连铸板坯中间包内控流装置优化的水模型研究

根据国内某钢厂单流板坯连铸中间包工艺及设备条件,本文利用1∶2水模型研究了挡墙、挡坝位置、挡坝高度以及导流孔倾角对中间包内钢液流动行为的影响。实验结果表明:增大挡墙、挡坝间距,挡坝对钢液流股的抬升作用减弱,挡墙与挡坝间距较小,挡坝高度较高时,挡坝对钢液流股的抬升作用较强,较强的流股抬升作用不利于形成有效的表面流;增大挡墙、挡坝与浸入式水口的距离,中间包内钢液平均停留时间先减小、后增大、再减小,出现峰值现象;增大挡坝导流孔倾角有利于延长钢液在中间包内的停留时间;获得的最优控流装置参数是:挡墙、挡坝间距为450 mm,挡坝距中间包浸入式水口中心距离为1 160 mm,挡坝高度280 mm,挡坝导流孔倾角30°,对应的中间包内模拟钢液平均停留时间为6.23 min,实际的钢液停留时间为8.81min。     

导流孔设计对中间包冶金效果影响的数值模拟仿真

采用FLUENT对某钢厂八流T形中间包不同挡渣墙上导流孔的设计形式进行了模拟研究,计算了不同工况设置下中间包内的流场、温度场、钢液的停留时间分布,以及对夹杂物的捕获情况。结果表明:增大导流孔孔径和导流孔上倾角度,有利于均匀中间包温度场。增加导流孔的上倾角度可显著提升中间包夹杂物的去除率,这种效果比改变导流孔孔径对夹杂物去除率的影响更显著。综合计算结果分析,导流孔孔径为100 mm、上倾角度为25°时,中间包的冶金效果较优。     

高等级汽车板中间包冶金技术

高端汽车外板在后续轧制或冲压过程中发生夹杂缺陷的比例较高,为了进一步提高中间包冶金的效果,研究了中间包开孔挡墙对正常浇铸过程中夹杂物去除的影响。为了保证钢液洁净度一致,在中间包内一侧采用了不带孔的挡墙,另一侧采用了开孔型挡墙,浇铸过程中同时取中间包钢水及铸坯试样,并采用Aspex夹杂物自动扫描电镜进行分析。结果表明,正常浇铸时无孔挡坝有利于夹杂物在中间包内的上浮去除,有孔挡坝中间包内钢液流场存在短路流,钢液在中间包内停留时间短,夹杂物来不及上浮,随钢液进入到结晶器和铸坯中。因此,采用无孔挡坝中间包浇铸的钢液洁净度优于开孔挡坝中间包浇铸的钢液。     

中间包流场控制技术的进展

合理控制中间包的流场有利于促进钢液中夹杂物上浮、均匀钢液成分和温度。水模型试验和数值模拟是两种主要的中间包流场研究方法,各有优缺点应相互补充。数值模拟成本低廉速度快,但受限于边界条件的不确定性和湍流模型的局限性难以完全真实反映中间包内的流场。水模型试验能够较为准确地模拟中间包内流场,但无法准确模拟温度场、水口结瘤、覆盖剂和吹气等对中间包流场的影响。研究表明,湍流控制器对降低长水口钢液射流的湍动能、均匀钢液温度和成分、聚拢射流让其转向向上流动降低死区体积分数、延长平均停留时间和优化流场结构具有很好的作用。湍流控制器、堰、坝和导流挡墙合理组合,协同发挥的控流效果,优于单一控流装置的效果。合理调节堰与包底距离、挡坝高度、堰与挡坝距离、堰与出流口距离、挡坝开孔的个数、尺寸和角度,可以优化中间包流场,促进夹杂物去除。气幕挡墙对钢液进行气洗可以提高钢液洁净度。环形气幕挡墙解决了条形气幕挡墙夹杂物去除率低、且不稳定的问题,提高了夹杂物去除率。最后,中间包流场数学模型精细化,并考虑连铸过程中更多工艺与边界条件的影响是未来发展的趋势。对于中间包流场研究的特定问题,针对性设定优化指标,会使得优化研究工作事半功倍。水模型试验作为中间包控流技术的另一种重要研究手段,同样越趋精确化,不断有研究者以提高试验精度为目的在试验方法和测量原理上进行探索和创新。     

气幕挡墙及挡坝结构对中间包流场的影响

针对某钢厂中间包使用原挡坝时死区较大,流经挡坝钢液向上运动趋势不明显,流场不利于夹杂物上浮去除等问题,采用中间包水模型试验,对挡坝结构进行了优化,设置了气幕档墙.结果表明,提高挡坝高度,开向上角度通钢孔,并设置气幕挡墙,可有效消除浇注区及挡坝后死区,死区体积比降低46％;钢液向液面运动趋势增大,滞止时间提高23％,峰值时间提高16％.工业试验表明,中间包采用优化后的控流装置,夹杂物总量从14.4 mg/10 kg降为6.64 mg/10 kg,中间包钢液内大型夹杂物得到有效去除.     

