基于CFX的双辊铸轧304不锈钢流场和温度场数值模拟

建立了包括铸辊在内的三维整体模型,计算了熔池与铸辊的流场和温度场.流场模拟结果表明熔池内形成了大面积的环形流动区,有利于温度及池内钢液的均化.温度场模拟结果表明熔池内漩涡区由于回流作用温度比周围要低30 ～50℃.经试验验证,模拟结果与实际生产情况相吻合,证明了所建模型的有效性.分析了铸轧速度对熔池内流场和温度场的影响,并根据凝固终点的位置给出较合理的铸轧速度为0.5 m/s左右.     

双辊薄带铸轧熔池流动规律分析与试验

  依据相似性原理采用1[∶]1比例搭建双辊薄带铸轧水模型试验平台,研究了不同铸速对铸轧熔池流动规律的影响,并建立低雷诺数的湍流数学模型,对熔池内流场和温度场分布规律进行分析。研究结果表明,由于液体的黏性力和轧辊的挤压作用,在熔池芯部区域会产生回流现象。芯部回流可在一定程度上搅动熔池并促使芯部温度降低,有利于促使温度场和溶质场均匀稳定。研究还表明,随着铸轧速度的增加,回流区位置下移且回流区面积增大,回流作用增强。但过大的铸轧速度反而会使液面波动加剧、Kiss点位置过低等问题产生,从而影响产品质量。     

Ti2AlNb合金锭真空自耗过程宏观偏析的数值模拟

Ti₂AlNb合金锭的真空电弧重熔(VAR)是一种超高温且不透明冶金过程,很难对这一过程中的熔体流动行为和宏观偏析的形成过程进行试验研究。发展了基于欧拉多相流的电磁场、温度场、流场、溶质场的多场强耦合数学模型,研究了真空自耗过程中的多物理场相互作用机制,对Ti₂AlNb合金锭中成分偏析形成过程及分布规律进行了预测。模拟结果表明,电磁力主要分布于熔池表面,自感电磁力推动金属液由中心向下流动而加深熔池;搅拌电磁力的离心效应则大幅提升熔池的温度场均匀度,促使熔池内金属液中的溶质混合均匀。尽管铸锭外围和中心分别形成了大范围的正、负偏析区,但区域内的成分较为均匀。在搅拌和沉降的作用下,金属熔池中的等轴晶极大地缩短了铸锭中的柱状晶区。该模型的模拟结果在熔池深度与宏观偏析分布方面与试验结果吻合良好,可进一步应用于预测和研究工业级大型铸锭中的成分偏析。     

双辊薄带钢铸轧过程的流场温度场耦合数值模拟

采用有限元法模拟了双辊铸轧不锈钢过程的流热耦合问题;分析了铸轧速度对熔池内流场,、温度场的影响以及流民温度场与温度场之间的相互影响,给出了凝固过程中熔池与铸轧辊之间的热流密度变化趋势及随铸连的变化规律,并把此模拟的结果与试验的结果相比较,吻合较好;通过熔池内温度场及温度梯度分析了熔池内凝固的发展及其对热流密度变化的影响。此     

大型富氧底吹铜熔炼炉气-锍-渣多相流模拟及澄清区优化研究

铜富氧底吹熔炼作为先进的铜冶炼技术被广泛应用,针对国内单体最大铜底吹熔炼炉存在的熔炼效率低、渣含铜过高的问题,进行了底吹炉内气-锍-渣多相流场的三维数值模拟研究。以改善熔池搅拌、降低渣含铜为目标,对氧枪数量、熔池深度进行了优化。结果表明,改变靠近排渣端氧枪数量对延长澄清区长度、降低渣含铜具有显著的积极影响。关闭2支氧枪后,渣-锍澄清区相较于原工况延长了27.425%(0.925m),关闭4支氧枪后,渣-锍澄清区延长了50.165%(1.695m)。根据熔池搅拌区气含率和搅拌均匀性,得出熔池较优的深度范围为1.5～1.7m。     

新型金属镁还原炉热过程的数值模拟

受高温真空加热工艺的制约,传统金属镁还原炉内的流动和温度分布极不均匀,排烟温度很高,炉子热效率低.本文模拟计算了新设计开发的蓄热式金属镁还原炉的热过程.通过对炉内流场和温度场的数值模拟,证明该新型还原炉在流场组织、温度场均匀性以及强化金属镁的还原过程等方面具有明显的优势.     

