CSP结晶器内钢液流动的水模型研究

采用1:1水力学模型对厚度60 mm薄板坯连铸水口浸入深度220～310 mm、出口角度-30°～-60°、拉速4.2～6.0 m/min条件下CSP结晶器内钢液流动行为进行模拟研究。在拉速4.2～5.0 m/min时双侧孔水口下CSP结晶器流场股流冲击深度达850～1010 mm;流场内存在三个滞区,液面波动不稳定;水口角度对结晶器窄面和水口附近波动影响很显著,拉速对结晶器和窄面中心处波动影响较大,浸入深度对水口附近波动影响较大。     

浇铸参数对结晶器液面波动影响及其工业应用

 板坯连铸结晶器液面的波动行为是结晶器内钢液流动、结晶器自身振动以及辊子挤压铸坯内部未凝固的钢液造成液面波动综合作用的结果。结晶器液位波动的稳定性对板坯连铸过程的卷渣行为有直接影响。在工业板坯连铸生产实践中,一般在结晶器某一区域(比如结晶器中部)利用放射源或涡流传感器检测液位波动来代表该工况下的整体波动水平。利用三维气液两相流动的数学模型研究了浇铸参数对结晶器液位轮廓的影响,浇铸参数包括拉速、吹氩流量、浸入式水口出口角度和浇铸断面。研究结果表明,结晶器不同宽度位置的波动幅值差异较大,且与工艺参数密切相关。液面的波峰与波谷之差随着拉速的增加在窄面附近逐渐增大,随着吹氩流量的增加在水口附近逐渐增大。在水口出口角度15°条件下,水口和窄面附近的液位波动均较大,而在水口出口角度45°条件下,仅在水口附近存在较大的液位波动。研究结果表明,使用板坯连铸常规的15°浸入式水口,当铸坯宽度大于800 mm时,结晶器液面检测需要在水口和窄面附近同时布置液位检测设备,以便更全面反应结晶器的真实液面行为,使液面波动对轧板表面质量指导性增强,有效提高连铸工艺的控制水平。如使用45°浸入式水口可以继续沿用原有的液位检测布置。     

板坯连铸结晶器保护渣卷渣及其影响因素的研究

对板坯连铸结晶器保护渣卷渣进行的水力学模拟研究结果表明,主要有三种类型的卷渣,即窄边附近的剪切卷渣、浸入式水口附近的旋涡卷渣和水口吹入的氩气泡上浮冲击钢渣界面引起的卷渣.拉速增加、减少浸入式水口浸入深度、减小水口出口倾角和增加吹入的Ar流量均会加大表面流速和液面波动,增大结晶器内卷渣的倾向,而其中拉速增加对卷渣的影响最大.当结晶器宽度为1 900 mm、采用1.4 m/min的拉速时,选择向下25°的水口出口角度、250 mm的水口浸入深度和10 L/min的Ar流量可将板坯结晶器内流场的表面流速和液面波动控制在合理的范围内,从而减小和避免结晶器内卷渣.     

宽板坯结晶器浸入式水口结构优化的数值模拟

以某钢厂宽板坯连铸结晶器为研究对象,利用商业软件PHOENICS建立一个三维有限差分模型,模拟宽板坯连铸结晶器内钢液的流动分布.通过分析水口底型、倾角、插入深度等工艺参数对钢液面波动、流股对结晶器窄面的冲击力及涡心高度的影响,得出适用于宽规格结晶器的合理的浸入式水口.通过研究,为优化宽板坯结晶器内钢液的流场及浸入式水口的设计提供了科学依据.     