六流非对称中间包结构优化水模型研究

为了降低钢中夹杂物数量,根据相似原理进行小方坯六流非对称中间包的水模拟研究。通过模拟分析原型中间包流场,找出其存在的问题,提出通过在原中间包中合适位置加设挡墙、挡坝、开设导流孔等的方法来优化中间包结构,共设计了包括六流浇注和五流浇注在内的5种优化方案。优化结果为:六流浇注优化后比原型中间包的停留时间增加105.2%,死区比例减小60.4%。五流浇注优化后比原型中间包的停留时间增加172%,死区比例减小76%。优化后各流之间差异性明显减小。     

4流大方坯中间包流动及传热特征的数值模拟

通过数值模拟对某钢厂新设计的4机4流大方坯连铸机的不同结构的中间包进行钢液流场、流动特性及温度场的研究,并以此优化出最佳控流装置。研究结果表明,为满足4流大方坯中间包对流场的要求,采用最佳方案(湍流控制器+带导流孔的"V"型挡渣墙+挡坝组合的控流方式),延长了近流水口响应时间及平均停留时间,各水口钢液的流动模式趋于一致,中间包内钢液的流动特征得到明显改善,各流钢液的最大温差缩小到4K,温度均匀。     

多流中间包流场模拟研究及优化

为了减少多流中间包的卷渣概率、提高对夹杂物的去除能力,采用物理模拟及数值模拟的方法对某钢厂六流中间包内部流场特性进行分析和优化。研究表明,导流孔仰角对中间包内流场及温度场有较大影响。改进后的挡墙使用25°仰角导流孔使各流最大温差由5.2 ℃降至2.4 ℃。较小的导流孔仰角对夹杂物去除有利,25°的仰角各流均匀性较好。提高挡坝高度亦有利于夹杂物上浮,推荐的挡坝高度为650 mm。另外建议现场浇注高度保持在100 mm以上以消除卷渣现象的不利影响。     

过滤控流中间包流场及夹杂物去除的数值模拟

以60 t板坯连铸中间包为研究对象,采用雷诺平均方程、组分输送以及离散相模型分别计算了高拉速下中间包内钢液流场特征演变以及夹杂物运动轨迹和去除率。结果表明,采用多孔过滤控流装置后,10 μm的小夹杂物去除率提升了10%以上。与45°倾角过滤器中间包相比,55°倾角过滤器中间包的夹杂物去除率增加约5.3%,其顶部孔为水平方向,减小了卷渣与钢液裸露的风险。通过RTD曲线获得多孔过滤控流中间包的钢液停留时间缩短了30~50 s、死区体积比增加0.03%,但夹杂物去除率明显提高。因此,采用停留时间、死区体积比等宏观流场特征参数评估中间包内夹杂物去除效率的方法已不适应过滤控流装置中间包的开发研究,宜采用速度云图、夹杂物运动轨迹等微观分析方法评估其冶金效果。     

连铸中间包降低残钢量的水模型研究

通过水模型、氧氮分析以及大样电解分析,对某钢厂挡坝结构优化后的中间包流场及尾坯洁净度进行分析。结果表明:适当增加原挡坝高度并在其上开两个导流孔,能使理论残钢量由9.17 t降至4.47 t,并使正常浇铸时的中间包流场有所优化,死区比例减少33.04%,平均停留时间增加4.40%;中间包浇铸末期对尾坯不同位置的全氧和氮含量影响不大;尾坯中大型夹杂物主要来自结晶器卷渣,大型夹杂物尺寸以140~300μm和大于300μm尺寸为主,分别占大型夹杂物质量的19.94%和73.21%。     

