板坯连铸结晶器内钢凝固过程热行为研究Ⅱ.模型验证与结果分析

基于建立的二维瞬态热/力耦合有限元模型,模拟计算了国内某钢厂实际板坯连铸工况下结晶器内某高强船板钢凝固过程的热行为,并利用现场实测温度数据验证了模型的可靠性.在此基础上重点研究分析了该钢在结晶器凝固过程角部区域气隙厚度、坯壳-铜板间的保护渣(包括液渣层和固渣层)分布及其热行为变化规律和对应区域的热流与表面温度变化特征,...     

板坯连铸结晶器内钢凝固过程热行为研究Ⅰ.数学模型

建立了伴随δ/γ相变的钢凝固过程两相区溶质微观偏析模型,以其所确立的钢凝固过程各相分数与温度之间的关系获得钢的高温物性参数,并根据连铸坯在结晶器内凝固收缩量与结晶器内表面的位移关系、保护渣的液/固状态及厚度分布、铸坯表面和铜板热面的温度分布以及气隙的动态变化等建立了描述坯壳-铜板界面热流的数学模型.在此基础上,运用率相...     

连铸结晶器内板坯传热凝固行为建模和模拟

对1510 mm×250 mm板坯在连铸结晶器内的传热行为进行了建模和计算,利用结晶器、保护渣和凝固坯壳之间不同传热层的热流密度相等的假定,通过热力耦合模型进行板坯和结晶器温度分布的计算。传热模拟结果与某钢厂连铸结晶器现场生产数据和热电偶测温数据进行对比,验证了该模型计算结果的可靠性。当浇注速度设定为1 m/min时,在结晶器出口位置,板坯宽面中心的凝固坯壳厚度达到了18.7 mm。提高连铸拉速,结晶器出口处的凝固坯壳厚度降低。此外,基于传热模型计算获得的板坯温度变化曲线,利用相场模型,模拟对比了不同碳含量的两种成分材料Fe-0.04C-1.36Mn和Fe-0.14C-1.36Mn在凝固过程中的组织演变情况。在相同的冷却条件下,Fe-0.04C-1.36Mn形成的凝固坯壳更致密,树枝晶间未转变的液相体积分数低。可以认为Fe-0.04C-1.36Mn形成的凝固坯壳质量更好,更容易避免在结晶器中产生漏钢以及表面裂纹。     

连铸板坯结晶器内凝固坯壳裂纹敏感性研究

基于钢凝固两相区溶质微观偏析模型和连铸结晶器内坯壳凝固生长二维瞬态热/力耦合有限元模型,提出了定量化描述结晶器内坯壳凝固生长的裂纹敏感性预测模型---CSC(Cracking Susceptibility Coefficient)模型。通过分析结晶器内包晶钢坯壳凝固宏观热/力学行为和坯壳裂纹敏感系数分布,探究了板坯结晶器内包晶钢坯壳凝固生长过程中裂纹敏感性的变化规律。结果表明,典型包晶钢板坯连铸工况下,坯壳偏离角区域易产生"热点",引发坯壳凝固前沿脆性温度区宽度扩大,结晶器窄面线性单锥度极易破坏坯壳应力分布的均匀性;包晶钢板坯表面裂纹和皮下裂纹主要产生于坯壳凝固初期,坯壳角部皮下裂纹则在结晶器内大部分区域均可能产生。     

连铸板坯角部结疤缺陷的研究与实践

对宝钢梅山炼钢厂连铸板坯角部结疤缺陷形成过程与机理进行了研究。通过对板坯结疤的宏观形貌分析和形成全过程的现场跟踪观察，初步判断板坯角部结疤缺陷产生于结晶器内弯月面位置。其原因在于弯月面初生坯壳的破裂、溢流、冷凝过程造成了坯壳角部凝固沟溢流。据此，提出了相应的工艺改进措施，即减少保护渣的烧结性，严格控制结晶器振动偏差，做好结晶器均匀冷却的控制，从而保证结晶器铜板质量及与结晶器内初生坯壳受力相关的设备功能的精度，避免板坯角部结疤缺陷的产生。     