浸入式水口结构对板坯结晶器液面波动的影响

以1∶2. 3的几何相似比,建立了断面230 mm×1 930 mm板坯结晶器的钢液流动物理模型,研究不同的浸入式水口对结晶器流体流动和液面波动的影响,并进行了工业试验,测定了实际结晶器钢液面的波动。结果表明,凸底特别是较高凸底的浸入式水口容易在板坯结晶器两侧产生明显的不对称流动,结晶器两侧交替出现明显的液面凹陷,使得液面各点的波动差别大,且随浸入式水口浸入深度的增加液面波动不降低,在结晶器宽面1/4附近区域的液面波动比其它区域大。凹底的浸入式水口能够减轻结晶器两侧的不对称流动,从而避免液面凹陷的发生,液面各点的波动差别减小,液面波动随浸入式水口的浸入深度增加而下降。工业试验中优化的浸入式水口的结晶器液面波动的平均波高、最大波峰和最大波谷比原浸入式水口分别降低21. 70%,30. 70%和29. 18%。     

高拉速厚板坯连铸结晶器流场影响因素的模拟研究

运用数值模拟研究方法,研究高拉速厚板坯连铸结晶器流场的影响因素;研究浸入式水口结构、水口控流方式、水口出口角度、水口浸入深度、结晶器宽度、结晶器厚度、吹氩等因素对结晶器流场、液面流速以及初生坯壳的影响.结果表明在高拉速下,结晶器的流场不稳定因素增多,工艺参数对结晶器流场的影响因数增加.在高拉速下结晶器流场流速高,液面波动大,液钢流束冲击深度大,势必造成产品质量的下降趋势,因此高拉速厚板坯连铸过程必须采用电磁制动或流场控制技术,降低高流速带来的不利影响;水口结构与结晶器规格最优化与匹配能得到适宜的结晶器流场;同时发现高拉速钢液流束对结晶器初生坯壳的影响严重,是高拉速漏钢率高的直接原因之一.     

SEN底部形状对结晶器内钢液流场和温度场的影响

针对某钢厂板坯连铸结晶器及浸入式水口(SEN)的结构参数,建立了描述结晶器内钢液流动的三维数学模型,应用FLUENT软件对结晶器内钢液的流场和温度场进行耦合计算,分析SEN底部形状对结晶器内流场和温度场的影响,并利用水模试验对钢液的流动行为进行了验证。结果表明:凸底水口出口附近钢液的速度较大,流股的冲击深度较大,使结晶器内高温区下移,不利于凝固坯壳的生长;平底水口自由面速度较大、温度较高,有利于保护渣的熔化,但易产生液面裸露现象;凹底自由面速度较小、温度较低,有利于液面稳定。     

结晶器内钢液面波动分析与控制

通过水模试验对邯郸钢铁集团有限责任公司邯宝炼钢厂连铸结晶器液面波动原因进行分析。结果表明,随着板坯连铸机拉速提高、吹氩量增加、铸坯断面的增加,结晶器钢液面波动量增大;随着浸入式水口浸入深度增加和水口出口角度增大,结晶器内钢液面波动量减小。选择合适的拉速、恒速浇铸、优化浸入式水口形式和浸入深度、保持适当的吹氩量、执行标准化操作,可以降低结晶器钢液面波动量,提高连铸坯质量。采取优化措施后,结晶器钢液面波动量逐渐恢复到±3 mm以内,热轧卷板边部翘皮和夹杂缺陷比例逐月降低,缺陷率从2010年11月0.41%控制到2011年4月以后0.1%以下。     

宽规格板坯连铸结晶器浸入式水口的数值模拟

利用Fluent计算软件建立三维数学模型对马钢板坯连铸结晶器内钢液的流场和温度场进行数值模拟研究,并进行正交试验,分析了水口浸入深度(150～190 mm) 、水口侧孔倾角(-10°～-16°) 、水口侧孔与中孔的截面积比值(2,2～3.2)对拉速0.9 m/s,230 mm×1800 mm结晶器内钢液流动的影响。研究结果表明,水口浸入深度和倾角对结晶器液面波动F数和凝固坯壳厚度的影响较为显著。对于浇铸断面230 mm×1800 mm的结晶器浸入式水口的最佳工艺参数为:浸入深度170 mm、水口侧孔倾角13°、侧孔出口与中孔面积比2.7。     

