宣钢矩形坯连铸机中间包数学模拟研究

应用三维湍流流动的数学模型及计算机模拟技术，对宣钢矩形坯连铸机中间包进行了模拟研究。通过研究发现在不加任何挡渣板的情况下，中间包内的钢液流动形成明显的短路流；不利于钢液的混合和夹杂物的上浮。中间包内加设挡渣板能够有效地防止短路流，有利于钢液的混合和夹杂物的去除。     

板坯连铸中间包挡坝结构优化的数学与物理模拟

通过几何相似比0.4的中间包水模型和Fluent数学模型对钢厂60 t二流板坯中间包不同结构挡坝下的钢液流动形态进行了分析。结果表明,中间包使用原结构-200 mm高无孔挡坝时钢液贴底流严重,且挡坝较低,对钢液提升作用不明显,不利于夹杂物上浮去除,浇注区形成较大死区。挡坝开向上15°两圆孔且高度增加至270 mm后,中间包内钢液滞止时间提高12.5%,死区减少36%,钢液在浇注区向钢液面流动,浇注区的死区和钢液温度分层现象基本消失。     

基于数值模拟的七流中间包控流装置设计

中间包内钢液流动行为是影响后续铸坯凝固质量的重要因素,因此,设计合理的中间包控流装置显得十分必要。以某钢厂新设计的七流"T"形中间包为研究对象,根据"T"形中间包结构特点和七流中间包的几何尺寸设计了四种不同的控流装置,并通过数值模拟的方法对各控流条件下中间包内的速度场、温度场和夹杂物去除效果进行系统分析,发现采用控流方案C时,各流间流动均衡性较好;中间包内最大温差和各流出口极限温差分别为9℃和0.4℃,温度非常均匀;同时,夹杂物去除率达89.12%,是适用于现场的一种理想控流方案。     

单流板坯连铸中间包内钢液流动特性研究

以八钢30t单流板坯连铸中间包为研究对象,采用物理和数学模拟方法,研究了中间包内钢液停留时间分布,分析了呈双峰形状的停留时间分布曲线反映的钢液流动模式,并采用新的方法计算了包含短路流的钢液流动模式的特征参数,进一步阐述了中间包内钢液流动特性。得出结论:(1)中间包内钢液流动的停留时间分布曲线呈现双峰形状,主要原因是中间包内钢液存在一定程度的短路流(2)中间包底面宽长比是控制中间包内钢液短路流的最主要因素,当中间包底面宽长比为0.30时,中间包内钢液短路流完全消失。     

大方坯中间包控流装置及冶金效果的研究

以某炼钢厂五流大方坯连铸中间包为研究对象,采用数值模拟方法,研究不同控流装置及操作参数下的中间包内钢液流动特性。研究结果表明,设计结构合理的湍流器、挡墙和挡坝组合的中间包结构,对钢液流动状态具有重要影响,可延长中间包内钢液停留时间,达到去除夹杂物和均匀各流钢水温度的冶金效果。优化后的中间包结构能够更好地满足高品质特钢质量的要求。     

单流板坯中间包内湍流抑制器对流场的影响

通过水力学模型实验,研究了湍流抑制器对单流板坯中间包内钢液流动的影响,并比较了有无湍流抑制器时中间包内钢液流动的特性。湍流抑制器使钢液由长水口注入中间包后再返回,从而消除了中间包短路流,发展了表面流,延长了滞止时间和平均停留时间,有利于中间包内夹杂物的去除。湍流抑制器与单挡坝的结构在控制中间包内钢液流动方面效果较好。     

特殊钢大方坯连铸中间包各流冶金效果一致性研究

摘要：多流中间包各流钢水流动与温度状态差异是造成高端特殊钢连铸坯质量一致性差的重要原因之一。针对国内某钢厂特殊钢大方坯连铸用4流T型中间包边部流和中部流实测温差较大问题（4~7℃）,基于实际工况特点,进行了中间包冶金行为的热流体动力学数值模拟研究,揭示了原型中间包边流水口响应慢及各流一致性差的原因;提出一种控制钢水流动和流间温差的内腔结构改进措施,可使包内钢液温度均匀性得到明显改善。其中,理论最小流间温差可降低到1℃以内,实测流间温差在0~3℃之间,较原型大大减小。同时指出,基于热流体动力学数值模拟优化中间包结构、提升多流中间包全铸流冶金效果一致性在特殊钢长材生产中具有重要意义。     

