PIV技术在中间包和结晶器流场模拟中的应用

针对异断面浇注,即同一板坯双流中间包内浇铸时,各流拉速和断面不同,生产不同规格铸坯的问题,采用用粒子成像测速技术（Particle Image Velocimetry,PIV）研究了钢液在中间包、结晶器水模型中的流场行为。根据PIV流场测速结果表明：断面尺寸差为200 mm时,中间包两流浇铸区平均流动速度相差约5.83%、最大速度相差约1.22%,结晶器流场差异不大,可进行异断面浇铸;断面尺寸差为1 100 mm时,中间包两流浇铸区流场速度差异最大约为50%,两流结晶器射流区平均速度、钢液冲击深度、涡心高度差异较大,不利于两流浇铸一致性,不建议进行异断面浇铸。     

异形坯连铸结晶器内三维流场的数值模拟

根据湍流理论及异形坯连铸的特点, 建立了异形坯结晶器三维流场数学模型, 对不同条件下的流场进行了数值模拟, 分析了水口结构和工艺参数变化时异形坯结晶器内涡心深度的变化规律及液面湍动能的分布状态. 结果表明 采用上倾式水口, 水口夹角为120°, 拉速为0.9m/s时, 结晶器内流场分布较为合理, 液面较稳定. 模拟结果与水模实验结果吻合较好. 该模型可对连铸过程进行离线分析, 确定最佳参数, 并可作为在线控制模型的基础.     

水口结瘤对板坯连铸结晶器钢水行为影响的数值模拟

以230 mm×1 600 mm板坯连铸机结晶器为研究对象,采用CFD数值模拟的计算方法,建立了VOF模型,研究了连铸水口结瘤对钢渣界面波动与钢液流动行为的影响。研究结果表明,当水口无结瘤时,结晶器内流场为典型的双环流形貌。当水口有结瘤时,结晶器内水口两侧会出现严重的非对称流,结瘤侧流股范围小,非结瘤侧流股范围大。水口不结瘤一侧动能增大导致结晶器下涡心位置下降,会使钢液冲击深度增大;水口结瘤一侧水口因涡心位置较高,加剧了弯月面处的波动和钢渣表面的波动紊乱。结瘤情况下的钢液波动较大,最大波动差为4.03 mm;不结瘤情况下钢液波动较平稳,最大波动差为1.4 mm。     

连续铸造板坯结晶器中流动与液位波动模拟研究

采用SIMPLER迭代方法进行数值计算,针对连续铸造过程中的结晶器内部紊流流场和结晶器弯月面表面的液位波动情况,进行了三维数值模拟和水模拟试验验证,并使用表面动能法定量表征液面波动情况.通过对不同拉速、水口浸没深度和水口出流角度下的紊流流场及液位波动情况的模拟计算,分析各工艺参数对于连续铸造结晶器内部流场分部和表面波动幅度的影响,为合理地设计水口结构和选取合适的浇铸工艺参数提供了可靠的理论依据.     

2.05 m/min高拉速低碳钢FC控流结晶器的应用

板坯高速连铸因具有减少设备投资、增产增效和降低物料消耗的优势而受到越来越多的关注。为解决低碳钢浇铸周期与精炼周期的匹配问题和进一步提高生产效率,某钢厂开展了结晶器电磁制动参数优化的高速连铸工艺技术研究,施加磁场后,随着上线圈电流由模式A增加到模式C,结晶器表面的钢液流速由0.35 m/s减小至0.21 m/s,结晶器内上部流场流速减弱,在高拉速下可明显起到降低表面流速的作用,随着吹氩流量从12 L/min增加至20 L/min,钢液表面流速增加,随着水口浸入深度的增大,结晶器内的流场形态变化不明显,2.05 m/min拉速下夹杂物指数较1.8 m/min拉速夹杂物指数明显降低。     

基于大数据挖掘的连铸结晶器传热独立变化规律

针对连铸板坯表面纵裂纹,基于连铸生产过程参数,利用大数据挖掘方法,提出了一种获取现场不同参数对结晶器传热单独影响的新方法,即生产参数独立影响(IPI)法。IPI方法包含数据预处理、交叉相关程度计算、主要相关参数检验、数据筛选和独立影响分析等5个环节,以实现从交互相关的连铸参数中找到参数的主要相关参数,从而分析各连铸参数对结晶器传热的独立影响规律。结果表明,除拉速、过热度、板坯宽度、结晶器锥度、结晶器总水流量等常规影响因素外,结晶器振动频率、结晶器液位、水口插入深度、塞棒位置以及不同位置吹Ar流量等均对结晶器热流有不同程度的影响。塞棒吹Ar流量、塞棒位置和水口插入深度均对结晶器传热有正向促进作用,而水口吹Ar流量、结晶器振动频率、结晶器总水流量主要表现为负向抑制作用。另外,对于水口吹Ar流量和结晶器总水流量而言,存在结晶器热流最大的拐点值,分别为3.5 L/min和8250～8750 L/min。     