双流T-型中间包的流场模拟及其控流结构优化

以北方某钢厂双流T型中间包为原型,在保持原生产节奏的基础上,设计了两种控流装置优化方案1与优化方案2。优化方案1即为在中间包注流区加入了一个导流隔墙,在隔墙上开两个直径为120 mm,倾角向上15°的导流隔墙孔来控制钢液的流动;优化方案2为在优化方案1的基础上,在距离中间包中心线两侧1 500 mm的地方各加一个高度为300 mm的挡坝。采用数值模拟与冷态水模拟相结合的手段,对3种中间包结构的流场进行了模拟研究。研究结果表明：对于双流T型双流中间包,无控流装置时,原中间包结构内存在较多短路流,不利于夹杂物的去除。相对于优化方案1与原包结构,优化方案2的死区体积分数降低到了9.4%,钢液平均停留时间明显增长并且中间包浇注区温度明显提高且分布较为均匀。因此,优化方案2更加适用于此钢厂的中间包结构。     

控流装置对中间包流场影响的水模型研究

以相似原理为基础,建立1[∶]3的水模型,对某钢厂二流板坯连铸中间包进行研究。对挡坝孔大小及位置优化试验表明,随孔径的增加,平均停留时间先增加,后减小,孔径为90～120 mm左右时,平均停留时间最长;孔高和孔底与挡坝底部距离共同影响钢液在中间包内的平均停留时间和死区比例,总体来讲孔高较小对改善流场更有利,在挡坝的基础上添加小挡坝并不能有效延长钢液在中间包停留时间,但较高的小挡坝能有效增加钢液的滞止时间;优化后中包较原型中间包平均停留时间增加40 s,死区体积由原来的19.5%下降至9.0%。     

连铸单流中间包钢液非稳态流动行为物理模拟

针对非稳态换包过程对钢水洁净度显著恶化问题,基于相似原理,构建了相似比为1∶2的中间包物理模型,对单流中间内钢液非稳态流动行为进行了系统研究。研究结果表明,稳态条件下通过设置尺寸合理的堰坝和湍流控制器可以有效改善中间包内流体的流动状态。非稳态条件下,当钢包换包结束,中间包液位回升过程中,钢液平均停留时间随液位的上升而延长,最长可达497s;死区体积分率随液位回升而逐渐减小,最小降至23.91%。换包过程中液位的降低和回升伴随着流动状态的剧烈波动,最终恶化了非金属夹杂物上浮去除行为。     

中间包气幕挡墙的夹杂物行为研究

介绍了中间包气幕挡墙的工作机理,分析了气幕挡墙对中间包内钢水流场和夹杂物的影响,气幕挡墙的位置和吹气量等对其冶金效果会产生显著的影响,认为设计合理的气幕挡墙可以改善中间包内钢水的流场,延长钢水停留时间利于夹杂物的上浮。另外,通过微气泡的吸附作用50μm以下的夹杂物去除概率明显增加。     

控流装置对四流中间包钢水洁净度的影响

为了研究控流装置对中间包钢水洁净度的影响,采用数值模拟和工业试验验证结合的方法对钢厂方坯连铸中间包进行优化。通过在原型中间包基础上增加U型挡墙,使得响应时间增加5 s,峰值时间增加371 s,改善了钢液在中间包内的短路流现象;平均停留时间增加53 s,死区体积分数减小4.1%,活塞区体积分数增加17.3%,改善了夹杂物上浮的条件;各流一致性水平也得到了提高。工业试验结果表明,在受钢区与浇注区之间增加U型挡墙,使得中间包钢液中夹杂物去除率增加了29.05%,中间包各个区域夹杂物最大尺寸最大可减小26 μm,铸坯上夹杂物去除率增加38.42%,铸坯上夹杂物最大尺寸降至16 μm以下。在中间包中使用U型挡墙,提高了钢水的洁净度以及铸坯实物的质量。     

不锈钢连铸中间包内夹杂物去除行为数值模拟

针对中间包连铸过程中夹杂物的存在易导致铸坯出现质量缺陷的问题,以不锈钢连铸中间包为研究对象,通过数值模拟方法研究了控流装置、夹杂物密度以及夹杂物尺寸等参数对中间包内夹杂物去除行为的影响规律。研究结果表明,在设置堰坝和湍流控制器中间包内,密度为2 700 kg/m3,粒径为5 μm的夹杂物去除率为63.32%,而150 μm的大尺寸夹杂物去除率可达到89.04%。当夹杂物粒径为10~50 μm,密度为2 700~4 500 kg/m3时,夹杂物密度对夹杂物去除率影响较小。无控流装置中间包时,夹杂物在顶渣层呈以中心纵截面对称的分布;设置堰坝中间包时,挡渣堰坝两侧出现了70 μm以上夹杂物密集区;设置堰坝组合湍流控制器中间包时,夹杂物主要被限制在中间包第一腔室自由液面,研究结果对于进一步发挥不锈钢连铸过程中的中间包冶金功能具有指导意义。