六流中间包场协同分析及流场优化

采用场协同理论分析了连铸中间包内钢液流场与温度分布之间的关系,并对钢厂六流中间包进行了数值模拟计算。结果表明,当中间包不采用控流装置时,大部分区域钢液流场与温度梯度场协同性好,钢液温度梯度大,最大温差达27 K,出口最大温差达3 K,(火积)耗散值大,各出口RTD(停留时间分布)曲线相差较大;当中间包内设置斜孔挡墙后,钢液流场与温度梯度场间的协同程度降低,钢液温度分布较均匀,最大温差为12 K,各出口最大温差仅为0.3 K,(火积)耗散值降低了57.6%,各出口RTD曲线近似。     

薄板坯连铸单流中间包流场的数学模拟

采用数值计算的方法模拟单流中间包内钢液流动行为。计算模拟了无控流装置,应用挡渣墙坝,以及导流隔墙时中间包内钢液流动分布、温度场。结果表明：中间包无控流装置易在中间包中下部形成贯穿流,不利于新旧钢液混合以及夹杂物去除;导流隔墙可使钢液充分上扬,夹杂物易为覆盖渣俘获,有利于夹杂物去除;加装控流装置后,湍动能在到达控流装置前加强,有利于小粒径夹杂聚合上浮;而湍动能在经过控流装置后减弱,有利于钢液平稳流入结晶器;导流隔墙与堰坝组合均可使中间包内钢液充分混合,温度均匀,进出口温差减小。     

多流中间包结构对各流一致性及钢洁净度的影响

为提高某钢厂铸机设备利用率和钢产量,将现用6流中间包改造为7流中间包,并通过工业试验对比了改造前后中间包各流钢液温差和铸坯中的夹杂物。结果表明,改造后的中间包不仅提高了生产效率,同时还提高了铸坯质量。以帘线钢为例,7流中间包浇注帘线钢时相比6流中间包各流间的钢液最大温差由平均4.3℃降低至3.0℃,各流钢液的温度标准差降低了32.4%,这有助于稳定各流浇注过热度和铸坯凝固组织。另外,铸坯中的大型夹杂物含量由平均4.52 mg/10 kg降低到1.62 mg/10 kg,显微夹杂物的平均数密度和各流数密度标准差分别降低了47.6%和87.9%。改造后7流中间包对应的铸坯洁净度和各流一致性均显著提高,表明不同的中间包控流方案设计对钢液洁净度有一定影响,在工业生产中不容忽视。通过对中间包流场的物理模拟解释了以上现象。研究结果可为多流中间包的优化改造提供参考。     

六流双通道感应加热中间包钢水流动控制

通道式感应加热是近年来得到快速推广应用的中间包冶金新技术,其通道常为直通式结构。然而对于多流狭长型中间包,这种结构会造成包内各流钢水流动和温度差异大,从而影响铸坯质量的稳定性和一致性。为此,提出了一种分口通道结构,并以国内某钢厂一需要改造的6流中间包为原型,通过物理模拟方法探究了通道孔径、角度等对钢水流动的影响,且与常规直通道结构进行了对比。结果表明,分口两孔径分别为90、60 mm并配合挡坝结构的A1D方案可明显改善整个中间包的流动均匀性,各水口RTD曲线几乎重合。该结构应用于某厂重轨钢生产,铸坯质量稳定,各流钢水温差为0~3 ℃,取得了良好的应用效果。研究为该类中间包的结构设计提供了新的思路和方法,同时也表明传统的物理模拟方法仍可用于指导感应加热中间包的设计和优化。     

超低碳IF钢头坯洁净度的研究

对比分析超低碳IF钢浇次头坯、过渡坯和尾坯的洁净度发现,非稳态头坯洁净度远差于其它铸坯,换钢包交接坯和尾坯洁净度满足质量要求。提出了改善头坯洁净度的措施,即浇铸前中间包吹氩以减少浇铸初期钢水的二次氧化、优化中间包堰坝结构以增加中间包堰坝吸附夹杂物的能力。采取措施后,浇次头坯洁净度得到了提高,钢种夹杂废品率降低。     

四流小方坯中间包结构优化的物理模拟

随着钢铁工业的发展,人们对钢的质量要求越来越高,连铸中间包结构是和连铸坯最终质量形成相关的一个重要因素。试验以某厂四流小方坯中间包为原型,1∶3的比例制作了有机玻璃水模型,在不同的中间包结构下,KCl做示踪剂,采用"刺激—响应"技术测得流体的平均停留时间;黑墨水做显示剂显示流场。试验结果表明:采用"V"型挡墙开两孔时,钢液的平均停留时间短,滞止时间短,死区体积比例大。"V"型挡墙只开上孔时,能够很好的优化中间包,改善钢液的流动状态,使钢液的平均停留时间延长58.85 s,死区体积比例减小10.06%;同时还保证了各流之间的均匀性,即各流之间的温度、成分差异较小。     

Mathematical modelling of the geometry influence of a multiple‐strand tundish on the momentum,heat and mass transfer of steel flow