基于OpenFOAM的方坯连铸结晶器内多相流场数值模拟研究

针对方坯连铸结晶器内钢水流场数值模拟分析问题,利用开源软件OpenFOAM的灵活性和可扩展性,对其多相流求解器multiphaseInterFoam进行代码修改,以适应模拟计算要求。利用所开发的程序计算了方坯连铸结晶器内的钢水流场,探讨了对方坯连铸结晶器内多相流场进行数值模拟计算分析的可行性。计算结果表明:结晶器四水口流场复杂不对称,在保护渣上表面稳定的情况下仍有卷渣可能。     

大板坯连铸结晶器内熔体流动的DPIV物理模拟

采用DPIV技术(粒子图像测速技术)对大板坯连铸结晶器内熔体的流动进行了物理模拟。通过测试分析结晶器内流场,描述了结晶器内熔体流动的基本特征,研究了浸入式水口结构、浸入深度、拉坯速度对结晶器流场的影响。TECPLOT作为后处理软件进行速度向量、流线和各种等值云图的计算与分析,从而揭示金属液流动的规律,以便有目的地控制流动和水口工艺,改善连铸坯的组织性能。结果发现,0°水口与15°水口相比,流体在结晶器上部向上流动的趋势更加强烈,而冲击深度变浅;随着水口浸入深度的增加,液面流速降低,液面附近向上运动的回流范围变得越来越大,向下回流的涡心位置下移。试验表明:液面高度要控制在100～150mm;拉坯速度增加时,结晶器内的流速随之增大,自由表面变得更加不稳定,同时液流对窄面的冲击能量增强。     

电磁搅拌宽厚板结晶器内钢液流动和液面波动

为合理控制宽厚板结晶器内的钢液流动和液面波动,提高铸坯质量。通过数值模拟的方法研究了2 200 mm×250 mm连铸结晶器内的钢液流动和液面波动行为。考察了搅拌位置对流动和液面波动行为的影响规律。结果表明,电磁搅拌可增强上回流区域钢液流动,有利于均匀钢液成分和温度。电磁搅拌可使水口附近钢液的流速增加约0.04 m/s,增强了对水口附近钢液的搅拌。提高搅拌位置,搅拌产生的水平旋流增强了下返流流速,使熔池内下涡心位置上移。钢液的水平旋流使上返流发生偏转,减弱了上返流流速,降低了对液面的直接冲击,减小液面波动。适当提高电磁搅拌器位置有利于控制液面波动。电磁搅拌器中心位置Y=-0.1 m时,液面波动可由7.5 mm降低到3 mm以内,可减小液面卷渣,流场具有很好的对称性。     

多断面矩形坯钢液表面流速水模型研究

以某钢厂矩形坯连铸结晶器为原型,建立相似比为1︰1的水力学模型,研究拉速及浸入式水口的出口面积比、水口倾角、水口浸入深度等工艺参数对不同断面矩形坯结晶器内表面流速的影响。结果表明:应当综合分析水口结构参数以及工艺参数对结晶器内表面流速的影响,另外矩形坯断面尺寸也会对表面流速有一定影响。     

板坯连铸结晶器边部卷渣的水模型研究

以某钢厂板坯连铸结晶器为原型,采用1：1的水模型研究方法,系统地研究了不同连铸工艺和操作参数下,结晶器边部保护渣卷入同结晶器液面波动和表面流速之间的关系,结果得出临界卷渣液面波动值和临界卷渣表面流速值。     

同一水口浇两种断面板坯流场的数模研究

本文利用三维流场数值计算方法,研究用一种水口浇铸不同断面板坯时,结晶器内的钢水流动状态。计算结果表明,浇铸220×1000mm板坯的水口,完全可用来浇铸220×850mm的板坯;水口流出的钢水对结晶器窄边铜板的最大冲击速度,前者是0.059m/s,后者是0.01m/s。最大速度冲击点距液面深度,前者是248.4mm,后者是161.6mm。两种情况下,钢水在结晶器内的流动状态差别较大。     

连铸结晶器冷却水道设计思路

通过分析不同情况下冷却水流速、压力等各种因素对冷却过程所产生的影响，认为对结晶器冷却水道进行优化设计的关键在于准确掌握水道内冷却水流场，对于各种具体生产情况，可通过调整结晶器的外形结构及几何参数来控制冷却水流场，达到提高生产效率及铸坯质量的效果，进而提出了连铸结晶器冷却水道的总体设计思路。     

连铸坯拉速对结晶器卷渣现象的影响

高拉速连铸具有高效、低成本的特点,是未来连铸的发展方向。以常规板坯结晶器为研究对象,采用大涡模拟方法对结晶器内的卷渣现象深入分析。结果表明,在连铸坯拉速较低的情况下,结晶器流场较为稳定,钢液冲击速度较小,上返流速度较小,界面波动幅度不大。在高拉速的情况下,钢液冲击速度增加,渣金界面速度及卷渣数量明显提高。通过界面最大速度分析,建立了一个临界卷渣速度的计算准则,发现不同拉速情况下的临界卷渣速度是不一样的,造成这种现象的原因在于卷渣机理的不同。本模型对控制常规板坯高拉速连铸生产具有一定指导意义。     

