结晶器内氩气泡分布及钢渣界面波动行为

建立了1∶0.6的结晶器水模型和结晶器原型数学模型,采用高速摄像机及分析软件研究了连铸工艺参数对结晶器水模型内气泡分布行为的影响;采用离散相模型和VOF模型的数学模拟方法,研究了连铸工艺参数对结晶器内气泡分布和钢渣界面波动行为的影响。结果表明,通过数学模拟获得的结晶器内气泡分布和水模型试验结果吻合性较好;增加吹氩量,结晶器内氩气泡尺寸增大,分布更均匀;吹氩可以降低结晶器窄面附近区域钢液的波高,但会导致水口附近波动加剧;增大拉速时,结晶器内氩气泡尺寸减小,分布更均匀,结晶器窄面波高增大,水口附近液面波高显著降低;增大水口倾角和浸入深度,有助于抑制水口附近和窄面附近的波动,气泡在结晶器内的分布相对较为均匀,气泡尺寸变化不显著。拉速为1.2 m/min、水口倾角为15°、水口浸入深度为160 mm,较优的吹氩量为4 L/min。研究结果可以为优化工艺参数、防止钢液卷渣、提高铸坯质量提供理论依据。     

板坯连铸结晶器内氩气泡行为的模拟研究

针对氩气泡在板坯连铸结晶器中的运动行为,以190 mm×1 900 mm板坯连铸结晶器原型为研究对象,采用水力学模型及数值模拟的方法,重点研究了拉速为1.7 m/min时不同水口吹气量对结晶器内气泡大小、气泡分布、液面波动、渣-金行为等的影响。研究结果表明:随着水口吹气量增加,气泡尺寸逐渐增加,结晶器窄边气泡数量不断减少,气泡大都聚集在水口附近上浮,水口吹气量是引起乳化卷渣、水口附近液面裸露及卷渣等的主要因素。     

浇铸参数对结晶器液面波动影响及其工业应用

 板坯连铸结晶器液面的波动行为是结晶器内钢液流动、结晶器自身振动以及辊子挤压铸坯内部未凝固的钢液造成液面波动综合作用的结果。结晶器液位波动的稳定性对板坯连铸过程的卷渣行为有直接影响。在工业板坯连铸生产实践中,一般在结晶器某一区域(比如结晶器中部)利用放射源或涡流传感器检测液位波动来代表该工况下的整体波动水平。利用三维气液两相流动的数学模型研究了浇铸参数对结晶器液位轮廓的影响,浇铸参数包括拉速、吹氩流量、浸入式水口出口角度和浇铸断面。研究结果表明,结晶器不同宽度位置的波动幅值差异较大,且与工艺参数密切相关。液面的波峰与波谷之差随着拉速的增加在窄面附近逐渐增大,随着吹氩流量的增加在水口附近逐渐增大。在水口出口角度15°条件下,水口和窄面附近的液位波动均较大,而在水口出口角度45°条件下,仅在水口附近存在较大的液位波动。研究结果表明,使用板坯连铸常规的15°浸入式水口,当铸坯宽度大于800 mm时,结晶器液面检测需要在水口和窄面附近同时布置液位检测设备,以便更全面反应结晶器的真实液面行为,使液面波动对轧板表面质量指导性增强,有效提高连铸工艺的控制水平。如使用45°浸入式水口可以继续沿用原有的液位检测布置。     

板坯连铸结晶器保护渣卷渣及其影响因素的研究

对板坯连铸结晶器保护渣卷渣进行的水力学模拟研究结果表明,主要有三种类型的卷渣,即窄边附近的剪切卷渣、浸入式水口附近的旋涡卷渣和水口吹入的氩气泡上浮冲击钢渣界面引起的卷渣.拉速增加、减少浸入式水口浸入深度、减小水口出口倾角和增加吹入的Ar流量均会加大表面流速和液面波动,增大结晶器内卷渣的倾向,而其中拉速增加对卷渣的影响最大.当结晶器宽度为1 900 mm、采用1.4 m/min的拉速时,选择向下25°的水口出口角度、250 mm的水口浸入深度和10 L/min的Ar流量可将板坯结晶器内流场的表面流速和液面波动控制在合理的范围内,从而减小和避免结晶器内卷渣.     

