高频磁场下连铸保护渣润滑行为数学模型

为了研究高频磁场下连铸保护渣在结晶器内的润滑状况,建立了高频磁场下连铸保护渣润滑行为数学模型,并应用该数学模型研究了初始凝固时磁场作用下渣道宽度、弯月面高度、渣道动压、渣耗、摩擦力等因素对保护渣润滑行为的影响。结果发现,磁场的作用拓宽了保护渣渣道宽度,增大了弯月面高度,使保护渣渣道入口及出口宽度增加,使初始凝固点下移,改善了传热条件有利于铸坯表面质量提升;磁场的作用减小了因结晶器振动而产生的正压和负压,并且正、负压都是随着磁场强度的增大而减小,但磁场强度存在一个最佳值;磁场的作用增大了渣耗量,改善了铸坯与结晶器之间的润滑;铸坯与结晶器之间摩擦力随着磁场强度的增大而减小,当磁场强度为40 mT时,总摩擦力减小趋于平缓,因此磁场强度为40 mT左右时对减小摩擦力的作用效果较好。     

结晶器/铸坯气隙内渣膜润滑行为的数学模拟

建立了连铸保护渣润滑行为的数学模型,对不同连铸工艺参数对结晶器内铸坯摩擦力的影响进行了预测和讨论.结果表明,对于一给定的保护渣,存在一个最佳拉坯速度,低于或高于这一速度都会使摩擦力增大;增大结晶器振动的振幅、频率和结晶器倒锥度,铸坯所受到的摩擦力增大.     

连铸振动结晶器内液态保护渣消耗机理

通过引入材料学中变截面悬臂梁理论,计算了连铸结晶器弯月面以下初凝坯壳受力,分析了结晶器正弦振动条件下初凝坯壳变形行为,并阐明液态保护渣消耗机理.结果表明,保护渣消耗于正滑脱中后期至下一个正滑脱前中期,包括整个负滑脱时期,负滑脱中期渣道宽度是保护渣消耗的限制性因素.通过增大黏度、振频和振幅使负滑脱时期内保护渣消耗量降低,从而增大了正滑脱时期内渣耗占整个周期内渣耗的比重,使正滑脱时期成为保护渣的主要消耗期.反之,负滑脱时期为保护渣主要消耗期.     

结晶器中弯月面区域保护渣液流场的数学模拟

用商业软件Fuent 对弯月面处保护渣的流场分布和弯月面受力情况进行了数学模拟和分析。 对于一个振动周期,在时间t=0 时,保护渣的流入量最大,此时保护渣对凝固坯壳产生负压,为使保护渣容易流人,应尽量减小此时的负压,减小保护渣与结晶器之间的摩擦力。模拟结果与南钢方坯连铸实际情况一致。     

高频调幅磁场下无结晶器振动电磁连铸技术的实验研究

为了在连铸过程中用电磁力的振动代替结晶器的机械振动,成功研制了可以产生方波、正弦波、三角波3种波形的高频调幅磁场发生器,并对其在结晶器内产生的磁场进行了测量.进行了3种波形高频调幅磁场下的无结晶器振动电磁连铸实验,结果表明①在方波、三角波和正弦波调幅磁场作用下的无结晶器振动电磁连铸过程中,当调制波频率略低于系统固有频率时,弯月面与结晶器器壁间断接触距离最大,保护渣润滑效果最好,连铸过程拉坯阻力最小,连铸坯表面质量相对较好.②在3种高频调幅磁场中,从减小拉坯阻力和改善铸坯表面质量的角度讲,正弦波在整体上要稍优于三角波和方波.     

方坯连铸保护渣渣膜润滑行为的理论研究

应用传热学和粘性流体力学原理，用数学模拟的方法描述了方坯连铸结晶器内保护渣的润滑行为，计算不同浇注条件下铸坯所受摩擦力，分析了各种因素对铸坯所受摩擦力的影响。     

板坯结晶器钢液流动传热和摩擦行为的数值模拟

结晶器摩擦力对连铸顺行非常重要,而钢液流动行为会影响铸坯温度场和保护渣分布,可能对铸坯摩擦力产生一定的影响.利用Fluent软件建立结晶器内钢液流动、传热三维数学模型,并将温度场数据导入Ansys计算铸坯应变,然后根据铸坯-保护渣-结晶器摩擦行为数学模型讨论了渣膜润滑情况,对比了不同水口底部形状下结晶器内液态、固态和总摩擦力.结果表明:不考虑水口射流时结晶器总摩擦力比考虑水口时增大约29.4％;浸入式水口底部形状分别为凸底、平底和凹底3种情况下铸坯窄面中心温度依次降低,凝固壳厚度依次增大,固态摩擦力依次增大,总摩擦力依次增大,液态摩擦力相差较小.     

