连铸结晶器内钢液涡流现象的大涡模拟及控制

采用大涡模拟方法对结晶器内钢液涡流现象进行模拟,研究了水口插入深度、出流角度等与“湍动涡”在液面停留时间的关系,分析了“湍动涡”和“偏流涡”的形成机理。提出了消除“湍动涡”的平板式涡阻止器结构,对涡阻止器作用下“湍动涡”和“偏流涡”的运动规律进行模拟。数值模拟结果表明：“湍动涡”是由于流体本身的脉动所形成的,随着水口出流角度的增大及水口插入深度的增加,“湍动涡”在液面的停留时间延长;“偏流涡”是由于水口不对中导致的液面的不对称流动以及流体本身的脉动综合作用形成的。平板式涡阻止器能有效消除“湍动涡”,并对“偏流涡”有一定的减弱作用。     

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.     

圆坯结晶器偏心浇注条件下水口优化的模拟研究

针对连铸生产过程中常出现水口不对中的问题,通过旋流水口来消除偏心水口带来的不利影响。建立了圆坯结晶器内三维流动、传热数学模型,结合水模型实验,计算分析了水口优化前后结晶器内的流场和温度场。结果表明:合适的水口切向倾角可以使钢液产生较强的旋流,降低偏心浇注条件下结晶器内的偏流指数。旋流流场还可以减小钢液的冲击深度,促进钢液过热耗散,使热中心上移,均匀初生坯壳厚度,提高铸坯品质。     

连铸结晶器内氢气/钢液两相非稳态湍流特性的大涡模拟研究

提出了一种连铸结晶器内氩气/钢液两相非稳态湍流流动的大涡模拟模型,采用非齐次Euler-Euler双流体模型描述氩气/钢液两相流运动方程,采用大涡模拟模型对湍流黏性力进行求解.利用板坯探伤缺陷检测结果间接地验证了氩气/钢液两相非稳态湍流运动特征,利用水模型实验结果验证了两相的非对称流动特征.结果表明,氩气泡的行为将直接影响结晶器内钢液的流动行为.气泡在结晶器内的运动行为主要受吹Ar量和钢流量的影响,其平均直径随着吹Ar量的增大而增大,随着钢流量的增大而减小.结晶器内的不对称流场具有不稳定性,偏流是绝对的,对称是暂时的、偶然的,偏流的周期性不明显.结晶器二冷区弯曲段的弧形形状对结晶器内部流场的影响较大,偏流发生在弯曲段附近.     

板坯连铸结晶器内非对称流动对渣钢界面的影响

结晶器渣钢界面的控制是板坯连铸操作中的重要环节。为研究渣钢界面的流体动力学行为,建立了“空气保护渣钢液”三相流模型,运用雷诺应力模型和非均相混合模型对结晶器三相流场进行模拟研究,采用等体积分数法确定渣钢界面的形状及位置。浸入式水口对中不良时会导致结晶器内产生非对称流场,研究发现该流场的渣钢界面波动比相同操作参数下对称流场的界面波动要剧烈得多,且非对称流场的渣钢界面会有偏流甚至旋涡出现,对结晶器操作危害很大。     

异形坯连铸结晶器内三维流场的数值模拟

根据湍流理论及异形坯连铸的特点, 建立了异形坯结晶器三维流场数学模型, 对不同条件下的流场进行了数值模拟, 分析了水口结构和工艺参数变化时异形坯结晶器内涡心深度的变化规律及液面湍动能的分布状态. 结果表明 采用上倾式水口, 水口夹角为120°, 拉速为0.9m/s时, 结晶器内流场分布较为合理, 液面较稳定. 模拟结果与水模实验结果吻合较好. 该模型可对连铸过程进行离线分析, 确定最佳参数, 并可作为在线控制模型的基础.     

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。     

滑板水口对板坯连铸中流场及夹杂物去除的影响

为研究水口堵塞对结晶器流场以及夹杂物去除的影响,引入滑动水口模拟实现水口部分堵塞,在水口滑板的开启方向垂直于结晶器宽面的条件下,针对板坯连铸结晶器内流场及固体夹杂物的去除率进行数值模拟。结果显示:在滑板不完全开启时,水口内钢液呈明显偏流,在滑板下方区域中有回流区,并在水口底端形成单侧撞击流,使水口的出流钢液呈旋转状流态。随钢液注流进入结晶器的夹杂物颗粒的去除率(上浮率)随其粒径增大而升高,对粒径达到0.5 mm以上者可完全去除。模拟结果显示:滑板在最佳开启率时,可有效提高夹杂物颗粒的去除率。     

