薄板坯连铸浸入式三孔水口热流耦合数值模拟

通过质量方程、运动方程和能量方程,利用热流耦合方法建立薄板坯连铸三孔水口温度场和流场数值模型,对内部钢液的速度场和温度场进行耦合研究,分析连铸过程三孔水口流场和温度场的基本特征,讨论流场与温度场分布对铸坯品质的影响.同时研究了浸入水口浸入深度与拉坯速度对其形态的影响,结果发现,由于模截面上两个回流以及向下出孔的存在,不同于两孔水口,形成两个先期凝固点和三个后期凝固点,为优化结晶器内钢液流场,优化浇注参数设计提供理论依据.     

薄板坯高拉速浸入式水口研究与优化

为了满足薄板坯连铸工艺高拉速对结晶器流场和温度场的要求,对浸入式水口的结构进行了研究。通过数值模拟研究,对薄板坯连铸浸入式水口进行了优化,优化后的新型浸入式水口可以获得高拉速状况下稳定的结晶器流场和温度场。同时对新型浸入式水口进行了水模分析,验证了数值模拟结果的有效性。现场试验新型浸入式水口,发现结晶器液面平稳、热相图稳定,板卷质量良好,铸机拉速较原水口提高22%。     

莱钢异型坯单点非平衡浇铸的数值模拟

采用FLUENT软件对莱钢超薄大断面异型坯直通型水口单点非平衡浇铸的流动、传热和凝固进行了耦合数值模拟,讨论了水口浸入深度、拉速和过热度等工艺参数对流场、温度场和凝固坯壳的影响。结果表明,水口浸入深度的影响较小,而拉速和过热度对浇铸侧窄面注流冲击、温度变化和凝固坯壳生长的影响较大。耦合数值模拟为实际生产工艺参数的制定提供了依据。     

304不锈钢板坯浸入式水口形状对铸坯凝固组织的影响

研究运用冷酸蚀低倍检验的方法对304不锈钢180 mm×1 240 mm连铸板坯进行低倍检验,分析研究了连铸坯内部缺陷以及凝固组织信息。通过数值模拟和物理模拟研究了连铸结晶器以及浸入式水口的内部流场特征,并研究了不同形状的浸入式水口对连铸坯凝固组织的影响,在此基础上对原型浸入式水口进行优化,提出优化水口。结果表明：原型浸入式水口出钢口钢液发生严重的非稳态旋转,结晶器内部流场不对称,连铸坯组织柱状晶倾斜严重;最优化水口结构维持原水口凹形底部结构,但水口出口形状改为矩形,向上倾角为5°。     

一种新的旋流连铸技术——电磁旋流水口

日本及中国的学者研究表明,在连铸过程中浸入式水口内的旋转流动可以有效改善结晶器内的流体流动状态并提高钢坯的表面和内部质量。笔者提出一种新的旋流连铸技术,即利用水口外的旋转电磁场对钢液的洛伦兹力,使水口内钢液形成旋转流动。对圆形电磁旋流装置作用下圆坯及方坯连铸过程结晶器内钢液流场进行了三维数值模拟,分析了350 A电磁旋流作用下圆坯及方坯结晶器内钢液流场。结果表明：①水口电磁旋流使得圆坯结晶器内的钢液都处于旋转状态。②有旋流时,在方坯结晶器角部的附近可以观察到水平流动;钢液的冲击深度更小,上返流增强。     

板坯连铸结晶器内钢液流场的数值模拟

用流体力学的三维计算软件,运用湍流脉动动能k方程和湍流脉动动能散耗率ε方程的k-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.通过数值计算,研究了浸入式水口出口面积、水口插入深度、铸坯断面尺寸等工艺参数对结晶器内钢液的流动的影响,为结晶器及水口的优化设计提供了依据.     

板坯连铸结晶器内钢液的三维流场数值模拟

采用数值模拟的方法,建立了描述某厂结晶器内钢液流动的数学模型;用有限体积法求解,研究了结晶器内的钢液流动行为,详细分析了结晶器浸入式水口(SEN)插入深度、侧孔倾角和拉速对结晶器内钢液流场的影响.得出了适合该厂连铸工艺条件的浸入式水口形式和拉坯速度,即水口合理的出口倾角应为向下15°左右;在水口结构一定条件下,水口插入深度140～170mm比较适宜;合理的拉速应控制在1.4～2.0m/min.     

