薄板坯连铸凝固过程及溶质偏析的三维耦合数值模拟

采用基于体积平均的有限控制体法，对Fe—C二元合金薄板坯连铸凝固过程进行了紊流流动、凝固及溶质传输的三维耦合数值模拟。计算结果表明，钢液的紊流流动显著改变了薄板坯内温度场形状及溶质浓度的分布。浸入式水口产生的射流对铸坯宽面的冲刷造成了凝固坯壳厚度沿宽面的不均匀分布。同时分析了宏观偏析的形成及可能形成的位置。     

拉速对薄板坯连铸过程中流场、温度场及溶质偏析的影响

针对薄板坯连铸过程中的动量传输、热量传输及溶质传输过程，建立了一个三维三场耦合数学模型。模拟计算了薄板坯连铸过程中的紊流速度场、温度场及溶质场分布，计算分析了拉速变化对三场及凝固过程的影响。结果表明，提高拉速显著增强了铸坯内钢液的紊流流动，改变了温度场形状及溶质浓度的分布。提高拉速导致铸坯上表面钢液流速加快，增加了弯月面的波动，使得射流对窄壁的冲击力变大、凝固坯壳变薄，并有减小溶质偏析的趋势。     

薄板坯连铸凝固过程中宏观偏析的数值模拟

建立了连铸凝固宏观传输过程的温度场、溶质场、紊流流场模型,并对其进行了耦合求解.模拟分析了薄板坯凝固过程和宏观偏析的形成过程.计算表明,浸入式水口射流冲击到结晶器窄壁后形成上下两股回流,液相的紊流流动对传热、传质等都有显著的影响.随凝固的进行,液相中的溶质不断富集,最终在铸坯的中心区域形成宏观偏析.采用Schneider等的溶质传输模型,计算了固相溶质逆扩散对糊状区及固相溶质分布的影响.     

基于多场耦合模型的连铸结晶器内钢液凝固行为分析

针对连铸结晶器内钢液的流动、传热、凝固耦合变化问题,应用连续介质力学和能量守恒理论,建立了板坯连铸结晶器内钢液流动、传热和凝固的三维非稳态数学模型。在此基础上,应用COMSOL软件进行数值模拟和分析。将耦合模型计算得到的凝固坯壳厚度与经验公式进行对比验证,总体符合较好。结果表明,结晶器内钢液流动的基本特征与单流场模型相比并没有发生变化。但是,钢液的上、下回流涡心到自由面的距离及流股冲击深度均有所减小。在靠近结晶器窄面的部分区域由于凝固坯壳的形成,不会出现钢液流动现象。由于凝固坯壳的存在,自由面钢液流速变大,自由面钢流波动更加剧烈。由于钢液的强制对流传热,结晶器内部钢液温度并不是由内到外逐渐降低的,而是出现了小幅度的波动。在结晶器出口处钢液温度较低,且分布不均匀,部分区域温度梯度较大。由于钢液的对流作用促进了钢液的热量传递,结晶器出口处窄面、宽面及角部凝固坯壳更厚。     

连铸工艺参数对薄板坯热应力的影响

采用ANSYS软件对薄板坯连铸机漏斗型结晶器内钢液的凝固过程进行模拟,分析拉坯过程中坯壳的热应力状况,并引入了成裂指数的概念.研究表明,当拉速为4.0 m/min,过热度在14℃时,铸坯越接近结晶器出口时,裂纹越易产生于坯壳宽面中心位置;过热度对薄板坯在结晶器内热应力场的分布影响不大;在钢液凝固初期,适当提高拉速有利于减少角部产生裂纹的可能性.     

薄板坯连铸机结晶器的主要特点及其技术进步

介绍了薄板坯和中薄板坯连铸机结晶器的形状和主要特点,对比分析了不同类型结晶器内钢液的表面积、钢液流动、结晶器传热、薄板坯厚度、拉坯速度等对连铸过程和铸坯性能的影响,讨论了鞍钢ASP采用的先进技术,指出近年来新建和改造的薄板坯连铸机结晶器厚度呈现增加的趋势,从而解决了设备运行的一些问题,改善了铸坯的品种质量.     

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.     

薄板坯连铸及其铸坯表面缺陷的形成机理

薄板坯连铸连轧技术已成为了钢铁冶金技术发展的主要趋势之一,但薄板坯连铸具有拉速高、凝固速度快、铸坯宽厚比大等特点,使得铸坯容易出现表面夹渣、表面裂纹等缺陷,而这些铸坯表面缺陷问题的产生与结晶器流场、温度和热流分布有直接的联系。因此,对薄板坯连铸结晶器内高温动态行为进行系统地概述,并在此基础上分析了铸坯表面缺陷的形成机理。研究表明,薄板坯连铸结晶器内钢液流动更加紊乱、涡流速度更快,这不利于夹杂物的上浮,且容易导致卷渣的发生,增大铸坯表面夹渣缺陷产生的可能。此外,在钢液湍流和涡流的作用下,铸坯内温度分布不均,加上在高拉速下结晶器内热流更大,这使得铸坯表面更易产生裂纹缺陷。     

板坯连铸机内钢液流动和夹杂物碰撞长大行为

采用数值模拟方法研究了板坯连铸机内钢液流动、夹杂物碰撞聚合行为.由于凝固坯壳的向下运动和上升流股的相互作用,在结晶器窄面附近形成一个角部涡.此角部涡的存在使夹杂物的浓度、数量密度和特征尺寸的分布在结晶器窄面附近产生一个极值.数值模拟结果还表明钢液的对流输运是影响夹杂物分布的重要因素.由于钢液上部回流区的存在,夹杂物分布显现环状特征.在结晶器下部,由于壁面效应和夹杂物碰撞聚合,夹杂物在中心截面上形成"W"形分布,在水平截面上形成"8"字形分布;而在铸坯窄面和水口下方对称面处,夹杂物形成"V"形分布.     

