薄板坯连铸用平头浸入式水口的研究开发

通过研究薄板坯连铸机大通钢量条件下结晶器内钢水的流动特性,分析了浸入式水口出口射流对熔池温度分布、结晶器内液面波动等的影响。唐钢研发的一种薄板坯连铸机用平头浸入式水口,优化了浸入式水口钢液出钢孔端面的形状结构和在结晶器内的浸入深度,使高温钢水覆盖了整个结晶器表面,有利于保护渣的融化,解决了薄板坯连铸机拉速提高对结晶器流场、铸坯质量等方面的影响。     

宽规格板坯连铸结晶器浸入式水口的数值模拟

利用Fluent计算软件建立三维数学模型对马钢板坯连铸结晶器内钢液的流场和温度场进行数值模拟研究,并进行正交试验,分析了水口浸入深度(150～190 mm) 、水口侧孔倾角(-10°～-16°) 、水口侧孔与中孔的截面积比值(2,2～3.2)对拉速0.9 m/s,230 mm×1800 mm结晶器内钢液流动的影响。研究结果表明,水口浸入深度和倾角对结晶器液面波动F数和凝固坯壳厚度的影响较为显著。对于浇铸断面230 mm×1800 mm的结晶器浸入式水口的最佳工艺参数为:浸入深度170 mm、水口侧孔倾角13°、侧孔出口与中孔面积比2.7。     

板坯连铸结晶器内流场的水模型实验研究

通过在实验室进行水模实验,模拟了现场生产时结晶器内钢水的流场分布情况。重点研究了水口浸入深度、结晶器宽度、拉速和水口偏转角度对结晶器钢液流场和液面波动的影响,分析了浸入式水口参数变化在实际生产时的优缺点。通过选择合适的目标拉速和浸入深度,有利于减少结晶器卷渣和铸坯夹杂,降低卷渣漏钢的危险。     

浸入式水口结构对180 mm×240 mm断面连铸结晶器内钢液流动行为的影响

为改善国内某钢厂高碳硬线钢铸坯的内部质量,以实际180 mm×240 mm方坯连铸结晶器为原型,基于相似原理,采用1∶1的物理模型,对比研究了直通型和侧分旋流型水口浇铸条件下的结晶器内流体流动行为。试验测定了不同拉速和水口浸入深度下结晶器内钢液的流股分布、液面波动及渣层状态。结果表明:旋流水口可有效降低流股冲击深度;相同水口浸入深度和拉速条件下,使用旋流水口的结晶器液面平均波高大于直通型水口;拉速和浸入深度对旋流型水口的液面波动影响明显,渣层波动也比直通型水口频繁。综合液面波动和渣层状态并考虑成本因素,旋流水口更适合浇铸该断面高品质铸坯,其适宜的工艺参数为拉速1.0 m/min、浸入深度120 mm,此时自由液面平均波高0.18 mm,渣层波动适宜,无卷渣和裸钢现象发生。将该水口配合结晶器电磁搅拌和二冷工艺应用于高碳硬线钢生产,得到的铸坯质量稳定,Φ5.5 mm盘条中心碳偏析不大于2.0级的比例达95%以上,疏松缩孔不大于0.5级的比例达100%。     

水口倾角对150mm×380mm矩形坯结晶器流场的影响

为减少矩形坯角裂、漏钢等缺陷,提高铸坯质量,进行改变浸入式水口出口倾角角度以优化结晶器流场的研究。通过Fluent软件,对150 mm×380 mm矩形坯结晶器钢液流动和凝固耦合过程进行数值模拟,得出水口倾角(15°~30°)对表面流速、表面湍动能和冲击深度的影响。结果表明,随水口倾角增加,平均表面流速下降,冲击深度增加,有利于稳定液面;但随倾角增加,液面波动小,不利于钢液搅拌和夹杂物去除,下部回旋区过低,坯壳变薄,容易产生漏钢;综合得出,150 mm×380 mm铸坯的水口倾角宜为25°。应用结果得出使用优化水口后,铸坯中夹杂物总数减少36%。     

宽板坯连铸结晶器内液面波动的数值模拟

以150 mm×(1 600～3 250) mm宽板坯连铸结晶器为研究对象,利用大型商业软件ANSYS CFX10.0建立了一个三维有限体积模型,采用多相流的VOF模型对结晶器内保护渣-钢液界面波动进行数值模拟,重点研究了拉速、水口倾角、铸坯断面宽度等工艺参数对结晶器内液面波动的影响.结果表明:随着结晶器宽度、拉速的增加,液面波动明显增大;采用较大的水口倾角,可以抑制液面波动,减少卷渣.     

电磁搅拌作用下水口深度对液面波动的影响

 结晶器内液面波动会影响连铸坯的质量,施加电磁搅拌使钢液的液面呈旋转抛物面。电磁搅拌电流过大或拉速过高会造成保护渣卷渣现象,对铸坯质量造成不利的影响。以某钢厂[?]250 mm连铸圆坯结晶器电磁搅拌为研究对象,采用电磁-流体单相耦合的方式及流体体积函数VOF模型,建立描述结晶器电磁搅拌作用下液面波动的数学模型,研究电磁搅拌作用下浸入式水口深度对液面波动的影响。研究表明,通过增大水口深度,能够改善因电磁搅拌强度过大或拉速过大造成的卷渣现象,减小水口附近的液面波动。     

拉速对小方坯结晶器液面波动影响的数值模拟

利用流体力学软件Fluent建立180 mm×180 mm铸坯结晶器内"钢-渣"两相流模型,对结晶器液面波动行为进行数值模拟,研究浸入式水口自结晶器中心位置偏离量(0~30 mm)和拉速(2.0~3.0 m/min)对结晶器液面波动行为的影响。发现在相同浸入式水口偏离量下增加拉速,钢液面波动的整体趋势增加,且偏移量与拉速越大,液面波动增幅越大;低拉速时,波谷出现在水口边缘,水口周围剧烈波动;高拉速时,波谷出现在结晶器右壁面,使得钢液液面波动加剧,容易产生卷渣。     