静磁场下气泡在板坯连铸结晶器内运动行为的物理模拟

以水银和氩气作为模拟介质,通过物理模拟研究了高拉速板坯连铸结晶器内电磁制动和水口吹氩耦合作用下的气泡运动和分布行为.采用电阻探针测量了结晶器内气泡的运动和分布情况,分析了磁场、吹氩量等不同工艺参数对气泡占空比、气泡数量和气泡脉冲宽度的影响规律.实验结果表明:在一定的拉速条件下,施加磁场改变了气泡在结晶器内的分布规律,有利于气泡的上浮,降低了气泡在结晶器内的冲击深度,减少了到达结晶器窄面的气泡数量;磁场的施加和吹氩量的增加都使得脉冲宽度较大的气泡数量增多,且主要集中在结晶器1/4宽度和水口之间区域.     

中间包上水口环形吹氩下气泡大小和迁移行为研究

摘要：通过水模型实验研究了上水口环形吹氩工艺下中间包和结晶器内气泡形貌,并结合数值模拟分析了透气砖位置、拉坯速度和吹氩量对中间包和结晶器内气泡尺寸、气泡迁移和中间包近液面钢液流动的影响。结果表明：上水口环形吹氩形成以塞棒为中心的圆台状气泡羽流,气泡浓度沿径向向外逐渐减少;附壁效应使得气泡羽流偏向塞棒壁面流动,增大气泡的碰撞聚并概率和近塞棒壁面的羽流上升速度,对中间包液面产生较大冲击作用;同时,部分细小气泡会随钢液进入水口及结晶器内部;增大吹氩量,中间包内环形气泡羽流中气泡数目明显增多,中间包近液面钢液上升速度增大;增大拉坯速度,环形气泡羽流的宽度和气泡数量逐渐减小,近液面速度减小;增大透气环距水口中心距离,中间包内气泡弥散度增大,环形气泡羽流宽度也随之增大,气泡羽流对中间包液面冲击作用减弱;增大吹氩量和拉坯速度、减小透气环距水口中心距离,进入结晶器的气量和气泡尺寸逐渐增大。实验条件下,透气环内外径为110mm/140mm、拉坯速度为1.2m/min时,吹氩量为4L/min较为合适。     

浸入式水口堵塞过程板坯结晶器内流动与液面波动的模拟

用水模型研究拉速为1.4 ~2.4 m/min的220 mm x 1 300 mm板坯连铸结晶器浸入式水口发生 堵塞和吹氧时,结晶器内的液面与流动行为。结果表明,水口发生堵塞时,水口两侧的流股不对称,气泡的平 均直径减小,气泡进入结晶器的深度增加,引发卷渣和气泡缺陷的机率将明显增加。     

不同断面及拉速对结晶器液面波动的影响

针对国内某钢厂1 450 mm×230 mm板坯连铸结晶器生产情况，利用相似原理，建立相似比为0.6的物理模型。采用墨水进行流场显示试验，观察钢液从水口进入结晶器的扩散过程，通过数据采集系统对结晶器液面波动情况进行检测，对所采集液面波动数据采用1/10大波波高进行分析，研究不同断面及拉速对结晶器液面波动的影响，并对不同断面结晶器下所对应的拉速做出优化。结果表明，结晶器两侧的流场轨迹基本对称分布；结晶器宽度和拉速的增加均会导致结晶器液面波动幅度增大，随着结晶器宽度的增加，窄面附近的液面波动波幅增加最小，结晶器水口附近液面波动波幅增加最大；当结晶器拉速增大时，液面波动的剧烈程度基本符合窄面附近处最大、SEN附近处次之、1/4宽面处最小的规律，但在结晶器宽度1 150 mm、拉速1.6 m/min条件下，水口处波动大于窄面附近。在结晶器宽度为1 150 mm、拉速为1.6 m/min,结晶器宽度为1 450 mm、拉速为1.4 m/min和结晶器宽度1 750 mm、拉速为1.2 m/min工况下结晶器液面波动比较合理。     

板坯结晶器水模型内气泡运动行为的数学模拟

建立了吹氩板坯结晶器水模型内气泡运动行为的数学模型.以水模型实验获得的整个结晶器内各气泡尺寸和数量浓度为气泡的初始条件,对不同尺寸气泡的运动行为进行数值模拟.结果表明:当水流量为2.54 m3/h,气流量为0.037m3/h,水口浸入深度为78 mm时,气泡都分布在上回流区,没有卷入下回流区.较大的气泡在水口附近上浮,较小的气泡在距离水口较远的区域上浮.这和实验结果相吻合.     