水口吹氩对结晶器弯月面波动的影响

水口吹氩时,结晶器液面波动行为对夹杂物的去除、卷渣、漏钢和拉裂的防止很重要。利用水模型实验研究了氩气流量、浇铸速度、铸坯宽度和浸入式水口的张角、出口面积、浸入深度对结晶器弯月面波动的影响,并运用数值模拟方法对结晶器流场和实验结果进行了分析。     

板坯连铸结晶器内钢液流场的水模拟研究

以某钢厂生产断面为165 mm×565 mm板坯连铸结晶器和水口为原型,采用1∶1的物理模拟,制作结晶器和浸入式水口模型。对结晶器流场进行水模拟试验。通过改变不同参数,研究不同因素对结晶器流场的影响,以便得到更适合现场生产的工艺参数。实验结果表明,生产断面为165 mm×565 mm板坯连铸结晶器浸入式水口倾角20°,拉速的调节范围在1.0~1.1 m/min,结晶器水口浸入深度在130~140 mm范围。更加有利于结晶器的顺利运行,提高钢坯质量。     

板坯高拉速连铸台阶状水口的水模型研究

采用全比例水模型研究了一种用于板坯高拉速连铸的新型台阶状水口的流场、液面特征、液渣分布与流股特征。研究发现： 与原水口相比,使用该水口后结晶器内流场对称性更好;新水口在拉速2.4 m/min下平均波高最大值为 5.3 mm,比原水口最大值（6.4 mm）小17%,液位波动的FFT分析表明：新水口下液面波动频率集中在1.2 Hz (振幅为0.46 mm),而原水口液面波动频率集中在1.1Hz,振幅0.7 mm;使用新水口在高拉速下结晶器的表面流速为0.28 m/s,比原水口(0.41 m/s)小32%,且自由液面波峰波谷差和液渣层裸露面积均小于原水口;水口作用机理分析表明：由于新水口台阶的混合作用,促使水口出口两侧流股对称性更好,更有利于稳定液面和减少卷渣。     

板坯连铸结晶器内钢水偏流及其控制方法的思考

简述了板坯连铸结晶器内钢水偏流及其主要危害。作为例子,引录板坯结晶器内由SEN冻结和湍流引起的两个典型偏流的数值模拟结果。综述了控制偏流的非接接触的磁流体力学(MHD)技术及其效果,以及评估控流效果的检测方法。     

板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动及流动行为的数值模拟

建立了板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动行为的三维数学模型,利用数值模拟方法研究了磁场与流场耦合作用下不同工艺参数和电磁参数对结晶器内钢/渣界面波动行为及流场的影响,通过VOF方法对不同条件下的钢/渣界面进行捕捉,讨论不同磁极位置、水口倾角、拉速及线圈电流强度对结晶器内钢/渣界面波动行为和流动的影响。模拟结果表明：电磁制动的施加可以显著降低钢/渣界面波高,减小射流对结晶器窄面的冲击。拉速和水口浸入深度恒定时,磁极位置和水口角度直接影响结晶器内流场形式：当[P＝]40 mm时,增加线圈电流可以降低结晶器内钢/渣界面波高和表面流速,从而减小由液面波动引发卷渣的概率;当磁极距离水口较远时[（P＝]80 mm）,随着线圈电流强度的增大,水口射流的冲击方向向上偏转,引起上回流的流动强度增强,导致钢/渣界面波高增加,增大卷渣发生的概率。     

宽板坯连铸结晶器工艺参数优化的水模拟研究

结合国内某钢厂宽板坯连铸结晶器的4种断面宽度,建立1∶1水模型,并结合正交试验方法,研究了浸入式水口的吐出孔数、水口吹气量、水口浸入深度、拉速和结晶器断面宽度等不同因素对结晶器流场的影响,得到了4种宽板坯连铸结晶器的最佳工况条件。     

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。     

吹氩板坯连铸结晶器内双循环流的形成条件

利用Lagrange两相流模型定量研究了吹氩板坯结晶器内双循环流形成条件,并用水模型检验了数值模拟结果.在此基础上考察了吹氩量、钢流量,结晶器宽度、水口浸入深度以及下倾角度对双循环流形成的影响规律.结果表明:选择与其它工艺参数匹配的吹氩量是保证双循环流型的重要条件,且维持此流型的临界吹氩量随钢流量的增加而增加.当钢液质量流量较大(qm＞2.5 t/min)时,减小结晶器宽度和增加水口浸入深度均有助于扩大临界吹氩量范围,而水口下倾角度对其影响较小;当钢液质量流量较小(qm≤2.5 t/min)时,以上工艺参数的影响均不明显.     

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.