方坯连铸机结晶器凝固传热的模型研究

开发了方坯连铸机结晶器内非稳态凝固传热的计算软件，能够预测结晶器内的温度分布和坯壳厚度。模型考虑了凝固时横、纵向以及角部气隙的存在所造成的传热不均匀。同时，采用等效比热法处理了凝固前沿产生的结晶潜热。并以生产厂方坯为研究对象，得出了结晶器温度分布规律、凝固坯壳生成规律，分析了拉速对铸坯温度和坯壳厚度的影响。结果表明，经模型计算得出的铸坯温度和结晶器出口处坯壳厚度值与现场测定的温度和拉漏数据基本相符。     

不同倒角结晶器内特厚板坯的凝固收缩行为

为研究结晶器窄面铜板不同倒角条件下特厚板坯在结晶器内的凝固收缩行为,采用ABAQUS软件建立了二维瞬态热力耦合有限元模型,通过编制用户子程序模拟计算了铸坯在结晶器内的温度和应力分布情况。模型较全面地考虑了保护渣和气隙对传热的影响。数值模拟结果表明：结晶器窄面铜板倒角过大或过小,都不利于铸坯温度的均匀分布;对断面厚度为420mm的铸坯,倒半径为24mm圆角时,铸坯表面温度分布最均匀,最大平面主应力分布较合理,角部出现横裂纹的可能性会极大降低。     

特厚板坯结晶器截面尺寸对其流场和温度场的影响

建立了特厚板坯结晶器三维流动、传热和凝固耦合数学模型。根据不同规格板坯实际工况,对比分析了特厚板坯结晶器宽度和厚度变化对结晶器内流场和温度场的影响。结果表明,结晶器宽度增加时,流股冲击深度增大、冲击强度减小。特厚板坯连铸过程中液面流速较常规板坯偏低,流速随宽度增大而减小,水口附近存在低流速区,不利于保护渣的熔化。宽度增加时坯壳的厚度趋于均匀,中心流股对坯壳的冲刷强度是影响坯壳均匀性的主要原因。结晶器厚度增加时,流股冲击深度基本一致,冲击速度下降,液面流速亦随之减小。厚度增加时坯壳不均匀性呈增大趋势,温度场均匀性是影响坯壳均匀性的主要原因。     

结晶器磨损对连铸小方坯鼓肚变形及内裂纹形成的影响

应用连铸坯凝固传热与应力分析耦合数学模型,定量地描述了坯壳与结晶器壁间气隙的大小和分布,着重研究了器磨损对坯壳鼓肚变形和内裂纹形成的影响。结果表明：气隙首先形成于坯壳的角部区域,并且以顶角处的气隙厚度最大,逐渐向中心区扩展;当结晶器磨损严重时,坯壳偏角区成为热节区,在热节区内坯壳厚度最薄,同时在结晶器下半部产生鼓肚变形,这种变形起始于坯壳最薄弱的偏角热节约。在热节区附近的铸坯对角线凝固前沿前生的力学应变达到临界应变,使铸坯产生内裂纹。研究结果验证了严重的结晶器磨损是连铸坯产生鼓肚变形、偏角区内裂纹乃至漏钢事故的重要原因之一,也说明了铸坯偏角区内裂纹是起源于对角线的凝固前沿并向温度相对较高的两个薄弱环节－表层热节区和凝固前沿方向扩展。     

连铸结晶器内坯壳安全凝固的研究

为了避免连铸结晶器内坯壳凝固厚度不足,易出现断裂拉漏的危险,需要对结晶器出口处坯壳安全厚度进行研究。通过建立凝固数学模型,对热流密度边界条件进行设计,模拟结晶器内钢液的液相分数,推导结晶器出口处坯壳厚度。采用经验安全厚度与模拟坯壳厚度对比,验证边界热流密度的准确性。进行Gleeble热/力高温力学试验,分析连铸坯材料高温屈服极限及高温弹性极限,应用高温屈服极限界定坯壳出结晶器时安全温度范围,应用高温弹性极限及安全温度范围对坯壳出结晶器时经验安全厚度进行修正。     

