宽厚板坯连铸中间包内控流结构优化水模实验研究

通过宽厚板坯连铸中间包水模实验,研究了不同控流装置对中间包内流动特性的影响。结果表明：带顶缘和不带顶缘的抑湍器均能明显提高活塞区的体积分数,且死区体积分数也有不同程度的降低;与带顶缘的抑湍器组合的中间包出口附近的挡坝设计参数对中间包内钢液的流动特性有影响;与带顶缘的抑湍器组合的墙坝间距有一个控制钢液流动特性的最佳值。通过实验研究,提出了优化的设计方案。     

薄板坯连铸中间包吹氩行为的物理模拟

中间包吹氩是适应洁净钢冶炼的新技术、新方法。依据相似原理,在实验室建立了一定相似比的薄板坯连铸中间包物理模型。比较了传统堰坝组合,吹氩气幕挡墙分别代替堰、坝对中间包流体流动特征的影响,并尝试在中间包内采用双气幕挡墙的控流方式。结果表明,气幕挡墙分别代替堰、坝,中间包停留时间和死区体积与堰坝组合十分相近;双气幕挡墙代替堰坝组合,除死区体积较大外,停留时间接近堰坝组合。上述结论为气幕挡墙技术的进一步应用提供了参考依据。     

板坯连铸IF钢中间包控流装置优化水模型研究

以相似原理为基础,用水模拟钢液研究中间包内的钢水流动特征,通过测定模型中间包内停留时间分布曲线,计算其平均停留时间及死区,活塞区和混合区的体积.得出了最有利于改善中间包钢液流动的控流装置组合为下挡墙+湍流控制器,并得出了其具体位置.优化后的中间包比原中间包死区体积下降了4.1%,活塞流增加了8.7%.     

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。     

两流连铸中间包控流装置的优化设计

针对两流连铸中间包,采用数值模拟方法,研究了12种控流装置对流体流动特性的影响。结果表明:中间包内不设置控流装置时,出流水口的响应时间和峰值时间均较小;合理的控流装置设计可延长钢液在中间包内的平均停留时间,提高活塞流区的体积,降低死区的体积。通过对流场和RTD曲线的综合分析,湍流控制器+坝的控流效果最好,中间包的死区体积分数减少到16.51%,死区所占的比例大大降低,浇注区由死区占主导地位变为活塞流占主导地位;不采用湍流控制器的挡墙也得到较好的控流效果,死区体积分数减少到24.32%。     

板坯中间包控流装置优化的数值模拟

以某钢厂板坯连铸中间包为模型,利用数学模拟方法,对中间包内钢液流场进行研究。采用正交试验法研究了堰坝距离、坝的高度和堰的插入深度对中间包内钢液流场及RTD曲线的影响,得出各因素对活塞区体积的影响程度及最佳控流装置组合,为现场提出了控流装置的优化方案。优化后中间包活塞区由62.23%提高至70.75%,死区比例由7.11%降至5.75%,明显提高了中间包的冶金功能。     

通道式感应加热中间包流场物理模拟研究

根据相似原理采用1:2水模型研究了断面为1300 mm×2.2 mm的薄带感应加热连铸中间包内钢液的流动特征。通过测定中间包在有无挡墙条件下,中间包出口处停留时间分布曲线,计算其平均停留时间,死区,活塞区和全混区的体积分数。结果表明,采用上下挡墙的组合方式能有效地改善感应加热中间包内的流场。距离通道出口处380 mm设置高度为100 mm的挡墙,在通道上方设置高度为420 mm的挡墙后,使中间包内的死区体积分数由16.2%降低到5.4%,中间包内钢液的平均停留时间由797 s提高到900 s,短路流现象基本消除。     

板坯连铸异型中间包卷渣水模型实验研究

为改善连铸板坯质量,通过水力学模拟研究了中间包内钢液的流动,并测量了在非稳定浇注条件下避免钢液卷渣的中间包内钢液的临界高度,确定了在中间包内设置抑湍器、坝和堰的混合控流方案。结果表明：中间包设置控流装置后,平均停留时间增加,有利于夹杂物的上浮;同时确定了中间包卷渣的临界高度。     

五流L型连铸中间包结构优化的数值模拟

针对某钢厂十机十流连铸机中的一个中间包进行流场优化研究,进行了包括空包方案在内的7种方案的数值模拟。结果表明:未设置中间包控流装置时,钢液流动状况和一致性非常差,死区体积比例偏大。在中间包内添加湍流抑制器、挡墙和挡坝均可以明显改善钢液流动。此外,湍流抑制器+3孔(上一个倾角25°,下两个倾角30°)D1d挡墙+D2挡墙+挡坝B为最佳控流方案,使中间包五流钢液平均停留时间最大差值降为174.2 s,整体平均停留时间增加202.9 s,死区体积比例减小到20.6%。     

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。     

连铸中间包内湍流控制器控流过程的数值模拟

采用ANSYS-CFX软件，针对宝钢4#连铸机中间包结构和操作工艺参数，进行了流动与传热耦合过程的三维数值模拟，并用水力学模拟进行验证。分析比较了无任何控流装置和有控流装置下的钢水流动以及RTD曲线，结果表明：设置湍流控制器可以使中间包内钢水流动死区减少，活塞区增大，更有利于夹杂物的去除。     

