单流中间包气幕挡墙物理模拟研究

通过在实验室的物理模拟,研究透气砖底吹氩技术对中间包内钢液流动和夹杂物去除行为的影响。结合中间包内的停留时间曲线(RTD曲线)、平均停留时间及死区、活塞流体积分数,研究不同位置的透气砖对钢液流动特性的影响,并与不安装透气砖进行对比。结果表明,中间包底吹入气体后,能够有效改善钢液的流动状态,延长钢液的平均停留时间,并能延长响应时间、降低死区体积。当多孔导流隔墙距离中间包上沿600mm、气幕挡墙距多孔导流隔墙500mm时位置最优,平均停留时间最长,死区体积最小。     

中间包镁质挡渣堰的研制与使用

中间包设置挡渣堰是为了改变钢流的运动轨迹,从而达到以下目的:(1)适当延长钢液在中间包内的停留时间,使钢液中的夹杂物有足够的时间充分碰撞、聚集、上浮,以净化钢液;(2)使钢流到达各流中间包水口的时间基本相同,以均匀各流的温度,减少拉漏和结塞现象;(3)改变中间包的流场分布,使钢液流体动力状态达到最佳;(4)减少滞流区,增加层流区。     

广钢中间包流动控制的等温和非等温水模型

广钢中间包采用三流和入流非对称布置的结构,生产中钢水流动不稳定,温度不均匀.利用等温和非等温水模型分析了几种流动控制方案.模拟实验发现,采用带导流孔的V型堰板,可使1流和3流之间钢水平均停留时间差减少58.1%,温度差减少81.6%,死区由23.2%减至8.3%.     

中间包气幕挡墙技术的工业化应用

为适应中间包纯净钢冶炼的需求,进一步提高铸坯质量,以板状刚玉和烧结莫来石为主要原料,氧化铝微粉、二氧化硅微粉为结合剂,经振动浇注成型和1500℃3h热处理后制得显气孔率＞30％,透气度＞25μm2,孔径微小且分布均匀的高强气幕挡墙砖;同时根据某厂连铸中间包的操作工艺参数,进行了气幕挡墙中间包仿真优化,并付诸工业实践.数值仿真表明,中间包采用气幕挡墙技术优化后,尤其是将气幕挡墙砖安装在距钢液入口中心2400 mm的位置时,可最有效地改善钢液的流动状态,提高夹杂物去除率;实践证明,中间包使用优化气幕挡墙技术后,铸坯的总氧均值下降了37％,中间包的钢液洁净化功能得到了有效提高.     

连铸中间包多孔挡墙设置优化的数学物理模拟

采用水力学数学模拟的方法,研究了不同方案多孔挡墙对昆钢小方坯连铸中间包流动特性的影响.水力学模拟依据相似原理,用刺激-响应实验方法,测定不同工况下停留时间分布(RTD)曲线,得到不同方案多孔挡墙对中间包流体流动的影响,从而确定新挡墙的设计方案.用数学模拟的方法验证水力学模拟的合理性.研究结果表明,使用合适的多孔挡墙,可以延长水口响应时间及平均停留时间,活塞流体积分数提高27.5%,死区体积分数降低29.9%,中间包内流体流动特性得到明显改善.     

双条横稳电磁制动板坯结晶器内钢液流动与传热及凝固耦合的数值模拟

建立了板坯连铸结晶器内流动、传热和凝固耦合的数学模型,分析了在有无电磁制动下,结晶器内钢液流动、温度分布及凝固坯壳厚度的变化情况. 结果表明,在电磁制动的作用下,从浸入式水口流出的钢液速度得到了抑制,引入电磁场能减小射流冲击深度,有利于稳定和减少钢液面波动和促进凝固坯壳的生长,拉速为1.1 m/min时,结晶器出口处凝固坯壳厚度增加约2 mm.     

氧化锆质定径水口在使用温度下矿物组成分析

为研究连铸用氧化锆质定径水口在使用温度下矿物组成和微观结构,对以氧化镁部分稳定氧化锆(Mg-PSZ)为原料制备的定径水口产品进行模拟实验研究.实验条件为:模拟浇钢使用条件试样在1540℃×5h后水淬冷却,模拟翻包后自然冷却条件试样在1540℃×5h后随炉冷却.借助X-ray荧光分析仪、X-ray衍射仪、扫描电子显微镜对试样的矿物组成及显微结构进行表征.研究结果表明:以Mg-PSZ制备的氧化锆质定径水口产品在1540℃浇钢温度下矿物相以立方相为主,在翻包自然冷却过程中,缓慢的冷却速率导致部分立方相转变为单斜相,矿物相以单斜相氧化锆为主.氧化锆质定径水口产品在高温使用环境中结构均匀,平均颗粒尺寸10 μm,而翻包自然冷却后,由于缓慢的冷却速率,定径水口产品中稳定剂脱溶,导致立方相转变为单斜相氧化锆,平均颗粒尺寸7 μm.即通过翻包自然冷却后所取试样的研究结果不能代表氧化锆质定径水口在中间包浇注过程中实际使用状态.     

