板坯连铸结晶器钢液流场的数学模拟

用Fluent流体力学的三维计算软件 ,运用湍流脉动动能κ方程和湍流脉动动能散耗率ε方程的κ-ε双方程模型在给定的数值计算条件下 ,对板坯连铸结晶器内钢液的流场进行了模拟研究 ,结晶器钢液流场的基本特征为 :在结晶器出口方向存在一个速度较快的水平流 ,其冲击到结晶器壁时形成回流 ,把结晶器内钢液分割成上下两个回流区。通过数值计算得出 ,1250 mm × 200 mm板坯结晶器水口合适插入深度为 175mm ,出口倾角 16°～18°和合适拉坯速度为 10～12m/min。     

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。     

304不锈钢板坯连铸结晶器水口结构优化的数值模拟

通过数值模拟研究了304不锈钢200mm×1 550 mm板坯结晶器内用原水口时的钢液流场及钢-渣界面的特征。结果表明,原水口的结晶器流场的上回流过强,钢-渣界面的不稳定,结晶器窄边渣液层薄,易发生卷渣和钢液裸露;最优化水口结构为将原水口V型底部改成凹型、增加水口出口形状的锥度、向上倾角10°。     

板坯连铸结晶器内氩气泡行为的模拟研究

针对氩气泡在板坯连铸结晶器中的运动行为,以190 mm×1 900 mm板坯连铸结晶器原型为研究对象,采用水力学模型及数值模拟的方法,重点研究了拉速为1.7 m/min时不同水口吹气量对结晶器内气泡大小、气泡分布、液面波动、渣-金行为等的影响。研究结果表明:随着水口吹气量增加,气泡尺寸逐渐增加,结晶器窄边气泡数量不断减少,气泡大都聚集在水口附近上浮,水口吹气量是引起乳化卷渣、水口附近液面裸露及卷渣等的主要因素。     

厚板坯连铸结晶器流场数值模拟

针对鞍钢新轧钢第一炼钢厂厚板坯连铸结晶器建立了三维湍流数学模型和三维实体模型.应用有限元软件对厚板坯连铸结晶器内的流场进行了模拟,计算了铸机拉速、浸入式水口出口倾角和水口浸入深度等工艺参数对结晶器内钢液流动的影响.对比表明,数值模拟结果与水模实验结果相符.     

宽板坯连铸结晶器浸入式水口结构优化的研究

针对宽板坯连铸生产现状,采用商业软件PHOENICS对其建立三维数值模型,模拟宽板坯连铸结晶内钢液的流场分布.研究了不同水口倾角、插入深度及拉速等参数条件对结晶器内流场的影响,得出了适用于宽规格结晶器合理的浸入式水口.这为优化宽板坯结晶器内钢液的流场及浸入式水口结构及确定合理的工艺参数提供了科学依据.     

板坯连铸机结晶器内钢液流场的数值模拟

基于流体力学的基本理论,利用商业软件fluent的,κ-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形状、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1280 mm × 180 mm的板坯结晶器,水口插入深度为150 mm,水口倾角为向下15°,拉坯速度为1 m/min时,结晶器内的流场较好.     

亚包晶钢板坯纵裂成因与浸入式水口改型

针对某厂连铸机浇注亚包晶钢板坯表面纵裂纹发生率较高的问题,分析了双侧孔浸入式水口对裂纹形成的影响。在此基础上对浸入式水口结构进行优化,开发了新型浸入式水口。通过模拟研究和生产应用分析,对比了双侧孔浸入式水口与新型浸入式水口结构的差异以及两者对结晶器内流场和温度场的影响。结果表明,采用双侧孔水口浇注时,结晶器钢液流场和温度场分布不合理,导致结晶器内液渣层厚度不均匀,尤其是水口与结晶器壁之间位置液渣层厚度偏薄,从而诱发了板坯表面纵裂纹缺陷的大量发生,纵裂纹集中在板坯宽面中心400 mm范围,裂纹长度50～1 200 mm,深度2～12 mm;采用新型浸入式水口更有利于水口与结晶器壁间钢液流动,增加水口出入口钢液束流能力,使结晶器内钢液流场对称、温度场分布均匀、液渣层厚度均匀增加,亚包晶钢板坯表面纵裂纹改善显著,表面纵裂纹发生率由10.9%降低至1.5%。     

板坯结晶器内钢液流场的数值模拟

应用计算流体力学（CFD）的基本理论,利用大型商业软件Fluent建立了1个板坯结晶器的三维有限体积模型,对板坯结晶器内的钢液流动进行了三维数值模拟。重点研究了浸入式水口插入深度,水口侧孔倾角和拉速等工艺参数对结晶器内钢液流动状态的影响。结果表明：改变这些影响因素在一定程度上可以起到改善钢液流动状态的目的．但通过改变这些影响因素并不能完全实现对结晶器内钢液流动状态的有效控制,尤其是对液面波动和对窄面冲击强度的控制。     