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。     

Fluid flow analysis in horizontal continuous casting tundish

Water model studies were carried out to analyze fluid flow characteristics in a horizontal continuous casting tundish. The effects of LSN (ladle submerged nozzle) and dams on the flow pattems in a tundish were investigated and casting speeds were also changed as experimental parameters. Dye injection experiments were made to observe qualitative flow patterns and mixing characteristics in a continuous flowing tundish. And quantitative analyses of RTD (residence time distribution) curves using tracer pulse injection were also made to calculate the dead volume fraction in the water model tundish under consideration. From the results it was found that flow modification devices with an open stream have little effect on the flow patterns in the tundish, whether the dam is installed or not. This was confirmed by the flow visualization method showing upward flow near falling stream driven by the buoyancy force caused by air entrapment during liquid falling. However when LSN was installed between a ladle and a tundish there was a great change in flow pattern and a bypassing flow that existed in bare tundish was decreased with the use of dams. Especially, dead volume fraction was decreased with the increase of dam height.     

中间包底吹气正交试验数值模拟研究

针对宝钢特钢连铸坯生产过程中存在明显地卷渣问题,采用正交试验设计方法,对中间包内钢液流动过程进行数值模拟,研究了坝堰位置、坝堰高度、吹气量大小及吹气位置等因素对平均停留时间、死区体积、活塞区体积的影响,以期为中间包内钢液流场优化提供依据。结果表明：在正交优化的最佳方案基础上,吹气位置设置在离中间包入水口中心距离1 700 mm处时,死区比例小,活塞区体积大,平均停留时间长。     

中间包传热边界对钢液流动及传热计算的影响

以某厂T型中间包为例,建立了中间包内钢液流动、传热数学模型。针对数值模拟中存在的传热边界条件的准确性问题进行探讨,引入了中间包包衬散热计算模型,得出关于中间包包衬结构的热流散失与内壁温度的关系,作为中间包内钢液流动、传热计算的边界条件。利用商用Fluent软件模拟计算,并比较分析了不同边界条件对中间包内钢液流动、传热的影响,结果表明提出的边界条件模型法使计算模拟结果更符合实际。     

冲击区体积对感应加热中间包流动影响数学模拟

通道式感应加热中间包能够对包内钢水的热量进行及时有效的补偿,有利于提高铸坯质量。建立了某厂五流四通道感应加热中间包的数学模型,研究冲击区体积对中间包内钢液流动的影响。结果表明,冲击区体积占前腔比例的45%时,双峰和短路流问题得到有效解决,各流间钢水分配较为合理,中间包内部钢液能够获得较好的流动性能,中间包总体停留时间达到1020s,死区体积降低为11.5%,3个下水口达到峰值的时间较为一致,最大时间差为49s,达到峰值的平均时长为335s。     

电磁净化中间包中钢液流场及传输行为的水模拟研究

采用水模试验,通过流场示踪技术得到电磁净化中间包中的钢液流场形貌,并对圆形腔不同钢液转速下中间包中钢液停留时间曲线进行了测定分析。结果显示,电磁净化中间包的流场比传统中间包的流场复杂:在圆形腔中,旋转运动抑制了大包水口至矩形腔的短路流,而在矩形腔中形成水平环流,从而延长钢液在中间包的平均停留时间,死区减小,电磁净化中间包的上述流场结构及传输行为对钢液中的非金属夹杂物去除非常有利。     

基于F曲线的多流非对称中间包死区计算模型

为了解决组合模型计算多流非对称中间包不同出口的停留时间分布曲线时出现的体积死区分率为负或结果偏差较大的问题,通过把“脉冲刺激-响应”试验所得的E曲线转换为F曲线,建立了基于F曲线的多流非对称中间包整体死区比例分析模型,并通过比较各流出口F曲线的差异量以及差异量极大值、最大值评价了多流非对称中间包钢液流动一致性。应用该模型对四流非对称中间包流场进行分析,水模型试验结果表明,无控流装置的中间包在3号、4号水口上方存在流动缓慢的区域,中间包钢水更新缓慢,流场不合理。增加挡墙后,中间包钢水流动一致性增强,2号、3号水口流动一致性相近;1号、4号水口流动一致性相近。使用挡墙+挡坝2的组合,各流一致性最好,死区比例最小。     

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。     

通道式感应加热中间包挡墙优化的物理模拟

特种钢连铸对配备了通道感应加热技术的中间包内钢液均匀性和洁净度有着严格的要求。以国内某钢厂四流双通道感应加热中间包为对象,采用物理模拟方法对无挡墙、V型和八字型挡墙方案下中间包的流场和停留时间(Residence Time Distribution, RTD)曲线进行对比分析,从而获得最佳挡墙和导流孔结构。研究结果表明,使用八字型挡墙的中间包在平均停留时间和死区体积分数方面相比V型挡墙有很大的优势,其中最优方案为采用八字型挡墙两个导流孔的方案A2,其平均停留时间为707.7 s,死区体积分数为11.86%,方案A2相比原型中间包、V型挡墙四个导流孔的方案B1和B2、V型挡墙两个导流孔的方案C1和C2平均停留时间分别延长了223.4 s、122.1 s、117.2 s、85.3 s、68.4 s,死区体积分数分别减小了18.28%、15.24%、14.59%、10.64%、8.52%。