宽板坯连铸结晶器工艺参数优化的水模拟研究

结合国内某钢厂宽板坯连铸结晶器的4种断面宽度,建立1∶1水模型,并结合正交试验方法,研究了浸入式水口的吐出孔数、水口吹气量、水口浸入深度、拉速和结晶器断面宽度等不同因素对结晶器流场的影响,得到了4种宽板坯连铸结晶器的最佳工况条件。     

不锈钢板坯宽度对结晶器内钢水流动和温度状态影响

利用数值模拟方法对比分析了不同不锈钢板坯宽度下结晶器内钢水流动和温度分布情况。结果表明,在同一浸入式水口结构和工艺参数条件下,随着结晶器宽度的增加,侧孔注流在窄面的冲击位置下降,冲击强度减弱,钢液面处钢水卷渣和液面裸露的几率减小,但液面处钢水温度降低。其中,当铸坯断面大于1360mm时,结晶器内钢水对窄面中心的冲击速度和钢液面处钢水表面流速变化不大。综合表明,该水口浇注不锈钢板坯的适宜宽度范围为1360～1600mm.     

板坯连铸结晶器内钢液的三维流场数值模拟

采用数值模拟的方法,建立了描述某厂结晶器内钢液流动的数学模型;用有限体积法求解,研究了结晶器内的钢液流动行为,详细分析了结晶器浸入式水口(SEN)插入深度、侧孔倾角和拉速对结晶器内钢液流场的影响.得出了适合该厂连铸工艺条件的浸入式水口形式和拉坯速度,即水口合理的出口倾角应为向下15°左右;在水口结构一定条件下,水口插入深度140～170mm比较适宜;合理的拉速应控制在1.4～2.0m/min.     

宽厚板坯连铸结晶器内的钢液流场的数值模拟

基于流体力学的基本理论,针对连铸结晶器的结构和工艺参数,利用商业软件fluent的k-ε湍流模型,实现了对结晶器内钢液流场的三维数学模拟。重点分析了浸入式水口的插入深度、水口侧孔倾角以及拉速等工艺参数对结晶器钢液流场的影响。结果表明：对于断面为2300mm×250mm的板坯结晶器,水口插入深度为150mm,水口倾角为向下15°,拉坯速度为1.2m/min时,结晶器内的流场较好。数值模拟结果可为宽厚板坯连铸结晶器确定合理工艺参数提供理论依据。     

水口结构对薄板坯初始凝固行为的影响

以薄板坯连铸结晶器为研究对象,采用有限元法,建立了流动、传热、凝固的三维耦合数学模型。重点研究了拉速及双侧孔水口出口面积比对结晶器内自由液面流动情况、铸坯表面温度分布与凝固坯壳生长的影响。结果表明,当拉速由6 m/min减少到4 m/min时,液面波动由±10.5 mm降至±4.5 mm,而结晶器出口处的坯壳厚度将由7.1 mm增加到9.5 mm;当水口出口面积比由1.56增加到2.00时,液面波动由±9.1 mm降至±7.1 mm,出口处的坯壳厚度减薄了0.4 mm。     

近终型异型坯连铸用扁平浸入式水口的设计开发

针对莱钢异型坯连铸机实现全保护浇注的要求,开发了一种超扁平形状的浸入式水口。该水口工作端采用了双侧孔结构,并结合不同浇注断面和拉速进行了导流方式优化,主要依据来自于结晶器内钢水流动、自由液面波动以及传热凝固等综合冶金行为的数值预报结果。热态生产试验指出,采用单支扁平形状浸入式水口实现异型坯连铸全保护浇注是可行的,所设计浸入式水口具有显著稳定结晶器熔池液面和促进保护渣熔化的作用,使用寿命初步达到要求,铸坯内外质量得到明显改善。     

特厚板坯结晶器内液面波动的水模拟实验研究

以武重特厚板坯连铸结晶器为研究对象,采用1：1模型进行水模拟实验,引入新型点阵激光浪高测试系统,研究了拉坯速度、浸入式水口插入深度对结晶器液面波动的影响。实验结果表明：在相同插入深度下增加拉坯速度或相同拉坯速度下减小插入深度都会使液面波动增大,此次实验中拉速较插入深度对液面波动拥有更明显的影响。为更好的控制铸坯质量,在现有工况参数下建议使用0.2 m/min拉速和200 mm水口插入深度。     

中薄板坯连铸结晶器浸入式水口的优化设计

应用数值模拟软件对唐钢中薄板坯连铸结晶器及浸入式水口内的钢水流场、温度场进行数值模拟,分析了水口结构、拉速、浸入深度和铸坯断面对流场和温度场的影响,在此基础上确定了水口的最佳结构和浸入深度,并在生产中进行了验证,不但提高了铸坯质量和产量且稳定了连铸生产。     