板坯连铸浸入式水口控流的物理和数值模拟

浸入式水口结构从根本上决定了结晶器内的钢液流动形式，采用物理模拟和数值模拟方法研究了水口结构及铸坯断面尺寸对板坯结晶器流动行为的影响。通过解析速度云图、表面流速、液面波动、冲击深度及保护渣覆盖情况等特征参数，对结晶器内钢液流动行为进行多角度定量表征。结果表明，水口侧孔倾角向上对1 600 mm×220 mm断面结晶器流场液面扰动较大，其倾角向下15°时射流冲击深度较大，倾角向下8°时最为适宜。水口底部形状会影响钢液的湍动能耗散及流场对称性，对比后得出凹底水口为最佳水口形状。侧孔形状对表面流速影响较小，但对自由液面波动有显著影响，可能导致钢液裸露；当水口侧孔面积一致时，矩形侧孔水口条件下的结晶器液面裸露面积小于跑道形侧孔和方形侧孔情况。而在浇注不同断面尺寸时，仅通过改变水口结构和使用工艺难以获得合理的结晶器流场，还需要借助其他控制流动的手段来推动未来板坯多元化生产的发展。本研究可为改善板坯质量提供理论与工艺指导。     

奥氏体不锈钢板坯连铸结晶器锥度的优化

针对奥氏体不锈钢连铸中的质量问题 ,对太钢三炼钢 1260mm× 160mm板坯结晶器的锥度进行了分析。通过不锈钢铸坯在结晶器内收缩的计算和拉坯速度、过热度等工艺参数对铸坯收缩影响的分析 ,得出采用双锥度结晶器比单锥度结晶器更符合铸坯在结晶器内的收缩规律 :液面附近 80～200mm区域采用较大锥度 ,液面下 200～800mm的结晶器下部 ,采用较小锥度 ,并在此基础上设计了曲线锥度结晶器。生产试验表明 ,双锥度设计显著改善了铸坯质量 ,消除了窄面鼓肚和中间凹陷等缺陷     

浸入式水口结构对409 L钢连铸坯表面“卷渣”的影响

基于太钢409 L钢连铸生产工艺及板坯连铸机工艺参数,采用水模型实验和工业试验相结合方式研究了浸入式水口结构对结晶器内钢水流动行为及其对连铸坯[200 mm×(1 060～1 240 mm)]表面"卷渣"的影响。结果表明:使用原浸入式水口(侧孔48 mm×70 mm,和上倾15°)结晶器内钢液流场不稳定,对应连铸坯表面存在严重"卷渣"缺陷;在不改变水口结构条件下,上倾5°和上倾10°水口均无法解决连铸坯表面"卷渣";32 mm×52 mm小侧孔水口能有效解决小断面[200 mm×(900～1100 mm)]或低拉速(0.7～0.9 m/min)时409 L钢表面"卷渣";Φ60 mm内径水口对应结晶器中心平均波高在3.5～4.5mm,连铸坯表面"卷渣"缺陷由原来的36.5%降低至0.8%,该型水口不仅能适用现有断面[200 mm×(900～1320 mm)]及拉速(0.7～1.1 m/min)要求,还能提升连铸坯实物质量。     

Three-dimensional analysis of molten steel flow in slab continuous casting mould with rotated ports in submerged entry nozzle

Abstract

The purpose of this study is to develop a three-dimensional (3D) analysis system capable of analysing the flow field of molten steel in the slab continuous casting mould with rotated ports in the submerged entry nozzle. The ultimate goal is to obtain the optimal design for the entry ports of the submerged nozzle, which can introduce favourable flow patterns to remove non-metallic inclusions and avoid entrapment of molten slag and casting powder to produce steel slab of high cleanliness. In this study, a computational fluid dynamics technique, Sola-Surf, is employed to conduct the 3D fluid flow analysis. The technique has the capability of treating fluid flow problems with a free surface that slightly vibrates. The slightly vibrating free surface presents fairly accurately the behaviour of the molten slag–casting powder layer in the continuous casting mould. The developed simulation system is then tested on a slab continuous casting mould to analyse the fluid flow behaviour of molten steel under various nozzle designs. The design conditions include submerged depth of the nozzle, tilted angle of the nozzle port, and rotated angle of the nozzle port. The results of the simulations show that of the various design factors rotation of the nozzle entry ports has the greatest effect on the flow pattern. It can prolong the residence time of the molten steel and stabilise the molten slag–casting powder layer, which is very favourable for obtaining continuous casting slag of high cleanliness.     

