连铸板坯凝固过程中夹杂物运动模拟研究

基于CFD建立了连铸过程中钢液流动、凝固及夹杂物运动三维数学模型。考虑铸坯弧形和水口形状,研究了连铸板坯凝固坯壳对钢液流动和夹杂物运动的影响,得出了夹杂物的上浮率及在凝固铸坯上的分布。研究结果表明,铸坯凝固对钢液流场有显著影响。凝固坯壳阻碍钢液向下流动,考虑凝固的钢液回流区更靠近弯月面,钢液流出回流区更趋于向铸坯中心运动;凝固的夹杂物上浮率相对于不考虑凝固的夹杂物上浮率高。     

钢锭凝固过程温度场数值模拟

本研究采用大型商业软件MSC.Marc建立了38t钢锭凝固传热数学模型,模型中的钢热物性参数是通过钢凝固过程微观偏析模型预测钢锭凝固过程相的变化规律,并根据钢锭凝固过程钢热物性参数与相组成之间的关系式来确定.随后采用红外测温试验验证了钢锭凝固传热数学模型,并模拟了钢锭凝固过程温度场变化规律以及不同浇注温度和冒口保温条件对钢锭凝固过程的影响.结果表明:钢锭凝固过程由钢锭底部向冒口逐渐凝固,随着钢锭冒口发热剂的加入,钢锭凝固末期,最后凝固区域逐渐从无发热剂情况时位于钢锭本体向冒口区域移动.38t钢锭4125V2钢可采用向浇注后冒口加入200 mm厚发热剂增强钢锭凝固末期钢液补缩能力,脱模时间为浇注后12.5 h.     

帽口保温砖结构对大型钢锭凝固过程的影响分析

对大型钢锭冒口处的保温砖采用实验检测的保温砖物性参数进行数值模拟,对比了不同保温砖结构对钢锭冒口区凝固过程的影响,结果表明,轻质砖和WDS的使用能够延长冒口处钢液的凝固时间,有利于钢锭的补缩,提高钢锭质量,建议减薄粘土砖的厚度,以充分发挥轻质砖和WDS的保温作用.     

Q420钢中非金属夹杂物的分析

分别在模铸生产的Q420钢锭的冒口和本体顶部、中部、底部取样,以分析钢锭中非金属夹杂物的成分和分布。结果表明,钢锭中夹杂物指数在2.09~4.98个/mm2之间波动,本体中部的显微夹杂物含量小于其他位置。钢锭中的大型夹杂物总量介于5.7~22.5 mg/10 kg之间,其成分主要是SiO2和Al2O3,并含有少量的Na2O和K2O,主要来源于浇注用保护渣,钢锭本体底部的大型夹杂物远高于钢锭其他位置。     

大钢锭凝固过程的数值模拟研究

运用大型商业软件MARC的有限元分析法,对85 t S34MnV大型钢锭凝固过程的温度场分布进行了数值模拟计算分析,基于模拟结果进行了工业试验.模拟结果表明,钢锭的凝固趋势在轴向上由钢锭底部向钢锭顶部逐步推进,径向上由四周向中心慢慢延伸.通过对不同浇注温度下的钢锭凝固过程进行数值模拟,得出适当提高钢锭的浇注温度可以延长凝固时间,这有利于夹杂物的上浮.工业试验结果表明,提高钢锭模初始温度50℃后,冒口夹杂物总量与钢锭底部夹杂物总量的比值提高了约0.63％,验证了模拟结果.     

连铸结晶器内簇状夹杂物分形生长的Monte-Carlo模拟

建立夹杂物分形长大数学模型来描述连铸结晶器内夹杂物的动态长大过程.采用Euler方法给出了连铸结晶器内钢液流动和夹杂物的三维分布,采用Lagrange方法跟踪单个夹杂物颗粒在夹杂物浓度场中的运动来研究其碰撞、长大过程.计算结果表明:钢液的夹带作用是影响夹杂物分布的关键因素.钢液流动和夹杂物分布在连铸机内均具有上、下两个循环区,在出口处具有"W"分布特征.对于单个夹杂物,由于种于夹杂物不断吸附其它夹杂物,因此较大粒径的夹杂物具有多个突起和触手,呈簇状形态.     

板坯连铸机内钢液流动和夹杂物碰撞长大行为

采用数值模拟方法研究了板坯连铸机内钢液流动、夹杂物碰撞聚合行为.由于凝固坯壳的向下运动和上升流股的相互作用,在结晶器窄面附近形成一个角部涡.此角部涡的存在使夹杂物的浓度、数量密度和特征尺寸的分布在结晶器窄面附近产生一个极值.数值模拟结果还表明钢液的对流输运是影响夹杂物分布的重要因素.由于钢液上部回流区的存在,夹杂物分布显现环状特征.在结晶器下部,由于壁面效应和夹杂物碰撞聚合,夹杂物在中心截面上形成"W"形分布,在水平截面上形成"8"字形分布;而在铸坯窄面和水口下方对称面处,夹杂物形成"V"形分布.     