超宽板坯结晶器内流场和温度场的耦合数值模拟

以南钢3250超宽板坯结晶器为研究对象,基于商业软件FLUENT,建立了超宽板坯结晶器三维有限体积模型,对结晶器内钢液流动状况和传热行为进行了耦合数值模拟,研究了超宽板坯结晶器流场和温度场特征,考察了水口结构参数和结晶器宽度尺寸、水口倾角、水口插入深度、拉速、过热度及冷却强度对超宽板坯结晶器流场和温度场的影响,多组对比模拟计算结果表明,当浸入式水口出口倾角为15°,插入深度为120～150mm,拉速为1.2～1.4 m/min时,结晶器自由液面速度和湍动能分布以及注流冲击点深度均较为适宜,流场较为合理;同时结晶器内钢液的温度分布相对均匀,有利于坯壳的均匀形成.数值模拟结果可为优化南钢超宽板坯结晶器浸入式水口结构以及确定合理工艺参数提供理论依据.     

水口出口结构对大方坯连铸结晶器内流体流动的影响

基于相似理论,采用0.6:1的缩小水模型研究了采用不同出口结构的水口浇注时连铸大方坯结晶器内钢液、液渣以及气泡的运动行为.结果表明,使用直通型水口浇注时,液面波动较小,液渣层分布均匀,气泡和流股的冲击深度较深,气泡上浮困难,不宜采用吹氩工艺;使用双侧孔水口浇注时,液面波动合理,液渣分布较均匀,流股及气泡冲击深度较浅,流股冲击深度较直通型水口小30 mm左右:采用四侧孔水口浇注时,液面波动均匀,液渣分布均匀且活跃,气泡和流股冲击深度很浅,气泡容易上浮,四侧孔水口适用于浇注内部质量要求较高的钢种.     

连铸用浸入式水口内钢液流动行为

连铸结晶器内钢液流动的控制直接影响板坯及其产品的表面及内部质量。尽管结晶器内钢液流动缘于水口钢液流动,然而很少有人研究浸入式水口内的钢液流动。本研究中,用易熔合金模型和熔钢模型通过透明浸入式水口直接观察浸入式水口内钢液流动状况。其次,测量了商用结晶器弯月面排出的氩气。在易熔合金模型实验中,位势流和塞流的出现均与氩气流速、熔融金属流速及水口直径有关。减小氩气流速、增加熔融金属流速和减小水口直径会导致水口内弯月面高度上升。通过透明石英玻璃水口观察钢水流动。位势流和塞流的出现也都与氩气流速有关。通过对结晶器弯月面净氩气流速的测量,熔钢系统中,从上滑板吹入的氩气约20％被带入水口中。因此得出结论：在传统板坯结晶器中,钢水一定充满浸入式水口,并且在普通操作中,钢流一定像塞流。     

注流孔结构对中间包流场影响的物理模拟

针对某钢厂十流中间包紊流抑制器注流孔结构不合理引起流场分布差、各流铸坯质量不均的问题,运用相似原理,使用相似比为1:3的物理模型进行水模型实验,设计不同的注流孔结构研究流体在中间包的平均停留时间曲线及流场显示特征,明晰注流孔结构对中间包流场的影响规律,优化紊流抑制器注流孔结构,达到中间包流场优化及浸入式水口各流一致性提高的目标。结果表明,长距离多流中间包在无堰坝结构条件下,紊流抑制器的注流孔内径尺寸、数量及开孔方向对中间包流场都有影响,注流孔内径的影响最为显著,数量次之。设计的最佳注流孔内径由原型的53 mm缩小至30 mm,死区比例由54.05%降至34.69%,F曲线最大标准差由0.0154降低至0.0035,中间包流场得到改善,各流一致性显著提高。当注流孔数量由1个增加至3个,死区比例由34.69%增大至46.05%,F曲线最大标准差由0.0035增大到0.0062,注流孔数目越多,流场死区比例反而越大,各水口流场的一致性越差。对长距离多流中间包,建议主要通过适当改变注流孔内径及减少孔数来改善中间包流场,提高各流一致性。     

薄板坯连铸结晶器内钢液流动与传热及凝固耦合的数值模拟

针对断面为135 mm×1200 mm的薄板坯连铸结晶器,建立了4孔浸入式水口下薄板坯连铸结晶器内钢液流动、传热和凝固耦合的三维数学模型,引入F数评价薄板坯连铸结晶器内液面波动情况,分析结晶器内钢液流动、温度分布及凝固坯壳厚度的变化情况. 结果表明,用F数评价薄板坯连铸结晶器内液面波动可行,拉速由1.44 m/min增加到1.80 m/min时,钢液液面波动的F数由1.05增加到2.55,凝固壳厚度(dshell)与凝固时间(t)满足关系式dshell=18.92t1/2?1.05,模拟结果与文献实验结果基本一致.     