中薄板坯连铸结晶器钢/渣界面行为数值模拟

利用VOF（volume of fluid）方法和Lagrangian离散模型模拟了厚度为135mm中薄板坯连铸结晶器内的钢液流动及钢／渣界面波动行为,分析了结晶器宽度、水口浸入深度、水口侧孔倾角、拉速和吹氩对结晶器内钢液流动和液面波动的影响规律．结果表明：钢液从三孔浸入式水口流入结晶器后形成上、下三个回流区;吹氩使结晶器上回流区靠近水口附近形成二次涡流;在一定拉速下,增加水口侧孔倾角和浸入深度均能有效抑制钢／渣界面波动;增加拉速和在一定拉速下增加结晶器宽度均将加剧液面波动．     

板坯连铸水口内钢液流动的数值模拟

 运用CFX计算软件研究了大通钢量工况下板坯浸入式水口流场,分析了水口结构、结晶器流动控制方式、水口吹氩等对浸入式水口流场的影响。研究表明,适宜的水口结构和控流方式组合能获得最优的水口出口流股形态和稳定均衡的流场。在大通钢量下,塞棒、底部凸起水口结构是最佳组合。不适宜的工艺组合形成并加重水口偏流,造成结晶器初始坯壳的不均匀冲刷和液面涡流,进一步诱发水口堵塞、水口结瘤、结晶器非稳态和不均衡传热,最终导致铸坯缺陷甚至诱发拉漏事故。     

立式电磁制动对不同水口角度下连铸结晶器内流场的控制

利用Fluent软件模拟计算了常规板坯连铸和立式电磁制动板坯连铸过程,详细研究了不同水口出口角度结晶器内三维流场,为评价立式电磁制动技术的冶金效果提供理论依据.研究表明:常规连铸过程水口出口角度增加时,不利于夹杂物的上浮,影响铸坯质量;不同水口出口角度连铸过程应用立式电磁制动技术后,自由表面钢液流速、钢液主射流的运动速度和下回流区的冲击深度显著减小,利于稳定液面波动、减少卷渣、防止漏钢和促进夹杂物的上浮,符合立式电磁制动技术的设计思想.     

立式组合电磁制动对CSP结晶器内钢液流动及偏流控制

紧凑型带钢(CSP)薄板坯连铸结晶器在浸入式水口下方设置水平式的全幅一段电磁制动器(Ruler-EMBr),在进一步提高薄板坯连铸拉坯速度的情况下,不能有效控制CSP结晶器自由表面的钢液流速和液面的稳定性.为此提出一种新型的立式组合电磁制动(VC-EMBr)技术,并利用商业软件ANSYS FLUENT数值模拟研究了全幅...     

基于数值模拟的结晶器卷渣在线预测方法

 结晶器保护渣卷入到钢液中后容易被生长的凝固坯壳捕获,最终在冷轧板上形成由卷渣引起的表面缺陷,会严重恶化钢产品的质量。结晶器液面卷渣现象受到钢液成分、温度、流动方式和吹氩流量的影响。结晶器表面钢液流速大小是反映钢渣界面是否发生卷渣的重要参数,但在实际浇铸过程中,不能在线预测不同拉速、吹氩流量和水口浸入深度下结晶器表面钢液的最大速度。提出一种基于板坯连铸结晶器内多相流动数值模拟的结晶器卷渣在线预测方法。首先,建立结晶器内三维多相流动数学模型,模拟不同拉速、吹氩流量和水口浸入深度下的钢液流动行为;其次,对计算得到的表面钢液流速的最大值进行拟合,得到固定浇铸断面下结晶器表面最大流速的预测公式;最后,通过某钢厂的插钉板工业试验验证了所提方法的准确性。研究发现,不同浇铸参数下表面钢液流速沿结晶器宽度方向呈现先增加再减小的变化趋势,在结晶器宽度1/4位置具有最大值。钢液流速在较小和较大拉速下分别在窄面和水口附近具有较大值;在较小和较大吹氩流量下分别在水口和窄面附近具有较大值;随着水口浸入深度增加,钢液流速在水口和窄面附近变化较小。基于拟合的钢液流速公式,通过比较最大钢液流速与钢渣界面发生卷渣的临界流速,实现了结晶器卷渣的在线预报。     