保护渣碱度对薄板坯结晶器平均热流量的影响

在钢的连铸过程中,钢水在结晶器内的凝固对铸坯的产量和质量均有很大影响,几乎所有的铸坯表面缺陷均形成于结晶器内。近年来,随着连铸拉速的增加及对铸坯表面质量要求的提高,有关结晶器冷却、传热对钢水的初始凝固及表面纵裂纹影响的研究成为连铸科学研究的重点。结晶器壁热流不均是纵裂纹产生的有利环境,保护渣控制传热为常用的措施。薄板坯浇铸时由于拉速高,为获得表面无缺陷铸坯,对保护渣控制传热的要求更高,同时也需协调保护渣的润滑功能。通过生产试验,研究比较3种碱度保护渣（CaO/SiO2分别为1.06、1.26和1.48）对薄板坯结晶器平均热流量的影响,发现与低碱度保护渣相比,使用高碱度保护渣时,结晶器热流量最低,有利于实现弱冷却,形成均匀凝固坯壳,在一定拉速条件下浇铸裂纹敏感钢种时有助于获得良好表面质量的铸坯。     

板坯连铸结晶器内钢液过热消除过程的数值模拟

利用数值模拟方法研究了连铸结晶器内钢液的三维温度分布和传热,分析了水口浸入深度、水口侧孔倾角、结晶器宽度、拉速、钢液过热度、吹Ar、电磁制动及吹Ar量和电流强度等对结晶器内过热钢液的温度分布和传热的影响.结果表明,凝固坯壳前沿的最大热量传入处出现在结晶器窄面的钢液冲击点附近,钢液的大部分过热耗散发生在这一区域附近;过热钢液传递到凝固坯壳表面的热流量与拉速和过热度的增加成正比;吹Ar导致结晶器窄面冲击区域和宽面上部区域的热流密度增加;电磁制动有利于提高结晶器上部区域的温度,但对热流密度分布没有明显影响;吹Ar和电磁制动的双重作用使结晶器上部区域的宽面热流密度提高,冲击区域的热流密度分布没有明显变化.     

A coupled model on fluid flow,heat transfer and solidification in continuous casting mold

Fluid flow, heat transfer and solidification of steel in the mold are so complex but crucial, determining the surface quality of the continuous casting slab. In the current study, a 2D numerical model was established by Fluent software to simulate the fluid flow, heat transfer and solidification of the steel in the mold. The VOF model and k-ε model were applied to simulate the flow field of the three phases(steel, slag and air), and solidification model was used to simulate the solidification process. The phenomena at the meniscus were also explored through interfacial tension between the liquid steel and slag as well as the mold oscillation. The model included a 20 mm thick mold to clarify the heat transfer and the temperature distribution of the mold. The simulation results show that the liquid steel flows as upper backflow and lower backflow in the mold, and that a small circulation forms at the meniscus. The liquid slag flows away from the corner at the meniscus or infiltrates into the gap between the mold and the shell with the mold oscillating at the negative strip stage or at the positive strip stage. The simulated pitch and the depth of oscillation marks approximate to the theoretical pitch and measured depth on the slab.     

薄板坯连铸结晶器内钢液凝固行为的研究

针对薄板坯连铸漏斗型结晶器内凝固过程,采用热弹塑性有限元法,考虑铸坯与铜板的接触状态,建立了热力耦合模型。模拟分析了铸坯经过结晶器过程中坯壳内的温度场和应力场,得到了凝固坯壳形成过程的传热和变形规律。模拟结果表明：铸坯角部温度高于宽面和窄面中心温度并出现两个平台期;两个弧线段交界区域出现应力峰值,是铸坯裂纹敏感区。该结果为漏斗型结晶器形状的设计、结晶器锥度的优化以及提高连铸坯质量提供理论依据和技术基础。     

Analysis of the non-uniform thermal behavior in slab continuous casting mold based on the inverse finite-element model

A full finite-element model of a mold, including four copper plates, nickel layer and water slots of different depths, was developed to reveal the complex thermal behavior of molds in slab continuous casting. An inverse algorithm was applied to calculate the heat flux and combined with the temperatures measured using thermocouples that were buried in different positions of the mold. The temperature distributions of the four copper plates are not symmetric, reflecting the non-uniform nature of heat transfer and the necessity of building a full model. The maximum hot surface temperature of the mold occurs in the region 70–100 mm below the meniscus. At heights 100 mm below the meniscus, the average temperature of the deep water slot root is higher than that of the shallow water slot by approximately 10 °C. In the off-corner regions, the hot surface temperature differences between the narrow face and wide face near the corners are approximately 20–30 °C 100 mm below the meniscus. It will provide a helpful tool for further improving the casting parameters and operations.     