Simple changes on tundish geometry may lead to significant improvements of transport phenomena of liquid steel in tundishes. In the present case steel flow in a six‐strand billet trough type tundish is mathematically simulated. Numerical results indicate the existence of a high fluid turbulence in the pouring zone and recirculating flows. Steel temperatures in the strands are also different, which from practice it would mean different qualities of billet among the strands. A simple change of design by widening the pouring box improves all the steel flow characteristics. First the turbulence in the pouring box is decreased, the recirculating flows are eliminated and steel temperatures in the six strands become closer to each other. Using a computational technique known as volume of fluid, surface topography of bath including the covering slag was simulated for both types of tundishes. These simulations predicted an open eye of the slag layer for the first tundish while in the second this phenomena was avoided. Thus, it was demonstrated the original hypothesis that small changes in tundish design may lead to a more controlled steel flow.     

降低大方坯中间包临界液面高度工艺研究

中间包底部水口附近结构和流场形态影响中包临界液面高度。通过在中间包底部水口附近加抑流件的水模型优化实验及工业试验,确认了加抑流件可以降低中包临界液面高度,在工业生产中抑流件使用是安全的,中间包合理停浇液面对尾坯纯净度无影响。     

通道式感应加热五流中间包流场的水力学模拟

 通道式感应加热能有效补偿连铸过程中间包钢水的温降,且具加热效率高、设备简单等优点,是近年来得到快速推广应用的中间包新技术。配置感应加热器后的中间包结构与常规中间包差异较大,其加热通道的设计对中间包流场具有明显影响。针对实际应用的某5流直通道感应加热中间包边部流和中间流温差大、钢水浇铸过热度偏高的问题,通过水模拟试验对该中间包流场进行优化,提出了一种新型的分口通道方案。该方案可将中间包的死区比例由原型的29.50%降低到20.33%,钢水平均停留时间较原型延长了40 s。工业试验表明,分口式新型通道设计中间包各流浇铸温度一致性得到改善,其中边部流和中间流的平均温差较原型降低了3.6 ℃,实现了感应加热中间包应用效果的进一步提升。     

七流中间包结构优化的物理模拟

采用物理模拟的方法对某厂七流中间包进行了结构优化。研究结果表明,无控流装置中间包各流流动特性一致性很差,原型控流装置起到了一定的导流作用,但1流、2流与3流、4流差异较大,死区比例为22.68%;优化后的控流装置可减小各流之间的差异,延长平均停留时间到520.2s,减小死区比例至16.75%,有利于生产顺行和铸坯质量的提高。     

通道式感应加热7流中间包流场的物理模拟

 为解决通道式感应加热7流中间包各流一致性差、第2和第6流钢水停留时间短的问题,通过水模拟试验对该中间包流场进行优化。等温试验结果表明,通过改变通道结构以及添加双挡坝可改善流体的流动状况。与原型结构相比,优化后中间包总体平均停留时间延长了277.8 s,死区比例降低了30.16%,各流一致性得到较大改善。非等温试验表明,感应加热引起的包内自然对流不可忽略,流体经加热从通道流出后会形成明显上升流。通道内外温差越大,中间包各流的一致性越好。针对原型方案,通道内外温差为5 ℃时,中间包内流体停留时间即较无温差时明显延长,死区基本消除。     

三流方坯连铸中间包结构优化的数值模拟和应用

根据太钢三流220mm×220mm方坯连铸中间包结构和工艺参数,利用ANSYS FLUENT数值模拟软件对该中间包流场和温度场进行模拟研究。结果表明,原型中间包流场不合理,第2流钢液存在短路流和死区,各流一致性较差。优化方案通过在浇注区设立挡墙,形成钢流缓冲区,钢液重新分配,流场一致性得到了大幅度改善。最优方案应用于现场后,相对于原方案第1、2流夹杂物数量分别降低了9.51%、23.52%,流间夹杂物数量差异降低了52. 72%,两流夹杂物数量和流间夹杂物数量差异都明显降低。     

Physical modelling investigation of influence of strand blockage on RTD characteristics in a multistrand tundish

Abstract

In the continuous casting process, the tundish acts as a continuous molten steel distribution vessel. The importance of the tundish during the molten steel delivery becomes more significant when it supplies liquid steel to more than one mould. In the present work, a water model of a six strand billet caster tundish has been used to study the effect of strand blockage on the residence time distribution (RTD) characteristics at the strands. All the experiments were performed under steady state conditions. Potassium chloride was used as a tracer for the study. The effects of blockage on the strand dissimilarity among the open strands were also studied. Both single and dual strand blockage experiments were performed. Blockage of strands deteriorated the RTD characteristics at the open strands. The results reveal the most preferred options for strand blockage when the plant operation needs to do so.