水口吹氩工艺板坯结晶器内气泡运动行为的物理模拟

以1300 mm × 230 mm板坯连铸结晶器的相似比0.4的物理模型,研究了拉速1.1 m/min、水口插入深度160 mm、水口吹气量0～15 L/min时连铸结晶器内气泡的运动行为,及其对钢液流股冲击深度、液面波动和液面裸露的影响。实验结果表明,随水口吹气量增加,结晶器内气泡的数量和尺寸都有所增加,气泡在钢液内水平方向扩散范围增大,且气泡最大穿透深度亦增加;当水口吹气量增大到5 L/min时,气泡逸出后在液面由全部向水口方向运动变为以集中逸出位置为中心的四散运动。     

宽板坯连铸结晶器内氩气分布的水模型

 针对塞棒、上水口吹氩时,吹入的氩气有多少进入到结晶器钢水内和氩气在结晶器断面上如何分布的问题,采用1：1水模型,重点研究了吹气量、吹气方式、拉速、浸入式水口倾角等工艺参数对不同宽度结晶器内气体分布状况的影响。结果表明,吹气量和吹气方式对结晶器内气体分布几乎没有影响,而拉速和水口倾角基本上就决定了宽度方向上的气体分布状况。小的结晶器断面宽度、小的水口倾角、高拉速时窄面附近含气比例更高,氩气泡更易被凝固坯壳所捕捉而使铸坯产生气泡缺陷。     

1 850 mm×230 mm板坯连铸结晶器流场与温度场数值模拟

为研究连铸工艺参数对结晶器内部钢液的作用规律,对涟钢1 850 mm×230 mm板坯连铸结晶器流场和温度场进行了系统的数值模拟,研究了不同吹氩量(0～7 L/min)、不同水口浸入深度(110～150 mm)和不同拉速(0.9～1.2 m/min)对结晶器内钢液行为的综合影响。结果表明,随着吹氩量增加,自由液面的钢液流速和温度总体呈现降低的趋势;随着水口浸入深度增加,自由液面的钢液流速先降低后增加;随着拉速增加,自由液面的钢液流速增加;水口浸入深度和拉速对温度场的影响较小。当吹氩量为5 L/min、水口浸入深度为130 mm、拉速为0.9 m/min时,结晶器自由液面具有较小的钢液流速和湍动能,同时液面具有较好的温度均匀性。通过数值模拟研究,为合理选择结晶器相关工艺参数提供了理论依据。     

板坯连铸结晶器内钢液表面流速的水模型研究

以承德钢铁厂板坯连铸结晶器为原型,采用1∶1的水模型进行试验,研究了拉速、浸入式水口出口角度、水口浸入深度、水口底面结构及结晶器断面宽度等工艺参数对板坯结晶器内表面流速的影响。结果表明:拉速对表面流速的影响最大,随着拉速的提高,结晶器内钢液表面流速明显增大,当断面宽度为1 650 mm,拉速由0.7 m/min提高到1.4 m/min,表面流速由0.04 m/s提高到0.1 m/s;波浪面结构的浸入式水口表面流速效果最优。     

连铸结晶器内钢/渣界面波动及卷渣行为的实验研究

连铸结晶器钢/渣界面时常发生卷渣现象,严重影响连铸坯质量.本文通过水模型实验研究了吹氩量、拉速、水口浸入深度对钢/渣界面波动及卷渣现象的影响.利用波高仪采集液面的波动数据,采用高速摄像机捕捉钢/渣界面卷渣时的瞬时图像,重现了剪切卷渣、漩涡卷渣、大气泡卷渣及抽吸卷渣现象.结果表明:随着吹氩量的增大,结晶器液面波动加剧,适当的吹氩量有利于抑制卷渣,本实验中0.8 L/min吹氩量下的卷渣频率最低;随着水口浸入深度的增加,液面波动程度和卷渣频率均呈降低趋势;随着拉速增大,水口附近的波动先减小后增大,窄边附近的波动逐渐增强,卷渣频率逐渐增大.     

CSP结晶器内钢液流动的水模型研究

采用1:1水力学模型对厚度60 mm薄板坯连铸水口浸入深度220～310 mm、出口角度-30°～-60°、拉速4.2～6.0 m/min条件下CSP结晶器内钢液流动行为进行模拟研究。在拉速4.2～5.0 m/min时双侧孔水口下CSP结晶器流场股流冲击深度达850～1010 mm;流场内存在三个滞区,液面波动不稳定;水口角度对结晶器窄面和水口附近波动影响很显著,拉速对结晶器和窄面中心处波动影响较大,浸入深度对水口附近波动影响较大。     