板坯连铸结晶器内钢液流动过程的模拟仿真

板坯连铸结晶器内钢液的流动方式对去除钢水中夹杂物，防止残渣和保护渣卷入钢水，防止注流冲刷凝固固造成漏网和拉裂很重要。本文开发了描述结晶器内三维湍流流动的数学模型和计算程序Ｍｏｕｌｄ１．０，对结晶器内的流动现象进行了模拟研究，观察了双侧孔浸入式水口的张角和浸入深度及浇铸速度对结晶器内流动行为的影响。计算模拟结果与实测结果进行了比较。     

唐钢FTSC工艺薄板坯连铸粘结的原因及预防措施

通过结合唐钢薄板坯连铸的生产实践,从钢水纯净度及温度、结晶器内钢水液位波动、锥度控制、设备状况、保护渣性能等几个方面分析薄板坯连铸粘结的机理和影响因素,并提出相应的预防措施,使粘结几率有较大幅度的降低。     

板坯角横裂成因及控制措施

针对微合金化钢角部横裂纹缺陷,从连铸工艺角度分析了板坯角横裂的形成原因,提出了微合金化钢角部横裂纹缺陷的控制措施。通过优化二次冷却强度、稳定结晶器液面、提高铸机精度、调整二冷喷嘴宽度、采用倒角结晶器及控制钢液增氮等措施,提高了铸坯表面质量,板坯角部横裂纹得到了有效改善,缺陷发生率由24%降低至2%。     

1 900 mm连铸板坯表面横裂纹成因的分析

分析了在连铸生产中钢的化学成分、工艺参数、结晶器、保护渣、二冷工艺等因素对1900mm铸坯表面横裂纹的影响，并提出了采取的工艺措施。     

板坯连铸异钢种连浇混浇坯长度及成分变化模型的开发及应用

基于建立的连铸中间包及结晶器内钢液混合过程的物理模型,开发了板坯连铸异钢种连浇过程混浇坯长度及成分变化模型。以某钢厂单流板坯连铸机220 mm×1560 mm断面Q235与Q335Ti钢的混浇过程为研究对象,采用水模型试验结合数值模拟确定模型的关键参数,并通过开展现场试验对混浇坯取样验证模型的准确性。结果证明:混浇坯成分取样与模型预测的成分偏差小于5%,且模型预测的混浇坯长度与人工确定的一致。故采用该模型可跟踪不同混浇工况下中间包内及铸流上钢液的混合行为,准确预测混浇坯的长度以及成分变化规律。采用该模型研究了拉速及中间包内剩余钢液质量对混交坯长度及不同浇注长度铸坯C元素质量分数变化的影响规律。发现当拉速保持不变时,中间包内剩余钢液越多,混浇坯越长;当中间包内剩余钢液质量保持不变时,拉速越大混浇坯越短。相比而言,中间包内剩余钢液质量比拉速对混浇坯长度的影响更大。另外当拉速不变时,随着中间包内剩余钢液质量的增加,C元素质量分数由0.16%变化到0.18%的速率减慢;当中间包内剩余钢液质量不变时,随着拉速的增加,C元素质量分数由0.16%变化到0.18%的速率增加。因此异钢种连浇过程,适当提高拉速以及减少中间包内剩余钢液质量,可有效减少混浇坯长度,成分变化速率降低。      

板坯连铸结晶器电磁制动技术及其应用

叙述了板坯连铸结晶器中应用电磁制动技术的发展、研究状况。电磁制动技术可以控制结晶器内钢液的流动，减少结晶器保护渣的卷渣，有利于结晶器内夹杂物的去除，从而提高铸坯质量，并有利于提高铸坯拉速。研究结果表明电磁制动特性取决于板坯宽度、浇铸速度、氩气流速和浸入式水口(SEN)形状等浇铸参数，介绍了各种浇铸参数对电磁制动效果的影响。     

管线钢浇次头坯夹杂物控制

研究了管线钢浇次头坯夹杂物的主要来源及控制措施。采取将浇次头坯轧制成热轧板和在热轧板取样分析的试验方案,得出热轧板和铸坯夹杂物分布。结果表明开浇初期4 m以内的头坯存在2级以上的B类夹杂物和保护渣卷渣。开浇初期钢水注流的二次氧化是导致头坯夹杂物超标的主要因素。提出开浇初期增加吹氩量和适当延长吹氩时间能够较好的排除中包空气,对降低注流二次氧化起到很好作用。