连铸结晶器专家系统的研发与生产实践

结晶器专家系统是一个可使连铸铸机操作工和技术人员"钻到结晶器里"观察连铸过程的工具。其基本特点是在线可视化,它可以在浇铸过程中实时检测到热电偶温度、结晶器摩擦力、结晶器热流等关键生产参数的变化,给出其处于危险或临界状况的报警值,然后自动降低拉速或调整操作,及时消除隐患。为实现稳定、优化的连铸过程及生产操作创造了条件,对连铸产品的质量改进都有着重要意义。     

连铸结晶器内钢液涡流现象的水模型观察和数值模拟

利用水模型观察连铸结晶器内导致钢坯质量下降的涡流现象。提出蛇型结构结晶器水模型，撒入黑芝麻以显示结晶器内自由液面流谱。用可调曝光时间的照相机记录涡流图案。实验中观察到较为稳定的单个涡和偶尔出现的两个对称涡现象。在数值模拟中。将浸入式水口移离中心位置，从而可产生偏流和涡流。实验与模拟的结果表明：结晶器内三维偏流导致涡流的出现，涡流位于水口较低流速一侧，涡流强度取决于拉速和水口偏离中心的程度。     

ANALYSIS OF THREE DIMENSIONAL HEAT TRANSFER OF COOLING COPPER PLATE IN THIN-SLAB CONTINUOUS CASTING MOLD

本文建立了薄板坯连铸结晶器铜板的三维传热数学模型，特别是对结晶器铜板冷面的水槽和背板部分采用了交替配置不同的边界条件处理，利用Visual Fortran语言自编程序计算结晶器铜板温度场。发现结晶器铜板热面温度呈现云层分布，冷面呈现冰凌状分布。分析了各种工艺参数（拉速、铜板厚度、冷却水流速等）对结晶器铜板温度场的影响。典型位置上的计算结果与现场测量数据符合较好，为优化生产工艺参数和结晶器设计提供重要的理论依据和实际参考数据。     

板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动及流动行为的数值模拟

建立了板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动行为的三维数学模型,利用数值模拟方法研究了磁场与流场耦合作用下不同工艺参数和电磁参数对结晶器内钢/渣界面波动行为及流场的影响,通过VOF方法对不同条件下的钢/渣界面进行捕捉,讨论不同磁极位置、水口倾角、拉速及线圈电流强度对结晶器内钢/渣界面波动行为和流动的影响。模拟结果表明：电磁制动的施加可以显著降低钢/渣界面波高,减小射流对结晶器窄面的冲击。拉速和水口浸入深度恒定时,磁极位置和水口角度直接影响结晶器内流场形式：当[P＝]40 mm时,增加线圈电流可以降低结晶器内钢/渣界面波高和表面流速,从而减小由液面波动引发卷渣的概率;当磁极距离水口较远时[（P＝]80 mm）,随着线圈电流强度的增大,水口射流的冲击方向向上偏转,引起上回流的流动强度增强,导致钢/渣界面波高增加,增大卷渣发生的概率。     

基于多场耦合模型的连铸结晶器内钢液凝固行为分析

针对连铸结晶器内钢液的流动、传热、凝固耦合变化问题,应用连续介质力学和能量守恒理论,建立了板坯连铸结晶器内钢液流动、传热和凝固的三维非稳态数学模型。在此基础上,应用COMSOL软件进行数值模拟和分析。将耦合模型计算得到的凝固坯壳厚度与经验公式进行对比验证,总体符合较好。结果表明,结晶器内钢液流动的基本特征与单流场模型相比并没有发生变化。但是,钢液的上、下回流涡心到自由面的距离及流股冲击深度均有所减小。在靠近结晶器窄面的部分区域由于凝固坯壳的形成,不会出现钢液流动现象。由于凝固坯壳的存在,自由面钢液流速变大,自由面钢流波动更加剧烈。由于钢液的强制对流传热,结晶器内部钢液温度并不是由内到外逐渐降低的,而是出现了小幅度的波动。在结晶器出口处钢液温度较低,且分布不均匀,部分区域温度梯度较大。由于钢液的对流作用促进了钢液的热量传递,结晶器出口处窄面、宽面及角部凝固坯壳更厚。     

薄板坯连铸结晶器铜板的三维传热分析

建立了薄板坯连铸结晶器铜板的三维传热数学模型,特别是对结晶器铜板冷面的水槽和背板部分采用了交替配置不同的边界条件处理,利用Visual Fortran语言自编程序计算结晶器铜板温度场.通过对一典型薄板坯连铸结晶器铜板模拟分析,发现铜板热面温度呈现云层分布,冷面温度呈冰柱状分布.分析了各种工艺参数(拉速、铜板厚度、冷却水流速等)对结晶器铜板温度场的影响,典型位置上的计算结果与现场测量数据符合较好,为优化生产工艺参数和结晶器设计提供理论依据和实际参考数据.