固态渣膜和锭尾圆角对钢锭缺陷的影响研究

基于锭尾圆角和固态渣膜两个变量对17CrNiMo6钢锭的组织缺陷进行研究。在两个变量交叉变化的情况下,解析钢锭组织缺陷在宏观和微观上的变化。所采用的研究方法包括:缺陷种类的统计学分析、成分分析、微观物相分析、数值模拟。研究表明:固态渣膜的存在会形成钢液的污染源,去除固态渣膜有利于提高钢锭质量。耐火材料的脱落会影响钢液的纯净度,控制好钢锭凝固速度和顺序,可以控制夹杂物的尺寸和数量。锭尾圆角有利于锭尾钢液从下至上的凝固和减少钢锭的组织缺陷;但固态渣膜的存在会让杂质无法充分上浮,从而形成皮下夹杂。     

内置式搅拌磁场对连铸空心铸坯内夹杂物分布影响

耦合求解了电磁场方程以及夹杂物守恒方程,考虑了夹杂物间的湍流碰撞以及斯托克斯碰撞,计算获得了拉速以及行波式电磁搅拌对结晶器内夹杂物分布的影响规律。结果表明,结晶器内夹杂物的运动规律与钢液的流动状态密切相关,拉速越大,钢液的浸入深度越深,则结晶器出口处夹杂物的数量越多,夹杂物的尺寸越小。施加行波式搅拌磁场可以使钢液流动加强,并减小钢液的浸入深度,有利于夹杂物的聚集长大上浮,结晶器内夹杂物的尺寸较大,但数量减少。因此,在连铸空心管坯内部施加搅拌磁场有利于去除钢中夹杂物,从而改善连铸空心管坯的质量。     

我国铸造产品存在三大问题

一、工艺水平低,精密铸造产品质量差1.铸件裂纹问题严重。2.大型铸件偏析和夹杂物缺陷严重。大型铸钢件和大型钢锭在凝固结束后,在冒口根部、铸件的厚大断面存在宏观偏析、晶粒粗大问题。     

电磁过滤钢液中非金属夹杂物的运动速度和去除效率的理论分析

电磁过滤原理是根据非金属夹杂物与熔体导电性的差异,在电磁场作用下非金属夹杂物与熔体的运动规律不同,使非金属夹杂物与熔体分离,经流体力学分析、采用柱塞流及轨线模型研究电磁过滤水平流动钢液中非金属夹杂物的运动速度和去除效率,结果表明,非金属夹杂物的去除效率随着熔体流速（u)和过滤器的高度（2h)的降低而增加;随着电磁力（f)、电磁力作用区长度（x)和非金属夹杂物的粒径（dp)的增加而增加,经分析表明,采用电磁过滤法可有效去除粒径小于10um的非金属夹杂物,该模型可用来设计过滤器的结构和确定电磁过滤工艺参数,为电磁去除钢液中的非金属夹杂物技术的工业应用提供理论基础。     

锻造用钢锭凝固过程温度场数值模拟及其应用

在分析锻造用钢锭凝固过程特点的基础上,建立起钢锭铸造凝固的二维非稳态温度场计算数学模型,并编制程序。计算结果反映了钢锭铸造凝固过程中温度场分布。利用该程序,可以对钢液在相似结构钢锭模中的凝固温度场进行预测和评价,也可以通过对比来优化钢锭模设计。     

Formation mechanism of shrinkage and large inclusions of a 70t 12Cr2Mo1 heavy steel ingot简

Shrinkage cavities and large inclusions are serious internal defects of heavy steel ingot and influence the quality of subsequent forgings.In order to remove these two types of defects,a 70 t 12Cr2Mo1 heavy ingot fabricated by vacuum carbon de-oxidation process was sectioned and investigated by means of structure observation and EDS analysis.To further study the forming mechanism of shrinkage and inclusion defects and find possible solutions,simulation on pouring and solidification processes was also carried out using Fluent and ProCAST software,respectively.Results show that the shrinkage defects do not appear in the middle-upper part of the ingot.The critical value of shrinkage cavity criterion is ascertained as 0.013 on the basis of sectioning investigation and simulation results,which can be used in computer simulation to predict and avoid shrinkage defects in production of 12Cr2Mo1 ingots with different weights.However,large inclusions are found at the bottom of the ingot body.The bad thermal conditions of the ingot surface and large amount of entrained slag are the main origin of the large inclusions.The simulation result of the pouring process shows that large inclusions may be eliminated by combined measures of improving the top thermal condition and controlling the height of rudimental molten steel in the ladle to above 300 mm.     