基于数值模拟的结晶器卷渣在线预测方法

 结晶器保护渣卷入到钢液中后容易被生长的凝固坯壳捕获,最终在冷轧板上形成由卷渣引起的表面缺陷,会严重恶化钢产品的质量。结晶器液面卷渣现象受到钢液成分、温度、流动方式和吹氩流量的影响。结晶器表面钢液流速大小是反映钢渣界面是否发生卷渣的重要参数,但在实际浇铸过程中,不能在线预测不同拉速、吹氩流量和水口浸入深度下结晶器表面钢液的最大速度。提出一种基于板坯连铸结晶器内多相流动数值模拟的结晶器卷渣在线预测方法。首先,建立结晶器内三维多相流动数学模型,模拟不同拉速、吹氩流量和水口浸入深度下的钢液流动行为;其次,对计算得到的表面钢液流速的最大值进行拟合,得到固定浇铸断面下结晶器表面最大流速的预测公式;最后,通过某钢厂的插钉板工业试验验证了所提方法的准确性。研究发现,不同浇铸参数下表面钢液流速沿结晶器宽度方向呈现先增加再减小的变化趋势,在结晶器宽度1/4位置具有最大值。钢液流速在较小和较大拉速下分别在窄面和水口附近具有较大值;在较小和较大吹氩流量下分别在水口和窄面附近具有较大值;随着水口浸入深度增加,钢液流速在水口和窄面附近变化较小。基于拟合的钢液流速公式,通过比较最大钢液流速与钢渣界面发生卷渣的临界流速,实现了结晶器卷渣的在线预报。     

220mm x 1600mm板坯连铸浸入式水口倾角优化的数值模拟和应用

使用数值模拟方法研究了拉速0.9m/min时,水口倾角-7°~-11°对220mm×1600mm板坯结晶器内坯壳厚度、坯壳温度和自由液面流动的影响。模拟和应用结果得出,以拉速0.8m/min,水口倾角-15°工艺下钢液流动为标准,通过对比计算结果与标准工艺曲线,确定在0.9m/min拉速时,水口倾角为-11°为最佳工艺方案。生产应用结果表明,采用优化工艺后结晶器窄面报警频率由原15次/月降至0次/月,铸坯表面质量也有一定改善。     

220 mm×1600 mm板坯连铸浸入式水口倾角优化的数值模拟和应用

使用数值模拟方法研究了拉速0.9m/min时,水口倾角-7°~-11°对220 mm×1600 mm板坯结晶器内坯壳厚度、坯壳温度和自由液面流动的影响。模拟和应用结果得出,以拉速0.8 m/min,水口倾角-15°工艺下钢液流动为标准,通过对比计算结果与标准工艺曲线,确定在0.9 m/min拉速时,水口倾角为-11°为最佳工艺方案。生产应用结果表明,采用优化工艺后结晶器窄面报警频率由原15次/月降至0次/月,铸坯表面质量也有一定改善。     

中薄板坯连铸结晶器钢/渣界面行为数值模拟

利用VOF（volume of fluid）方法和Lagrangian离散模型模拟了厚度为135mm中薄板坯连铸结晶器内的钢液流动及钢／渣界面波动行为,分析了结晶器宽度、水口浸入深度、水口侧孔倾角、拉速和吹氩对结晶器内钢液流动和液面波动的影响规律．结果表明：钢液从三孔浸入式水口流入结晶器后形成上、下三个回流区;吹氩使结晶器上回流区靠近水口附近形成二次涡流;在一定拉速下,增加水口侧孔倾角和浸入深度均能有效抑制钢／渣界面波动;增加拉速和在一定拉速下增加结晶器宽度均将加剧液面波动．     

IF钢板坯结晶器电磁搅拌数值模拟与工艺实践

针对高拉速IF钢铸坯夹杂与气泡缺陷封闭率偏高的问题，通过数值模拟研究了水口浸入深度和拉速对结晶器流场的影响，结果表明，在结晶器电磁搅拌电流为600 A、频率3.5 Hz工况下，随着拉速增高，自由液面活跃指数呈现先增大后减小再增大的趋势，在拉速1.05 m/min附近，最高达0.67，在1.6 m/min附近，最低达0.35，流场均匀性指数略有降低，最佳的自由液面活跃指数为0.5±0.05；当拉速低于1.0 m/min时，随着水口浸入深度的增加，自由液面活跃指数逐步增大至0.40，当拉速大于1.0 m/min时，随着水口浸入深度增加，自由液面活跃指数逐步降低，当拉速大于1.4 m/min时，随着水口浸入深度的增加，自由液面活跃指数大幅下降至0.37;IF钢结晶器电磁搅拌工艺优化后，铸坯夹杂与气泡缺陷封闭率均值下降4%，取得了显著的效果。