宽厚板坯连铸结晶器内的钢液流场的数值模拟

基于流体力学的基本理论,针对连铸结晶器的结构和工艺参数,利用商业软件fluent的k-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2300mm×250mm的板坯结晶器,水口插入深度为150mm,水口倾角为向下15°,拉坯速度为1.2m/min时,结晶器内的流场较好。数值模拟结果可为宽厚板坯连铸结晶器确定合理工艺参数提供理论依据。     

板坯高拉速表面纵裂纹产生原因及解决措施

凌钢板坯连铸生产的钢种多为碳的质量分数0.08%～0.16%包晶钢,由于高拉速使弯月面热流增加,产生严重的表面裂纹。除优化连铸工艺、设备参数外,通过浸入式水口结构优化设计,并配合优良性能的保护渣,使结晶器流场均匀、温度场均匀、坯壳凝固均匀,使铸坯表面缺陷得到消除。     

不锈钢方坯连铸结晶器内钢渣界面行为的数值模拟研究

不锈钢方坯生产初期由于卷入保护渣而导致连铸坯内部出现大颗粒夹杂物,影响产品质量。卷渣与钢渣界面行为有较大关系,因此通过Fluent软件对不锈钢方坯浸入式水口在不同插入深度下的结晶器内钢液流场、钢渣界面行为进行了数值模拟。模拟结果显示：水口插入深度小于110 mm时,钢渣界面被严重破坏,结晶器保护渣会卷入钢液;水口插入深度大于130 mm时,钢渣界面处钢液速度过小,附近钢液的质量和热量更新速度慢,从而导致其温度较低,不利于保护渣均匀熔化。综合考虑后,现场生产时结晶器浸入式水口插入深度确定为（120±5） mm,显著提高了不锈钢方坯质量。     

连铸结晶器内钢液涡流现象的水模型观察和数值模拟

利用水模型观察连铸结晶器内导致钢坯质量下降的涡流现象。提出蛇型结构结晶器水模型，撒入黑芝麻以显示结晶器内自由液面流谱。用可调曝光时间的照相机记录涡流图案。实验中观察到较为稳定的单个涡和偶尔出现的两个对称涡现象。在数值模拟中。将浸入式水口移离中心位置，从而可产生偏流和涡流。实验与模拟的结果表明：结晶器内三维偏流导致涡流的出现，涡流位于水口较低流速一侧，涡流强度取决于拉速和水口偏离中心的程度。     

平行板型薄板坯连铸结晶器中钢液流动、凝固及溶质分布的三维耦合数值模拟

针对薄板坯平行板型连铸结晶器,建立了Fe—C二元合金紊流流动、凝固及溶质传输的三维耦合数学模型;并与水口模拟计算相结合,计算、分析了薄板坯平行板型结晶器内钢液的紊流流动、凝固及溶质分布．计算结果表明,由于薄板坯厚度尺寸限制,钢液液流冲击深度相对传统板坯明显减小,出水口射流对窄壁的冲击减弱,而对铸坯宽面的冲刷加强．出结晶器后,钢液流动变为向下的均匀平推运动．在结晶器出口处,由于钢液流动、凝固及溶质传输的相互作用,使得铸坯宽面靠近窄壁处的凝固壳厚度最薄,并在此处产生溶质分布强烈变化,易导致拉漏缺陷．     

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。     

板坯连铸二冷计算机仿真的研究和应用

连铸二冷计算机仿真是准确、迅速预测和分析工艺参数对浇注过程的影响规律以及优化连铸操作工艺参数的重要手段。基于沿拉坯方向上移动的有限薄片层思想,建立板坯连铸凝固传热数学模型,应用面向对象的编程语言Visual Basic 6.0开发了板坯连铸二冷计算机仿真软件,并针对国内某板坯连铸机应用仿真软件对其进行凝固过程模拟、对其二冷凝固过程进行工艺优化。应用红外线测温仪对板坯表面温度进行测试,测试温度与仿真结果吻合较好,说明连铸计算机仿真软件的计算是可靠的。     

板坯连铸结晶器水口优化试验研究

对断面为210 mm×1 300 mm板坯连铸结晶器进行了水力学模拟试验,研究了SEN的结构对结晶器内钢液流动状态的影响及变化规律。试验结果表明：在断面为210 mm×1 300 mm下, SEN结构及参数选用凹型底、水口剖面为圆形、S侧/S中为1.9、出口倾角为15°,插入深度为120～180 mm能有效改善结晶器内的流场。     

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.     

水口浸入深度与拉坯速度对电磁制动下板坯结晶器内金属流动的影响

以水银为实验工质,通过物理模拟考察板坯连铸电磁制动时,水口浸入深度和拉坯速度对结晶器内液态金属流动的影响规律.采用超声波多普勒测速仪测量了在结晶器上部磁场B1 =0.18 T和下部磁场B2=0.5T的情况下,板坯结晶器(模型)内水银的流速分布.实验表明:(1)加大水口浸入深度整体上使液面水平流速下降,且提高该流动的稳定性(湍流度降低);而当水口浸入深度过深时,会引起液面水平流向改变.(2)水口出流的射流流速及其对结晶器窄面的撞击强度,以及液面的水平流速与其湍流度依然随拉坯速度提高而增强;同时,结晶器窄面附近上、下回流区金属液的铅垂速度均趋增大,且上回流区金属液对窄面冲刷的相对强度表现为先升高后降低,而下回流区金属液对窄面冲刷的相对强度则呈持续增强趋势.     

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。