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.     

水口结构对板坯结晶器液面流动行为的影响

针对不锈钢板坯轧材经常出现的夹渣和表面翘皮现象,以实际生产条件为背景,对其连铸结晶器内钢液流动行为与水口工艺的相关性进行了试验研究。基于相似原理建立了相似比0.65∶1的物理模型,对不同浸入式水口结构和浇注工艺参数下的结晶器液面状态进行了流体动力学行为评价与比较优化。其中,主要研究了拉速、浸入深度、水口倾孔倾角(4°、8°、15°)、侧孔形状(矩形、倒梯形)等对结晶器内液面波动和表面流速的影响。结果表明,连铸拉速和水口浸入深度对液面波动的影响比水口结构显著;水口上倾角由4°增大到8°、15°,结晶器表面流速有减小趋势,但因流股冲击深度减小,导致在结晶器弯月面处的波高增大。综合表明,针对实际连铸拉速1.10 m/min的需要,其适宜的水口结构为倒梯形水口侧孔、上倾8°,其在水口浸入深度110~120 mm范围内,液面平均波高为1.1~1.2 mm,平均表面流速约为0.103 m/s。同时用数值模拟方法比较了优化方案和原方案,同样表明优化方案液面较平稳,剪切卷渣概率较低。     

高拉速方坯连铸结晶器钢渣界面行为特征

对于高拉速连铸,结晶器内高通钢量下的钢液与保护渣流动行为控制是保证结晶器区合理凝固与冷却控制的重要一环。通过建立三维方坯连铸结晶器内多相流动、传热与凝固耦合数学模型,研究结晶器内高速钢液瞬态流动现象及其对液面波动与保护渣流动的影响。结果表明,结晶器内高速钢液冲击钢渣界面使弯月面处形成明显的凸起,同时导致水口附近界面波动剧烈。液态保护渣的流动行为受液面波动影响较大,不连续的保护渣流入造成了厚度不均匀的固态渣膜形成,不规整的固态渣膜转而又阻碍了液态保护渣的流入。     

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.     

宽厚板坯连铸结晶器内气液界面波动行为的实验研究

通过物理模拟研究了2200mm×280mm 宽厚板坯连铸结晶器吹氩时其内界面波动行为,考察了吹气量、拉速对结晶器内液面波动的影响。结果表明:结晶器吹氩后,各气量下液面平均波高均增加了1.2倍以上,且液面影响的区域集中在距水口2/3断面宽度范围内,弯月面附近的波动影响则较小。与常规板坯连铸结晶器内液面平均波高随吹气量、拉速的增加而增大的规律不同,本实验中随这两个工艺参数的增加液面平均波高均先增大后减小,并从实验条件下得出了控制液面波动的最佳气量。     

电磁制动下钢液射流及钢-渣界面波动行为的数值模拟

建立了描述全幅一段电磁制动作用下结晶器内钢液射流及钢-渣界面波动行为的数学模型,采用数值模拟方法研究了不同电磁参数对结晶器内钢液射流及其引起的钢-渣界面波动行为的影响,分析了磁感应强度及水平磁极与浸入式水口之间距离变化对结晶器内钢液射流行为和钢-渣界面波动行为的影响。结果表明,当全幅一段电磁制动稳恒磁场同时覆盖射流冲击区域、上返流和下返流区域时(D=20mm),电磁制动的施加可以有效控制钢液射流结构,降低上返流和下返流钢液流速,稳定钢-渣界面波动;当电磁制动水平磁极与浸入式水口垂直距离较远时(D=220mm),增大磁感应强度不能对结晶器内上返流区域钢液流速进行抑制,不利于钢-渣界面波动的稳定,增大卷渣发生几率。     

电磁搅拌宽厚板结晶器内钢液流动和液面波动

为合理控制宽厚板结晶器内的钢液流动和液面波动,提高铸坯质量。通过数值模拟的方法研究了2 200 mm×250 mm连铸结晶器内的钢液流动和液面波动行为。考察了搅拌位置对流动和液面波动行为的影响规律。结果表明,电磁搅拌可增强上回流区域钢液流动,有利于均匀钢液成分和温度。电磁搅拌可使水口附近钢液的流速增加约0.04 m/s,增强了对水口附近钢液的搅拌。提高搅拌位置,搅拌产生的水平旋流增强了下返流流速,使熔池内下涡心位置上移。钢液的水平旋流使上返流发生偏转,减弱了上返流流速,降低了对液面的直接冲击,减小液面波动。适当提高电磁搅拌器位置有利于控制液面波动。电磁搅拌器中心位置Y=-0.1 m时,液面波动可由7.5 mm降低到3 mm以内,可减小液面卷渣,流场具有很好的对称性。     