高拉速板坯连铸结晶器浸入式水口的水模型研究

利用染料示踪法,采用波高传感器和旋桨式流速仪在全比例水模型中研究了四种浸入式水口(A型:凹型,15°(上角度)-15°(下角度);B型:凸型,15°-15°;C型:凹型,40°-15°,D型:凸型,40°-15°)下板坯连铸结晶器内的流场和液面特征.发现采用凹型水口时结晶器液面的波动与表面流速均小于凸型水口.凹型水口F的表面流速变化的功率(频率为0.03~0.1Hz)比凸型水口小约50%,所以凹型水口更有利于减少结晶器内卷渣的发生.在高拉速条件下(拉速为1.8m·min-1,较大的水口出口上角度有利于抑制水口出口流股的漩涡流,进而减少剪切卷渣的发生.四种水口中C型水口条件下结晶器液面的表面流速最小,约为0.27m·s-1,为提高拉速留有较大余地,所以适合高拉速连铸的最佳浸入式水口为C型.      

特大圆坯连铸用新型浸入式水口的设计与研究

 针对特大截面圆坯连续浇铸的特点,基于依靠浸入式水口自身结构减小钢流冲击深度,同时保证流动与传热沿周向分布均匀的思想,首次提出了新型浸入式伞形水口设计方案,并建立了结晶器内钢水的流-热-固耦合模型,对钢水的流动、传热和凝固行为进行了数值耦合模拟分析,验证了此水口的优越性与合理性：伞形水口的射流在结晶器内形成上下两个回流区,不仅有利于夹杂物、气体等的上浮分离,还能有效降低钢流冲击深度,使过热钢液均匀分布在结晶器上部,可提高弯月面温度和化渣效果;沿周向凝壳生长均匀,减轻了纵裂纹的萌生概率;在0.35m/min拉速下,出结晶器凝壳厚度达到31.2mm,满足安全生产要求。     

Interracial Fluctuation Behavior of Steel/Slag in Medium-Thin Slab Continuous Casting Mold With Argon Gas Injection

The flow field of molten steel and the interfacial behaviour between molten steel and liquid slag layer in medium-thin slab continuous casting mold with argon gas injection were studied by numerical simulation, in which the effects of nozzle submergence depth and port angle, casting speed, and argon gas flow rate on the flow and the level fluctuation of molten steel were considered. The results show that the molten steel is jetted from the submerged entry nozzle (SEN) with three ports into the mold and forms three recirculation zones including one upper recirculation zone and two lower recirculation zones. Argon gas injection results in a secondary vortex flow in the upper zone near the nozzle. For a given casting speed and argon gas flow rate, increasing the side port angle and submergence depth of nozzle can effectively restrain the steel/slag interfacial fluctuation. Increasing the casting speed would prick up the level fluctuation. For a fixed casting speed, argon gas flow rate has a critical value, the interfacial fluctuation with argon gas injection are stronger than the case without argon gas injection when the argon gas flow rate is less than the critical value, but when the argon gas flow rate exceeds the critical value, the level fluctuation is calmer than that without argon gas injection.     

Interfacial Fluctuation Behavior of Steel/Slag in Medium-Thin Slab Continuous Casting Mold With Argon Gas Injection

 The flow field of molten steel and the interfacial behaviour between molten steel and liquid slag layer in medium-thin slab continuous casting mold with argon gas injection was studied by numerical simulation, in which the effects of nozzle submergence depth and port angle, casting speed, and argon gas flow rate on the flow and the level fluctuation of molten steel were considered. The results show that the molten steel jet from the submerged entry nozzle (SEN) with three ports into the mold and form three re-circulation zones including one upper re-circulation zone and two lower re-circulation zones. Argon gas injection results in a secondary vortex flow in the upper zone near the nozzle. For a given casting speed and argon gas flow rate, increasing the side port angle and submergence depth of nozzle can effectively restrain the steel/slag interfacial fluctuation. Increasing the casting speed would prick up the level fluctuation. For a fixed casting speed, argon gas flow rate has a critical value, the interfacial fluctuation with argon gas injection are stronger than the case without argon gas injection when the argon gas flow rate is less than the critical value, but when the argon gas flow rate exceeds the critical value, the level fluctuation is calmer than that without argon gas injection.