含TiO2无氟保护渣的传热研究及生产实践

在对结晶器无氟保护渣熔粘特性研究的基础上,研究了结晶器无氟保护渣渣膜的传热.即在保护渣熔粘特性的基础上利用添加TiO2来降低和控制铸坯及结晶器之间的热传递.结果表明:采用碱度在0.95～1.05范围内、TiO2含量为2.5%的结晶器无氟保护渣,不仅可保证连铸生产所要求的正常渣耗和结晶器进出水温差,而且铸坯表面质量良好.     

外加液态保护渣连铸生产实践与前景展望

 外加液态保护渣可以提高铸坯质量和可浇性。在某厂板坯连铸机上,分别采用液态保护渣和固态保护渣进行多钢种浇注试验,对比液态保护渣和固态保护渣消耗量、结晶器温度分布、拉坯摩擦力及铸坯质量,并对液态保护渣的应用前景进行展望。结果显示,液态保护渣比固态保护渣消耗量增加60%左右,结晶器温度分布更均匀,连铸拉坯摩擦力降低约15%,铸坯质量有所提高。这说明在连铸过程中,液态保护渣使结晶器和铸坯间传热更均匀;液态保护渣润滑效果更好,可以提高铸坯质量。同时,有望不添加F-、Na+等有害离子,改善环保问题。     

不锈钢连铸初期固态结晶器保护渣渣层的演变

在芬兰奥托昆普不锈钢厂的2号连铸机上对固态结晶器保护渣渣层的演变作了研究。为研究固态保护渣渣层的形成,在不锈钢连铸的初期阶段,在保护渣中添加了氧化钡示踪剂。实验钢种牌号为美国钢铁学会标准304钢种。实验中,浇铸一炉钢水,尾坯输出时,在结晶器顶部提取固态渣层渣样。采用的取样方式可在钢液弯月面下方取得几乎和结晶器同样宽度,长度大约为25cm的一些大尺寸渣样。从这些渣样上提取3个与钢液弯月面距离各不相同的小渣样,然后对这3个小渣样进行X射线荧光光谱分析,检测氧化钡。有些情况下在大渣样的底部边缘处检测到了最高浓度的氧化钡。大渣样底部的氧化钡浓度较高意味着在浇铸初期,钢液弯月面附近已固化的保护渣渣层已向下移动。而在钢液弯月面附近的固态渣层中的氧化钡浓度更低,意味着由于结晶器顶部液态渣层中氧化钡的浓度已下降,渣层在浇铸期间形成的时间较晚。结晶器中固态渣层的形成及渣层在弯月面下方的破裂和再固化与氧化钡的浓度密切相关。     

The formation of oscillation marks in the continuous casting of steel slabs

The formation of oscillation marks on the surface of continuously cast slabs has been studied by metallographically examining slab samples and by performing a set of mathematical analyses of heat flow, lubrication, and meniscus shape in the meniscus region of the mold. The metallographic study has revealed that, in agreement with previous work, the oscillation marks can be classified principally according to the presence or absence of a small “hook” in the subsurface structure at the base of individual oscillation marks. The depth of the oscillation marks exhibiting subsurface hooks varies with the carbon content, reaching a maximum at about 0.1 pct carbon, while the oscillation marks without hooks show no carbon dependence. The analysis of heat flow at the meniscus, which is based on a measured mold heat-flux distribution, indicates that depending on the level of superheat, the meniscus may partially freeze within the period of a typical mold oscillation cycle. Lubrication theory has shown that, owing to the geometry of the mold flux channel between the solidifying shell at the meniscus and the straight mold wall, significant pressure gradients capable of deforming the meniscus can be generated in the flux by the reciprocating motion of the mold relative to the shell. A force balance on the interface between the steel and the mold flux has been applied to compute the shape of the meniscus as a function of the pressure developed in the lubricating flux at different stages in the mold oscillation cycle. This has demonstrated that the “contact” point between the meniscus and mold moves out of phase with (by π/2), and has a greater amplitude than, the mold displacement so that just at, or near, the end of the negative strip time molten steel can overflow at the meniscus. From these studies a reasonable mechanism of oscillation-mark formation emerges which involves interaction between the oscillating mold and the meniscusvia pressure gradients in the mold flux, meniscus solidification, and overflow. The mechanism is consistent with industrial observations. E. TAKEUCHI, on study leave from Nippon Steel Corporation     