静磁场对吹氩结晶器内弯月面行为的影响

用Pb-Sn-Bi液态合金模拟了吹氩和施加静磁场时结晶器内弯月面处的流动现象,观察磁场对吹氩引起的弯月面失稳的抑制作用.结果表明,施加磁场改变了Ar气泡通过弯月面的漂浮分布规律,加强了气泡在水口和窄面之间的漂浮,使Ar气泡在结晶器宽度方向上漂浮分布更均匀,减小了水口附近由于大量气泡上浮对液面的扰动.施加0.5 T磁场能对水口出流以及吹氩所产生的液面波动产生抑制作用.由相似准则推得,应用在实际连铸机上抑制吹氩板坯连铸结晶器内液面波动的合适磁场强度为0.36 T.     

直通型水口浸入深度对220 mm×260 mm方坯结晶器流场影响

结晶器内钢液流动状态会直接影响铸坯的质量,不合理的流场会导致液面流速过大,弯月面波动过大,造成卷渣。采用几何相似1：1水模型和Fluent流体力学软件研究了220 mm×260 mm方坯结晶器直通型水口浇注下,不同浸入深度对结晶器液面波动、表面流速、流场分布、冲击深度、保护渣覆盖的影响。结果表明：直通型水口流股集中,冲击深度较大,液面波动均匀,波动受浸入深度和拉速的影响较小。保护渣渣层覆盖良好,渣层均匀,出现卷渣的可能性较小。综合考虑冲击深度,保护渣活跃程度,结晶器电磁搅拌的影响,现场合适的浸入深度为80～100 mm。     

宽厚板坯结晶器内气液界面波动行为规律的实验研究

通过物理模拟研究了2200×280mm2宽厚板坯结晶器吹氩时其内界面波动行为,考察了吹气量、拉速对结晶器内液面波动的影响规律。结果表明：结晶器吹氩后,各气量下液面平均波高均增加了1.2倍以上,且液面影响的区域集中在距水口2/3断面宽度范围内,弯月面附近的波动影响则较小。与常规板坯结晶器内液面平均波高随吹气量、拉速的增加而增大的规律不同,本实验中随这两个工艺参数的增加液面平均波高均先增大后减小。本文从实验条件下得出了控制液面波动的最佳气量。     

水口结瘤对板坯连铸结晶器钢水行为影响的数值模拟

以230 mm×1 600 mm板坯连铸机结晶器为研究对象,采用CFD数值模拟的计算方法,建立了VOF模型,研究了连铸水口结瘤对钢渣界面波动与钢液流动行为的影响。研究结果表明,当水口无结瘤时,结晶器内流场为典型的双环流形貌。当水口有结瘤时,结晶器内水口两侧会出现严重的非对称流,结瘤侧流股范围小,非结瘤侧流股范围大。水口不结瘤一侧动能增大导致结晶器下涡心位置下降,会使钢液冲击深度增大;水口结瘤一侧水口因涡心位置较高,加剧了弯月面处的波动和钢渣表面的波动紊乱。结瘤情况下的钢液波动较大,最大波动差为4.03 mm;不结瘤情况下钢液波动较平稳,最大波动差为1.4 mm。     

水口吹氩工艺条件下连铸结晶器内钢液流动行为的模拟和优化

采用冷态物理模拟方法研究了在吹氩工艺条件下板坯连铸结晶器内钢液的流动行为,考察了水口吹气量、水口插入深度和拉速等参数对连铸结晶器内钢液流动行为的影响,并在此基础上进行了优化设计.实验结果表明:在本实验条件下,当拉速大于0.8m/min时,水口吹气量可选择为4～6 L/min,水口插入深度可选择为180～200 mm.     