异型坯连铸双浸入式水口浇铸技术模拟研究及工业实践

通过数学物理模拟以及工业应用实践,研究了异型坯结晶器内单、双浸入式水口浇铸时流场特征及实际冶金效果,优化了双浸入式水口的设计参数。模拟研究结果表明,双浸入式水口浇铸有利于异型坯结晶器内流场的均匀性和对称性,避免了单水口浇铸时局部区域流体流动强烈现象,改善结晶器液面的稳定性和波动均匀性;双浸入式水口最优设计参数为底孔直径23 mm、腹向侧孔直径14 mm、翼向侧孔直径10 mm、侧孔倾角6°。工业实践表明,异型坯连铸双浸入式水口浇铸技术使结晶器内流场分布更合理,液渣层分布更均匀,结晶器粘结漏钢发生率下降32.8%,废品率降低20%,平均连浇炉数增加近3倍,提高了连铸生产效率。     

大型轧钢加热炉炉膛压力分布的模拟分析

文章以某公司大型轧钢加热炉为研究对象,利用Fluent软件就不同型式的炉底隔墙,在正常生产条件下,对加热炉炉内的流场、温度场及压力场进行了数值模拟。依据模拟计算数据,就炉底隔墙的结构型式对炉内流场、压力场及温度场分布的影响进行了进一步分析。结果表明,预热段炉底隔墙的型式对炉内温度分布产生重大影响,因此模拟结果对大型加热炉的炉内压力分布的改进和调整以及炉内温度场均匀性的改善具有重要的指导意义。     

亚包晶钢板坯纵裂成因与浸入式水口改型

针对某厂连铸机浇注亚包晶钢板坯表面纵裂纹发生率较高的问题,分析了双侧孔浸入式水口对裂纹形成的影响。在此基础上对浸入式水口结构进行优化,开发了新型浸入式水口。通过模拟研究和生产应用分析,对比了双侧孔浸入式水口与新型浸入式水口结构的差异以及两者对结晶器内流场和温度场的影响。结果表明,采用双侧孔水口浇注时,结晶器钢液流场和温度场分布不合理,导致结晶器内液渣层厚度不均匀,尤其是水口与结晶器壁之间位置液渣层厚度偏薄,从而诱发了板坯表面纵裂纹缺陷的大量发生,纵裂纹集中在板坯宽面中心400 mm范围,裂纹长度50～1 200 mm,深度2～12 mm;采用新型浸入式水口更有利于水口与结晶器壁间钢液流动,增加水口出入口钢液束流能力,使结晶器内钢液流场对称、温度场分布均匀、液渣层厚度均匀增加,亚包晶钢板坯表面纵裂纹改善显著,表面纵裂纹发生率由10.9%降低至1.5%。     

电渣重熔工艺中渣金两相的流动、传热及凝固

本文利用计算流体力学方法对电渣重熔过程中的渣相和金属相流动、传热以及相变进行了耦合数值模拟计算.通过分析结果,得到了电渣重熔过程中的温度场分布、流场分布以及其中的凝固情况.并在此基础之上,通过改变熔速来查看其对电渣重熔结果的影响,发现金属熔速增大,会使金属熔池内的温度普遍提升,金属熔池液变得更深更宽.     

Flow and Heat Transfer Performance of Slag and Matte in the Settler of a Copper Flash Smelting Furnace

Simulation of two‐phase flow in a copper flash smelting settler with simultaneous tapping of slag and matte is carried out using Eulerian‐Eulerian two‐fluid model and the flow and heat transfer performance of slag and matte is examined. Detailed velocity vectors, temperature and volume fraction distributions are obtained. The results show that the small copper droplets will be suspended in the slag. When the droplet diameter is large enough, the slag and matte layer are clearly formed and the dispersion layer between the slag and matte layers becomes thinner at larger droplet sizes and its thickness remains nearly unchanged when the copper droplet diameter is larger than about 500 μm.     