高拉速薄板坯连铸保护渣剪切变稀性质

 针对高拉速薄板坯连铸保护渣现场使用过程中卷渣风险加剧、黏结报警频发等问题,通过使保护渣产生非牛顿流体行为,从而有效解决上述问题。该种新型保护渣具有剪切变稀的特性,即在较低剪切速率下具有较高黏度、在较高剪切速率下具有较低黏度。基于现场数据,计算出高拉速薄板坯结晶器钢液面表面区域的剪切速率为10~90 s-1,结晶器弯月面及以下区域的剪切速率可达120~1 600 s-1。采用旋转圆筒法研究了Al₂O₃对保护渣剪切变稀性质的影响。采用Oswald-De Waele幂律模型对剪切变稀行为进行了定量分析。结果表明,随着Al₂O₃含量的增加,保护渣剪切变稀性质先增强后减弱,Al₂O₃质量分数为8.61%的试样剪切变稀性质最强,其流动性指数最低达到0.764 4。研究发现,非牛顿流体保护渣具有的剪切变稀性质能够满足在结晶器钢液面表面区域和弯月面及以下区域内对保护渣黏度的要求。基于高拉速薄板坯连铸的具体工艺参数,建立结晶器内多相耦合模型,通过模型计算发现,保护渣的剪切变稀性质增强不仅会明显降低剪切卷渣的风险,提高结晶器弯月面区域液渣流入的均匀性,而且在结晶器弯月面及以下区域具有更厚的液态渣膜,更容易实现全程液态润滑,同时提高了渣耗量,进一步剖析了保护渣剪切变稀性质的作用效果。本研究为开发非牛顿流体高拉速薄板坯连铸保护渣提供了理论依据。     

低碳钢薄板坯高速连铸保护渣研究与优化

 针对低碳钢薄板坯高速连铸过程中保护渣液渣层过薄、黏结报警频发、铸坯表面纵裂纹过多等问题,在充分考虑高拉速下低碳钢凝固收缩特性的基础上,确定了保护渣润滑与传热性能的优化方向并开展了工业试验。将保护渣碱度从1.10提高到1.30,Li₂O质量分数从0.57%提高到1.06%,Na₂O质量分数从5.48%提高到8.16%,碳质量分数由7.71%降低到6.72%。对2种保护渣的流变性能和渣膜3层结构进行了深入研究,发现优化后保护渣渣膜中的液渣层比例增加,渣膜润滑系数α增大;同时,渣膜中的结晶层比例也有一定程度的提高,渣膜热阻系数β增大,从而使保护渣的润滑性能和控制传热能力均得到改善。从矿相分析结果看出,保护渣碱度的提高在一定程度上会促进硅灰石的析出,导致渣膜结晶率提高、热阻增大,进而起到控制传热的目的。生产实践表明,在拉速提高后,使用新型保护渣基本避免了黏结和裂纹的产生,生产效率和铸坯质量均得到显著提高。     

Modeling transient slag-layer phenomena in the shell/mold gap in continuous casting of steel

Mold-slag friction and fracture may cause heat-transfer variations in continuous casting, which leads to steel shell temperature and stress variations, resulting in surface cracks. Analytical transient models of liquid slag flow and solid slag stress have been coupled with a finite-difference model of heat transfer in the mold, gap, and steel shell to predict transient shear stress, friction, slip, and fracture of the slag layers. The models are validated by comparing with numerical models and plant measurements of mold friction. Using reported slag-fracture strength and time-temperature-transformation (TTT) diagrams, the models are applied to study the effect of casting speed and mold-powder viscosity properties on slag-layer behavior between the oscillating mold wall and the solidifying steel shell. The study finds that liquid-slag lubrication would produce negligible stresses. A lower mold-slag consumption rate leads to high solid friction and results in solid-slag-layer fracture and movement below a critical value. Crystalline slag tends to fracture near the meniscus and glassy slag tends to fracture near the mold exit. A medium casting speed may be the safest to avoid slag fracture, due to its having the lowest critical lubrication consumption rate. The high measured friction force in operating casters could be due to three sources: an intermittent moving solid slag layer, excessive mold taper, or mold misalignment. Other symbols are defined in Table I     

Online Measurement for Transient Mold Friction Based on the Hydraulic Oscillators of Continuous-Casting Mold

