源碰撞夹杂物颗粒碰撞连结的方式不同,所生成的新凝聚态夹杂物颗粒的形貌特征和分形维数就可能存在较大差异;带有分形特征的凝聚态夹杂物的上浮速度要小于等体积三维球状实体夹杂物的上浮速度;新生凝聚态夹杂物的分形维数相对源碰撞夹杂物较小,所以对凝聚成的大尺寸夹杂物颗粒要对其加强重构,使其变得致密,增大其分形维数,有利于提高其上浮速度;分形维数的测定可以更精确地定量描述夹杂物的形貌特征,完善夹杂物检测的标准。     

在高速板坯连铸机上使用电磁“闸”控制钢流

在弧形连铸机的高速浇注过程中,铸坯上半部聚积的夹杂物会随着浇注速度的提高而增加。这是由于钢水从浸入式水口流出的速度超过了夹杂物上浮速度的缘故。此外,随着注速的提高,结晶器窄面的坯壳厚度也会变薄和不均匀。     

连铸AISI304不锈钢薄带夹杂物的研究

采用大样电解方法研究了双辊连铸工艺生产的AISI304薄带内大型夹杂物的类型和数量，运用带有能谱的扫描电子显微镜分析了薄带内部细小的夹杂物类型。结果表明，连铸薄带内大型夹杂物的数量很少，只占薄带总量的0．0015％，大型夹杂物类型多为氧化物；薄带内有更细小的氧化物类夹杂物和MnS夹杂物。大型夹杂物对薄带性能的不良影响较小，连铸薄带的性能较好。