旋流中间包夹杂物碰撞去除的数值模拟

旋流中间包是在中间包注流区内设置旋流室，钢液经长水口从旋流室底部沿着切线方向流入中间包内，使重力势能转化为旋转动能，旋转的钢液促使夹杂物向旋流室中心聚集，促进夹杂物碰撞聚合长大。用ANSYS Fluent中的PBM模型模拟了夹杂物在旋流中间包内碰撞聚合长大，用DPM模型模拟不同粒径夹杂物的轨迹和去除率。结果表明，相同操作条件下，考虑夹杂物之间的碰撞聚合时，无旋流室中间包的夹杂物平均直径从3.93 μm增至4.25 μm，夹杂物去除率为40.07%；旋流中间包夹杂物的平均直径从3.93 μm增至4.35 μm，夹杂物去除率从30.09%提升至43.20%。旋流中间包对夹杂物的去除能力优于无旋流室中间包。     

中间包结构及包衬耐火材料对钢水清洁度的影响

通过中间包砌筑结构的变化,分析了钢水内不同级别的颗粒夹杂物上浮的机率;又通过中间包内渣层中示踪剂的变化,分析了包衬耐火材料在单炉钢水冲刷下的侵蚀量,从而定量判定了中间包结构及包衬耐火材料侵蚀对钢水清洁度的影响程度。     

薄板坯中间包镁质喷涂料的侵蚀机理

借助SEM、EDS、XRD等分析手段,观察和分析了用后中间包镁质喷涂料的显微结构,研究了镁质喷涂料的侵蚀机理。结果表明:在研究条件下,以烧结镁砂为主要原料的镁质喷涂料基质中低熔物与渗入的熔渣中的Al、Si、Ca、Fe反应生成复杂的钙铝铁硅酸盐,形成粘度适中的液相向原质层渗透,在使用温度梯度下形成一层致密层,阻止渣往涂料深处进一步渗透,提高了材料的抗侵蚀性能,实现涂料的长寿命;钢渣中的Fe、Mn、Si与MgO形成橄榄石固溶体,对涂料的抗侵蚀性能有一定贡献。     

帘式折流片换热器壳程流体流动死区

对帘式折流片换热器壳程流体流动死区大小及分布规律进行了数值模拟和实验研究。研究表明,帘式折流片换热器壳程流体流动死区大小随着Re的增加而降低;流动死区的大小和分布规律受折流栅装配方式的影响,折流栅同向装配时壳程死区小于折流栅对称装配,当壳程Re分别为5000、10000和15000时,折流栅同向装配时的帘式折流片换热器壳程死区分别为折流栅对称装配时的50.5%、51.6%、43.0%。     

异钢种连浇交接坯长度与位置预测模型

以重钢1#板坯连铸机为对象,通过水力学物理模拟研究了通钢量和中间包余钢量与铸坯长度方向无量纲浓度的关系. 结果表明,增大通钢量和降低余钢量都会减小交接坯长度,在重钢浇注条件允许的最大通钢量及余钢量变化范围内,通钢量对同一时刻无量纲浓度影响的最大差为21%,余钢量不同产生的最大差为73%,说明余钢量对交接坯长度影响更显著. 在水模实验基础上通过数学回归和插值法,建立了异钢种连浇过程铸坯交接坯位置和长度的预测模型,并通过实际交接坯取样分析对模型进行了修正. 修正模型预测结果与现场取样结果比较,预测精度达95%,高于相关文献水平.     

中间包水模型数据的流出百分比分析方法

针对已有停留时间分布曲线或F曲线分析方法在归一化过程中,将单流中间包流出百分比或多流中间包中各流流出百分比之和限定为100%,将示踪剂流出总量信息掩盖,导致结果不精确的问题,本工作提出了流出百分比的分析方法,通过计算可以将物理实验结果转化为各流实时的流出百分比曲线。以流出百分比曲线为基础,计算得到时间加权平均方差和剩余示踪剂百分比,并以此对单流、四流中间包水模型实验结果进行分析。结果表明,采用流出百分比方法能对实验结果进行校对,进一步验证实验的可重复性。同时可对比双挡墙和U型挡墙控制装置设置下,四流中间包监测时间终点流出百分比差异及两倍理论停留时间时刻的死区比例大小。并可直观对比多流中间包不同挡墙下各流的一致性,及在单流堵塞后示踪剂在其他各流的分配及一致性。