The interaction of the strand shell surface and mold copper plates has significant effects on the slab surface quality and casting productivity. This article focuses on developing a reliable approach to measure the transient friction force between the slab and the mold for the purpose of the investigation of lubrication and friction behavior inside a mold. This method is presented to monitor transient mold frictions for the slab continuous caster equipped with hydraulic oscillators. A mathematical model is also developed to calculate the empty working force of the no casting state, and a new algorithm, based on the particle swarm optimization, is proposed to predict the dynamic characteristic parameters of mold oscillation. The results have shown that the method has a sufficient sensitivity to variation, especially to the periodical variation of the mold friction, and it has been identified that the transient mold friction can be used as an effective index with regard to detecting mold oscillation and optimizing the casting parameters for process control. It may lay the practical foundation for the online detection of powder lubrication and the visualization of the continuous-casting mold process.     

高拉速连铸结晶器振动参数对板坯表面裂纹形成的影响

 结晶器振动导致初凝坯壳受力和变形是产生铸坯表面裂纹的主要原因。通过计算2.0 m/min拉速时弯月面区最大液体摩擦力和最大渣道动态压力,分析了高拉速下结晶器振动参数变化对板坯表面纵裂纹和横裂纹形成的影响,并结合振动参数对结晶器润滑和振动状态的影响,阐明减少表面裂纹的振动参数控制措施。研究结果表明：提高振频和振幅均增大铸坯表面裂纹形成的可能,振频影响强于振幅;增大非正弦振动因子降低了坯壳撕裂可能性,且对润滑有利,但使振痕加深,振动冲击加剧;适当降低振频,增大振幅和非正弦振动因子可抑制表面裂纹形成。     

结晶器渣圈对渣道压力、振痕及渣耗影响的分析

对比分析了三种类型结晶器渣圈,阐明了渣圈对连铸坯生产过程的影响。结果表明,当渣圈存在时,渣道动态压力变化幅度显著增大,最大正压由1.373 k Pa提高到21 k Pa,压力增大导致振痕产生,渣圈越厚,振痕越深;同时,渣圈会影响保护渣的消耗量,无渣圈时,最大渣耗量为0.009 7 kg/(m·s),渣圈存在时,最大渣耗量降至0.007 kg/(m·s),较厚的渣圈会使渣道宽度变窄,在振动负滑脱中期降低保护渣的消耗量。     

连铸结晶器内卷渣模拟方法研究

以重钢板坯连铸结晶器为研究对象,选用不同液面保护渣模拟材料进行实验,并结合实际生产结晶器内保护渣覆盖状况观察结果,得出水模实验过程中合理的液面保护渣模拟方法;在此基础上建立起结晶器内液面波动大小与保护渣覆盖状态的关系,结果表明在实际操作中结晶器内液面波动在3—7mm范围内,可得到比较理想的保护渣覆盖效果。     

非稳态浇铸对结晶器卷渣定量影响的大涡模拟

 基于实际板坯连铸结晶器建立了耦合大涡模拟(LES)湍流模型和VOF多相流模型的三维数值模拟模型,讨论了不同结晶器浸入水口(SEN)结瘤程度和SEN未对中分布对结晶器内瞬态多相流场及卷渣行为的影响。通过用户自定义程序成功实现了不同工况下结晶器内卷入渣滴数量、大小、空间分布等信息的定量化预测,并得到了弯月面不同位置处发生卷渣的概率分布。结果表明,水口顺时针旋转5°的未对中分布下由于钢液射流更多地撞击宽面,导致弯月面近窄面处液位分布有轻微降低,液位波动也从理想状态下的±(6~7) mm降低至±5 mm以内。SEN结瘤对弯月面液位波动有较大影响,SEN左侧完全堵塞、右侧未堵塞情况下液位波动增大至±11 mm左右,而SEN左侧堵塞2/3且右侧堵塞1/3情况下弯月面液位波动则增大至±15 mm左右。理想工况下净卷渣速率为0.0130 kg/s,卷渣主要发生在弯月面四周以及流股碰撞处。SEN未对中布置工况下净卷渣速率轻微降低至0.009 3 kg/s,但宽面附近卷渣概率明显增大。SEN左侧完全堵塞且右侧未堵塞和SEN左侧堵塞2/3且右侧堵塞1/3情况下净卷渣速率则分别增大至0.045 5 kg/s和0.0670 kg/s;卷渣主要由过大的钢液流速对弯月面的剪切作用造成,且主要位于水口至1/4结晶器宽度的范围内。水口结瘤后不对称流动造成的旋涡增加,由此引起的卷渣也相应增加。