前混合磨料水射流除鳞喷嘴混合腔内部流场

基于计算流体动力学多相流混合物模型,应用FLUENT软件对前混合磨料水射流除鳞喷嘴高压水与磨料混合腔内部流场进行数值模拟.比较了不同进料方式对流场均匀性的影响.分析了两侧为高压水入口条件下,磨料入口直径、高压水入口直径、高压水入口位置和角度以及收缩段锥角对流场混合均匀性的影响,得到了影响混合腔内部流场混合均匀性的合理结构参数.数值计算结果表明：入口速度一定的条件下,磨料中进式喷嘴混合腔的混合均匀性优于磨料侧进式喷嘴混合腔.随磨料入口和高压水入口直径增加,混合腔出口的射流速度均增加,但随高压水入口直径增加导致出口磨料浓度呈先增后减的趋势,磨料入口与高压水入口合理的质量流量比值约为3∶4,两侧高压水入口位置对流场混合均匀性影响较小,高压水入口角度和收缩段锥角均为30°时流场性能更佳.     

高炉水冷风口流场和温度场数值模拟

 高炉风口合理的流场和温度场对延长风口寿命非常重要。利用计算流体力学(CFD)对高炉风口冷却水的流场和温度场进行数值模拟,得到其流场和温度场的分布规律,为有效延长风口寿命提供理论基础。模拟结果表明,进水口水压一定时,风口出水口侧前端边缘温度最高;进水口水压低于0.4MPa时,提高水压,进水口速度增加,风口前端最高温度下降明显;进水口水压高于0.4MPa时,温度下降趋于平缓。因此,设定进水口水压为0.4MPa左右时,风口最高温度较低,冷却效果明显。     

Physical and Numerical Simulation of Fluid Flow and Solidification at the Twin‐Roll Strip Casting Process

The fluid flow in a twin‐roll strip caster is investigated by physical and numerical simulation on a 1:1‐scale water model. A laser‐optical measurement technique (Laser Doppler Anemometry ‐ LDA) is used to validate the numerical results for the water flow. The numerical simulations are then transferred to the melt flow in the strip caster. The investigations are focused on different SEN concepts (submerged entry nozzle), a single‐nozzle system with two outlet ports and a double‐nozzle system with one outlet port each. The Influence of these concepts on the velocity, turbulence, and temperature distribution inside the liquid pool between the casting rolls and on the solidification and growth of the strip shells are investigated by numerical simulations (Computational Fluid Dynamics ‐ CFD). The non‐isothermal melt flow is calculated considering the solidification enthalpy as well as the behaviour of the solidifying melt. In addition to the numerical simulations of the melt flow inside the pool the temperature distribution in the cast strip is simulated. The SEN concept directly correlates with the temperature distribution Inside the strip. Furthermore, the surface temperature of the strip below the outlet of the roll gap is measured using a line‐scanner and is compared with the CFD simulation. In order to simulate the shape of the free surface in the liquid pool, CFD simulations of the water flow in the physical model are carried out using a Volume of Fluid model (VoF). This two‐phase model is able to reproduce free surface waves.     

Transport phenomena in electric smelting of nickel matte: Part II. Mathematical modeling

A three-dimensional mathematical model was developed to simulate the distributions of electrical potential, heat release, temperature, and velocity in the slag and matte in a six-in-line 36 MVA capacity furnace for smelting nickel calcine. From Part I of this series, it was found that there was a substantial electrical potential drop at the electrode surface, likely due to arcing through evolved carbon monoxide. The incorporation of this phenomenon into the model permitted accurate calculation of the current, power, and temperature distributions in the slag and matte. The slag was found to be thermally homogenized due to the evolved gas, and to a lesser extent by natural convection. In contrast, the matte was thermally stratified; this finding was attributed to poor momentum transfer across the slag/matte interface. Ninety percent of the electrical energy was used in smelting reactions in the calcine; to simulate the heat transfer from the slag to the calcine, a heat transfer coefficient was deduced from plant data. The implications of these findings for stable furnace operation are discussed.     