宽断面板坯结晶器内钢水流动、传热和凝固过程的数值模拟

建立了求解宽断面板坯结晶器内的钢液流动、传热和凝固数学模型,研究了不同浸入式水口结构、铸坯宽度、铸坯厚度和拉速等工况条件下,宽断面板坯结晶器内的流动、传热和凝固行为。结果表明：随着铸坯的宽度从1 800 mm增加2 200 mm时,从浸入式水口侧孔出来的射流在结晶器下部的影响范围更广;宽断面结晶器中的浸入式水口结构对不同铸坯断面和拉速下的流动和凝固行为产生较大的影响;在生产中需根据宽断面结晶器的流动及传热特点进行水口结构及工艺参数的优化。     

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。     

薄板坯连铸结晶器内钢液凝固行为的研究

针对薄板坯连铸漏斗型结晶器内凝固过程,采用热弹塑性有限元法,考虑铸坯与铜板的接触状态,建立了热力耦合模型。模拟分析了铸坯经过结晶器过程中坯壳内的温度场和应力场,得到了凝固坯壳形成过程的传热和变形规律。模拟结果表明：铸坯角部温度高于宽面和窄面中心温度并出现两个平台期;两个弧线段交界区域出现应力峰值,是铸坯裂纹敏感区。该结果为漏斗型结晶器形状的设计、结晶器锥度的优化以及提高连铸坯质量提供理论依据和技术基础。     

连铸板坯凝固过程中夹杂物运动模拟研究

基于CFD建立了连铸过程中钢液流动、凝固及夹杂物运动三维数学模型。考虑铸坯弧形和水口形状,研究了连铸板坯凝固坯壳对钢液流动和夹杂物运动的影响,得出了夹杂物的上浮率及在凝固铸坯上的分布。研究结果表明,铸坯凝固对钢液流场有显著影响。凝固坯壳阻碍钢液向下流动,考虑凝固的钢液回流区更靠近弯月面,钢液流出回流区更趋于向铸坯中心运动;凝固的夹杂物上浮率相对于不考虑凝固的夹杂物上浮率高。     

薄板坯连铸凝固状态分析与结晶器长度设计

推导了薄板坯连铸过程中钢液在结晶器内的凝固传热有限元方程,开发了钢液凝固状态及温度场分布的模拟分析软件,探讨了拉坯速度及结晶器长度对结晶器出口坯壳厚度的影响。     

超高速连铸结晶器内坯壳的传热行为

超高速连铸漏斗结晶器内坯壳的生长速率对铸坯表面质量有着显著的影响。基于节点温度继承算法(NTI),运用ANSYS有限元软件建立了结晶器内钢水凝固的三维瞬态导热模型,解析了浇注温度和拉速对薄板坯传热行为的影响。研究表明,随着拉速从4.0提高到6.0 m/min,结晶器出口坯壳最大厚度由26减小到12.8 mm,结晶器出口坯壳表面最高温度从1 209增加到1 305 ℃。而浇注温度从1 550 ℃提高到1 560 ℃对坯壳的表面温度和厚度影响不大。     

INFLUENCES OF CASTING SPEED AND SEN DEPTH ON FLUID FLOW IN THE FUNNEL TYPE MOLD OF A THIN SLAB CASTER

In recent years, thin slab continuous casting technology has been widely used to improve the quality of the product and to reduce the cost. One of the challenges faced by this technology is to design reasonable flow patterns, which strongly affect the surface and inner properties of the final slab in the mold. With the fixed scales and complex geometrical structures of nozzle and funnel type mold, a series of numerical simulations are made to analyze the flow patterns in melt steel using finite volume method based on structured body fitted coordinate grids. The CFD （computational fluid dynamics） package is validated first using one typical case described in previously published studies, and then it is developed to study the effect of operational parameters on fluid flow in thin slab caster. Two operational parameters, casting speed and SEN （submerged entry nozzle） depth, are mainly considered for numerical analysis. On the basis of present simulations, the reasonable SEN submergence depths corresponding to different casting speeds are suggested according to fluid flow characteristics like, flow jet impingement on the narrow side of the mold, flow speed of the melt steel beneath the meniscus and the recirculation region. This is the first stage of study on the numerical analysis of the whole thin slab casting process with electromagnetic brake.     

薄板坯连铸结晶器非稳态湍流大涡模拟研究

本文利用大涡模拟模型分析薄板坯连铸钢液非稳态湍流特性,其中非稳态湍流流动N-S方程采用盒式函数进行滤波处理,亚格子模型采用Smagorinsky-Lilly模型.将大涡模拟结果与粒子图像测速及超声探伤结果进行分析比较来校正模型.通过对薄板坯连铸过程进行数值分析,获得了结晶器内非稳态钢液湍流的流动特征,包括流场的漩涡分布及大涡拟序结构的形成、发展、脱落和破碎过程,并发现即使水口和结晶器在几何上完全对中,结晶器内湍流分布也不对称,偏流产生是必然的,同时导致弯月面较强的波动.随着非稳态时间的延长,结晶器内钢液偏流在两侧呈现周期性变化,周期约为40 s.