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。     

应用Fluent对40Cr管坯水平连铸过程中温度场及传热的研究

以水平连铸40Cr圆坯结晶器内温度场分布为研究对象,采用Fluent数值模拟软件凝固传热模型并结合射钉试验共同研究了管坯在不同拉坯工艺条件下,结晶器内40Cr钢液温度场分布及凝固传热过程,并对不同拉坯参数下铸坯试样进行了检测分析.分析结果表明:水平连铸拉坯工艺参数:拉速V=2.35 m/min,浇注温度T=1540℃,中间包过热度△T=36℃的拉坯参数下,结晶器内的温度场分布均匀稳定,铸坯质量好,产量高.采用Fluent数值模拟软件凝固传热模型并结合射钉试验可以有效地分析在不同拉坯工艺条件下水平连铸结晶器内的温度场分布及凝固传热过程,制定合理的拉坯工艺参数,减少管坯缺陷的发生,提高铸坯质量.     

平行板型薄板坯连铸结晶器中钢液流动、凝固及溶质分布的三维耦合数值模拟

针对薄板坯平行板型连铸结晶器,建立了Fe—C二元合金紊流流动、凝固及溶质传输的三维耦合数学模型;并与水口模拟计算相结合,计算、分析了薄板坯平行板型结晶器内钢液的紊流流动、凝固及溶质分布．计算结果表明,由于薄板坯厚度尺寸限制,钢液液流冲击深度相对传统板坯明显减小,出水口射流对窄壁的冲击减弱,而对铸坯宽面的冲刷加强．出结晶器后,钢液流动变为向下的均匀平推运动．在结晶器出口处,由于钢液流动、凝固及溶质传输的相互作用,使得铸坯宽面靠近窄壁处的凝固壳厚度最薄,并在此处产生溶质分布强烈变化,易导致拉漏缺陷．     

薄板坯连铸漏斗型结晶器内流动、传热和凝固行为的数值研究

针对薄板坯连铸漏斗型结晶器,建立了钢液流动与凝固传热的三维耦合模型,在不改变造型复杂的水口和漏斗型结晶器的尺寸和结构的前提下,计算分析了不同操作参数——拉坯速度和浇注温度对结晶器内流场、温度场和凝壳的影响,同时采用了第二类和第三类两种不同的热边界条件进行了流场和温度场的分析。计算结果表明,钢液凝固壳及糊状区对结晶器内钢液的流动有很大影响,采用第二类热边界条件能够更真实地反映出结晶器内流动对传热的影响。     

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.     

吹氩板坯连铸结晶器内双循环流的形成条件

利用Lagrange两相流模型定量研究了吹氩板坯结晶器内双循环流形成条件,并用水模型检验了数值模拟结果.在此基础上考察了吹氩量、钢流量,结晶器宽度、水口浸入深度以及下倾角度对双循环流形成的影响规律.结果表明:选择与其它工艺参数匹配的吹氩量是保证双循环流型的重要条件,且维持此流型的临界吹氩量随钢流量的增加而增加.当钢液质量流量较大(qm＞2.5 t/min)时,减小结晶器宽度和增加水口浸入深度均有助于扩大临界吹氩量范围,而水口下倾角度对其影响较小;当钢液质量流量较小(qm≤2.5 t/min)时,以上工艺参数的影响均不明显.     

连铸结晶器内钢液涡流现象的水模型观察和数值模拟

利用水模型观察连铸结晶器内导致钢坯质量下降的涡流现象。提出蛇型结构结晶器水模型，撒入黑芝麻以显示结晶器内自由液面流谱。用可调曝光时间的照相机记录涡流图案。实验中观察到较为稳定的单个涡和偶尔出现的两个对称涡现象。在数值模拟中。将浸入式水口移离中心位置，从而可产生偏流和涡流。实验与模拟的结果表明：结晶器内三维偏流导致涡流的出现，涡流位于水口较低流速一侧，涡流强度取决于拉速和水口偏离中心的程度。     

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.     

薄板坯连铸结晶器内钢水凝固传热数值模拟

为研究薄板坯连铸高拉速下结晶器内坯壳生长过程,利用ANSYS有限元模拟软件,建立了CSP薄板坯连铸结晶器内钢水凝固传热数学模型,并通过实际测量得到的凝固坯壳厚度验证了模型的合理性。对结构用钢Q235B钢种,1 500 mm×60 mm规格在结晶器内凝固过程进行了模拟,研究了不同拉速、不同结晶器冷却水量对凝固的影响。研究结果表明,随着拉速降低,坯壳厚度增加;随着结晶器水量增大,坯壳厚度增加,模拟结果与实测结果相符合,为实际生产优化工艺参数提供了理论参考。