Research Progress of Numerical Simulation in Steelmaking and Continuous Casting ProcessesEI北大核心CSCD

Because of the complexity of steelmaking and continuous casting processes and their limitation condition for direct measuring and testing, numerical simulation has become an indispensable means to analyze the phenomena and mechanisms occurring in the processes, and since the 1980s, it has made a rapid development. For the converter smelting, some new oxygen lances were designed by using the simulation study of the characteristics of the oxygen lance supersonic jet. Some mathematical models have been established to describe the slag-metal-gas multiphase flow behavior in steelmaking converter, and the flow field, mixing efficiency, metal droplet splashing, lining scouring and other physical phenomena. For the ladle refining, the Euler-Euler model gradually replaces the quasi-unidirectional and Euler-Lagrangian models, and successfully describes the phenomena of bubble turbulent dispersion caused by liquid turbulent fluctuation, and bubble-induced turbulence occurring during bubble floating process. So, some new and important inclusion transport mechanisms and phenomena have been presented. The CFD-PBM model was used to predict successfully the inclusion transport, collision growth and removal behavior in the molten steel, which enriches the inclusions removal theory of ladle refining. The CFD-SRM coupled model was used to accurately describe the slag-metal reaction and desulfurization behavior in a gas-stirred ladle, and the effect of the different content of compositions in synthetic slag and liquid steel, arrangement of bottom blowing tuyeres on the slag-metal reactions and desulfurization efficiency were discussed and clarified. For steel continuous casting, as the heat flow model from the solidified shell to the copper plate of mold was coupled with the thermo/mechanical model of the solidified shell, distributions of mold flux and air gap both along circumference and height directions of the mold were successfully predicted, while founded theoretical backgrounds for designing new mold with inner convex surface and controlling the surface corner crack of micro-alloyed steel. The coupled simulation between flow and electromagnetic fields in mold revealed the flow behavior of molten steel with electromagnetic stirring or braking, the fluctuation characteristic of the slag-steel interface and the distribution characteristic of inclusions in the strand. Based on the volume averaged method, multi-field and multi-phase solidification model successfully clarified the formation mechanism of macro-segregation in continuously cast strand and quantitatively predicted central/centerline segregation indexes in the strand under different casting conditions. In addition, the numerical simulation of the evolution of solidification structure of the continuously cast strand mainly focused on the as-cast grain, and its extension to the dendrite structure needed further more endeavors. Generally speaking, the numerical simulation in steelmaking-continuous casting process is moving towards coupling multi-physical/chemistry phenomena and multi-fields and gradually transits to the microscopic scale.     

连铸中间包内夹杂物去除机理的水模型研究

通过选择乳状液滴模拟夹杂物和连铸中间包水模型实验,考察了控流装置、浇铸速度及夹杂物粒径对中间包内夹杂物去除行为的影响规律.结果表明:挡墙-挡坝组合控流去除夹杂物效果最佳,中间包内强湍流区夹杂物的碰撞、聚合以及向上和表面流速的增加是主因;中间包注流区加入冲击槽,虽然其流体流动特征发生改变,但对夹杂物去除率的影响并不显著;浇铸速度较高时,仅靠控流装置的优化已不能很好地改善夹杂物的去除效果.     

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。     

钢中非金属夹杂物控制技术发展现状及展望

钢中夹杂物的数量、尺寸、分布规律对钢产品质量有较大影响,因此,控制钢中非金属夹杂物是冶炼高品质洁净钢、提升产品品质的关键。通过对钢中非金属夹杂物性质、来源入手,分析了夹杂物碰撞、聚合长大、上浮及去除机理,同时对气泡吸附、电磁净化、过滤分离等夹杂物控制技术进行了对比分析,并对氧化物冶金技术发展现状进行了介绍。研究表明,气泡法与过滤法是以气泡和过滤器为媒介对钢水中夹杂进行吸附、捕捉并促进其进入渣相;电磁净化法借助电磁场离心力增加夹杂物碰撞、聚集长大的几率,但设备较为复杂,其应用受电力资源供给限制;夹杂物改性技术是将高熔点夹杂变性生成低熔点夹杂,促进夹杂物上浮,其操作简单,但容易造成钢水的二次污染。氧化物冶金技术通过改变夹杂物大小、形状和分布来钉扎和抑制高温下奥氏体晶粒的长大,避免粗大晶粒的形成,从而实现细化组织、提高钢的强度和韧性的目的。氧化物冶金技术为夹杂物的控制提供了新思路,具有重要的应用前景。     

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。     

400t级巨型钢锭偏析及夹杂物分布研究

主要分析400 t级巨型钢锭的偏析及夹杂物分布情况,对水口、冒口等典型部位取样做化学成分分析及夹杂物评级。通过分析发现冒口与水口端偏析现象比较明显,但偏析量相对较小,而S、O的残余含量特别低,A类夹杂物评级基本为0级,D类夹杂物评级≤0.5级,同时钢锭肩部属循环死角,夹杂物容易聚集,对于巨型钢锭或无损检测要求特别高的产品,建议将钢锭肩部切除掉,以提高产品质量。