厚板坯角部凹陷裂纹的控制措施

角部凹陷裂纹是厚板坯连铸生产中常见的质量缺陷,随着板坯厚度的增加,角部凹陷裂纹发生率不断提高,已成为制约厚板坯质量提升和品种开发的重要因素。针对260 mm×2 800 mm、320 mm×2 800 mm断面板坯,研究了角部凹陷裂纹出现的位置、形貌及组织,分析了铸坯角部在结晶器内的凝固收缩行为的影响因素,获得了厚板坯角部凹陷裂纹控制方法。通过研发曲面窄面铜板结晶器,适应坯壳在结晶器中的收缩;增加窄边足辊对数延长二冷区冷却时间;提高保护渣黏度以增加结晶温度和传热性能;调整结晶器振动参数等控制措施,有效解决了厚板坯角部凹陷裂纹的难题,260 mm×2 800 mm与320 mm×2 800 mm角部凹陷裂纹的发生率分别降低至0.41%和0.86%,为板坯热装热送创造了有利条件。     

EVOLVEMENT MECHANISM OF SURFACE OSCILLA- TION MARKS ON ROUND BILLET DURING SOFT–CONTACT ELECTROMAGNETIC CONTINUOUS CASTING

在实验室立式连铸机上对碳素结构钢Q235B进行了电磁软接触连铸实验,测量了结晶器内磁场分布和Sn--Pb--Bi合金熔体弯月面形状. 结果表明,采用电磁软接触连铸技术, 可以显著改善铸坯表面质量; 当电源功率达到最佳值时, 振痕完全受到抑制, 铸坯表面光洁; 但当电源功率过大时,铸坯表面出现波浪形振痕. 分析认为, 铸坯表面质量得到改善是高频电磁场的Lorentz力效应和Joule热效应共同作用的结果;当电源功率过大时, 分瓣结晶器 内的磁场分布不均匀,沿结晶器周向呈波浪形分布, 加之钢水液面波动也更加剧烈,因此在铸坯表面产生波浪形振痕.     

超高速连铸结晶器内坯壳的传热行为

超高速连铸漏斗结晶器内坯壳的生长速率对铸坯表面质量有着显著的影响。基于节点温度继承算法(NTI),运用ANSYS有限元软件建立了结晶器内钢水凝固的三维瞬态导热模型,解析了浇注温度和拉速对薄板坯传热行为的影响。研究表明,随着拉速从4.0提高到6.0 m/min,结晶器出口坯壳最大厚度由26减小到12.8 mm,结晶器出口坯壳表面最高温度从1 209增加到1 305 ℃。而浇注温度从1 550 ℃提高到1 560 ℃对坯壳的表面温度和厚度影响不大。     

EFFECT OF SEN DESIGN ON SURFACE FLUCTUATION AND SOLIDIFYING SHELL IN SLAB MOLD AND ITS OPTIMIZATION

Turbulent flow and heat transfer coupled with solidification in slab continuous casting mold was studied by numerical simulation method. Volume of fluid （VOF） model is used to solve steel-air two-phase flow problem and enthalpy-porosity scheme is introduced to solve the fluid flow problem involving solidification. Contributions of various nozzle port angles and port widths and heights on the free surface fluctuation and the thickness of solidifying shell in slab mold were particularly investigated, based on which the structure of submerged entry nozzle was optimized. Flow inside the common nozzle port cannot fill the entire outlet area, having a recirculation in the upper portion of the port, which is enlarged for the nozzle port with both larger height and width. Results show that the flow in mold cavity is mainly controlled by the nozzle port angle. The increase of the angle of upper face of the port to shape a roughly streamlined inner-wall improves the effective area fraction of the nozzle, resulting in less jet impingement, weaker free surface turbulence and thicker solidifying steel shell.     

宽断面板坯结晶器内钢水流动、传热和凝固过程的数值模拟

建立了求解宽断面板坯结晶器内的钢液流动、传热和凝固数学模型,研究了不同浸入式水口结构、铸坯宽度、铸坯厚度和拉速等工况条件下,宽断面板坯结晶器内的流动、传热和凝固行为。结果表明：随着铸坯的宽度从1 800 mm增加2 200 mm时,从浸入式水口侧孔出来的射流在结晶器下部的影响范围更广;宽断面结晶器中的浸入式水口结构对不同铸坯断面和拉速下的流动和凝固行为产生较大的影响;在生产中需根据宽断面结晶器的流动及传热特点进行水口结构及工艺参数的优化。