Entrainment behavior of copper and copper matte in copper smelting operations

In copper smelting, the loss of copper to the slag due to entrainment is largely influenced by the flotation of copper metal and/or matte in the slag phase. To evaluate this behavior, the surface tension of copper as a function of temperature and oxygen pressure and the interfacial tension of the copper-iron matte-slag system as a function of matte grade were measured. From the surface and interfacial tension values, the spreading and flotation coefficients of the copper, matte, and slag system were calculated. Ternary interfacial energy diagrams were also con-structed using these data. It is shown that matte droplets containing higher than 32 mass pct Cu will not form a film on rising gas bubbles when they collide in the slag phase. However, matte droplets will attach to gas bubbles upon collision and thus can be floated over the entire range of matte composition. Spreading of copper on bubbles is not possible at oxygen pressures between 10⁻¹² and 10⁻⁸ atm. Flotation of copper by gas bubble in slag is possible at oxygen pressure higher than 10⁻⁹ atm. However, it is feasible for rising matte droplets (attached to rising bubble) to trap and float copper irrespective of the matte grade.     

双挡坝中间包内钢液的流动行为

通过采用水模拟和数值模拟分别对中间包不同结构进行全因素试验,研究了双挡坝结构对钢液流动行为的影响,着重探讨了不同类型的双挡坝中间包内钢液的流动状态和速度分布。结果表明:低坝应设置在高坝后,顶端钢液流速将减小29%,降低浇注末期发生卷渣的概率;低坝应与高坝流钢孔同高,钢液的平均停留时间可达到最大稳定值;高低坝距离差为40~160mm时,流体流动状态较稳定,低坝后无漩涡产生。分析认为:中间包入口区和出口附近均为强湍流状态,其他区域均为过渡流状态,入口区利于夹杂物的碰撞长大,应至少保证该区域长度大于中间包长度的1/4,出口区强湍流易产生大夹杂物导致水口堵塞,应控制在出水口附近0.25m的区域内。     

TC4钛合金表面激光熔覆CoCrNi基合金涂层的温度场模拟

利用COMSOL对TC4表面激光熔覆制备CoCrNiMox及CoCrNi(WC)x高熵合金涂层的熔化与凝固过程的温度场进行模拟,建立了三维多物理场并存的瞬态模型,同时考虑了传热、流体传热、对流以及表面熔覆层生长过程,分析对比了扫描速度、激光功率等参数对添加不同含量Mo及WC的CoCrNi基合金温度场的影响。通过模拟结果可以得知,激光熔覆过程中熔池的主要驱动力为马兰戈尼力,提高Mo含量时会使涂层温度场的最大值降低,但同时速度场和压力场的最大值会上升。此外,使用CoCrNiMo2作为涂层粉末相比于熔覆CoCrNi(WC)2,会在温度场、速度场和压力场均观察到较低的数值;激光功率逐渐升高,激光熔覆产生的熔池的中心温度也随之升高,且熔池的宽度、深度也将有所升高;扫描速度逐渐升高时,熔池中心最高温度显著降低,熔覆层起始位置明显推迟,熔覆层厚度明显减少,熔池的几何尺寸变小且熔池底部形貌对称性变差。     

旋风风冷冷渣器的结构优化研究

采用Fluent软件,以CFD方法对旋风风冷冷渣器主冷却段内部气固两相流动在不同的实验参数下进行数值模拟,进而得到最优的圆筒长度、圆筒直径以及入口风速,从而提高了冷渣器的性能和冷却效果。     

PS转炉吹炼造渣期冷量及其影响因素的研究

基于物料守恒、能量守恒和反应动力学原理,建立了PS转炉铜锍吹炼造渣期冷量的动态计算模型。研究了造渣过程中各组分质量和能量分项的变化规律,利用正交试验法和方差分析法分析了主要生产因素对冷量大小的影响。研究表明,富氧率、冰铜品位、鼓风速度对造渣期冷量生成有显著的影响,其中冰铜品位影响最大,富氧率影响最小。研究结果对优化冷料添加进而实现节能降耗具有指导意义。