连铸中间包水口堵塞的数值模拟

采用数值模拟方法研究了水口内钢水流场形态及各种因素对水口沉积速率的影响．模拟结果表明：滑板附近处以及水口底部的沉积比其它地方更为明显;吹氩量对水口内的压力存在较大的影响,压力在滑动水口处存在突降;滑动水口开度为66．45％时,浇铸速度为1．2m／min的情况下,要防止吸气,最小吹氩量必须大于10L／min．Al2O3的沉积速率与其浓度成线性增加关系;随着浇铸速度的提高,沉积速率也逐步增大．在吹氩量合适的范围内,吹氩能够降低沉积速率．对于同一拉速,5和30L／min的吹氩量对降低沉积速率的效果相近．     

高拉速板坯连铸结晶器内钢/渣界面行为的数值模拟

用数值模拟方法研究了高拉速下拉速、水口出口角度、浸入深度、铸坯宽度和保护渣黏度对钢/渣界面行为的影响规律,并利用水模型实验进行了验证.研究表明,在一定拉速下,增加水口浸入深度和向下的张角能有效抑制钢/渣界面波动;熔渣黏度对钢/渣界面形状几乎没有影响,而界面速度随熔渣黏度的增加而减小.     

EMBr对高拉速薄板坯钢水动态行为影响的模拟

在高拉速薄板坯的生产工艺研究中,结晶器内钢水流场是决定坯壳均匀性、液面卷渣概率等铸坯质量问题的关键因素。EMBr能够显著改变钢水流场,是改善这些问题的关键工艺技术。因此,对结晶器内钢水流场的模拟、分析与优化是必不可少的工作。以往的研究中,相关的数据与理论指导较少,针对薄板坯无头轧制产线,高拉速连铸机的分析与研究更鲜有报道。因此基于该高拉速连铸机,采用数值模拟方法获得了结晶器内不同电磁制动电流强度的磁感强度分布。采用电磁与多相流耦合模式,针对不同磁感强度条件下的结晶器钢水流场分布与液面形貌进行了仿真模拟,并分析了电磁制动对液面波动的影响。结果表明,基于固定的工况环境,电磁制动电流值为175 A时钢水流场分布均匀,钢水液面流速相对最低,最高流速约为0.6 m/s,同时液面高度差与剪切角相对最小。该条件最有利于减少因坯壳不均或液面卷渣造成铸坯缺陷的概率。电流值225 A相比125 A时,钢水液面位置磁感强度仅提高0.02 T,液面到达稳定时间仅缩短约1 s。因此存在综合评判下的最优电流值。     

吹氩条件下结晶器钢渣液面波动行为

为深入揭示不同工艺条件下结晶器钢渣界面行为,采用Fluent流体力学软件对某钢厂断面为1 000 mm×230 mm的结晶器进行数值模拟。分析不同拉速(0.9~1.5 m/min)、水口倾角(12°~15°)和氩气流量(0~6 L/min)对结晶器钢渣界面波动的影响。结果表明,吹氩量为4 L/min时,拉速的增加会减小氩气泡上浮对结晶器水口附近钢渣界面的扰动,但靠近结晶器窄面处波高会随着拉速增大而加剧;氩气流量的增加使水口周围钢渣界面波动加剧,窄面附近波动由于氩气泡上浮对钢液湍动能的消耗增加而变得平稳;水口倾角对钢渣界面影响较大,倾角较小时,氩气泡上浮距离变短,水口周围和窄面附近波高和速度都比较大。     

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。     

电磁制动下薄板坯结晶器内钢液流动优化

电磁制动对结晶器内钢液流动具有显著影响,为明确电磁力对高拉速薄板坯结晶器内流场分布的影响规律,建立了薄板坯电磁连铸结晶器内钢液流动的三维数学模型,利用数值计算方法研究磁场与流场耦合对钢液的流动影响。模拟结果表明,五段式电磁制动技术产生的恒稳磁场可以显著抑制钢液湍流流动,降低弯月面波动,且具有稳定钢渣界面的作用;通过研究高拉速与制动力的产生关系,揭示了由线圈产生的磁感应强度与不同拉速的匹配程度。     

提高唐钢FSTC薄板坯连铸机拉速实践

为提高唐钢FSTC薄板坯连铸机拉速,采用了精准控制钢水成分和温度,开发高拉速专用保护渣,优化浸入式水口和结晶器结构,应用电磁制动技术等措施,使铸机最高拉速由4.5提高至6.0 m/min,且提拉速后铸坯表面质量良好,内部组织无偏析、缩孔、疏松等缺陷,生产的热轧卷具有良好的组织和性能。