板坯连铸机结晶器钢液卷渣的水模型研究

针对安钢超低头板坯连铸机结晶器液面卷渣现象 ,用 0 6∶1 0水模型 ,研究了水口浸入深度 30mm、6 0mm和 110mm时 ,铸坯拉速 1 0～ 0 7m min、水流量 2 6 2 4～ 18 4m3 min范围内水口浸入深度、拉速对结晶器内钢液卷渣程度的影响。提出卷渣指数J =V·h (t·H) ,式中V 拉速 ;h 1 10大波值 ;t 开始卷渣时间 ;H 水口浸入深度。结果得出 ,为防止安钢板坯结晶器液面卷渣 ,当水口浸入深度为 110mm时 ,拉速应≤0 90m min ;浸入深度 6 0mm时 ,拉速应≤ 0 85m min ;J应 <1 37× 10 - 2 mm s2 。     

连铸结晶器水口不同浸入深度的数值模拟

通过ANSYS Fluent软件对结晶器浇铸1200mm×244mm断面铸坯在不同浸入深度下流场、温度场进行数值模拟计算。结果表明,针对结晶器1200mm×244mm断面下,当浸入深度为110mm时,自由液面的最大速度为0.166m/s,波高为2.4mm;当浸入深度增加至130mm后,自由液面速度有所降低,为0.127m/s,但当浸入深度在130～170mm变化时,自由液面速度波动不明显。液面波动随着浸入深度的增加而略有降低,浸入深度分别为130、150、170mm时,液面波高分别为1.98、1.89、1.49mm,整体变化不大。不同浸入深度在结晶器内上旋流钢液大部分温度为1516～1518℃,下旋流钢液温度基本为1514～1516℃,比较均匀,影响不大。     

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。     

连铸板坯结晶器液面波动及冲击深度水模型研究

为评价现有浸入式水口设计是否合理,通过几何相似比1:2的水模型对拉速0.8～1.7 m/min,断面为230 mm×(900～2 150)mm的板坯结晶器液面波动和冲击深度进行了模拟实验。结果表明,现行结晶器在5种不同断面下液面较平稳,模型中波高都在1.5 mm以内(相当于原型3 mm以内),保护渣渣层平稳,液渣层分布较均匀;而当低拉速、小断面时,即使冲击深度较低,液面波动也小于0.5 mm(相当于原型小于1 mm),导致渣-钢界面活跃不够,化渣不良,甚至可能造成液面结壳,故有必要对现有浸入式水口进行优化改造。     

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。     

180 mm×610 mm板坯连铸结晶器内流场水模型及数值模拟

以北方某钢厂断面为180 mm×610 mm板坯连铸结晶器为原型,针对其生产过程中出现的表面流速波动较大、易卷渣等问题,采用Fluent数值模拟软件,对其浸入式水口底部结构、浸入深度和拉速等工艺参数进行了优化研究,并对数值模拟结果进行了冷态水模拟验证。结果表明,当不改变浸入式水口底部结构,水口浸入深度为100 mm时,拉坯速度应不超过1.45 m/min;当拉坯速度提升至1.55 m/min时,水口浸入深度应保持在120～130 mm时较为合适;若要保持原有工艺条件(拉速为1.55 m/min、浸入深度为100 mm)不变的情况下,应将水口底部结构改为凹槽深度为10 mm的凹面水口,此时结晶器表面流速较为适宜。     

立式板坯连铸机结晶器内液面波动的物理模拟

为优化200 mm×1 300 mm立式板坯连铸结晶器浸入式水口,采用1:1水模型模拟研究水口结构参数(侧孔断面-40 mm×80 mm,40 mm×40 mm和侧孔角度+15°和-15°)以及工艺参数(浸入深度-100～130 mm,拉速0.45～0.65 m/min)对液面波动的影响。结果表明:水口结构参数对液面波动的影响较明显;侧孔断面40 mm×40 mm,侧孔角度+15°的2^#水口的使用性能相对较好;浸入深度对液面波动量的影响不大;拉速对液面波动的影响与水口结构有关,对拉速变化的敏感程度由大到小的次序是2^#水口(40 mm×40 mm,+15°),4^#水口(40 mm×40mm,-15°),3^#水口(40 mm×80 mm,-15°),1^#水口(40 mm×80 mm,+15°)。     

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。     

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。     

1 500 mm x230 mm板坯结晶器液面波动与卷渣行为水力学模型试验和应用

基于相似理论,以钢厂1 500 mmx230 mm板坯结晶器为原型建立1 ：2的结晶器水力学模型。结果 表明,吹气量一定时,水口中心处到窄边的液面波动先增大后减小,吹气量大于0. 8 lymin时,开始发生卷渣现象, 并且结晶器内的气泡数量变多。浸人深度的增加使液面波动减弱,浸入深度在65 - 95 mm时对卷渣影响的效果不 显著;拉速增加使流股的冲击深度增大,拉速大于LI m/min时有大渣滴被卷入;当结晶器的拉速为1.0 ~ 1.1 m/min, 吹气量为0.6~0.8 I/min,浸入深度为75 - 85 mm时较合理。C45E钢生产实践表明,当拉速由0.9-1.2 m/min调整 至1.0 ~ 1.1 m/min,浸入深度由130 ~ 190 mm改进为150 ~ 170 mm时,铸坯缺陷率由6%降至1.9%。     

不同宽度板坯结晶器内流场的水模型和数值模拟研究

采用1:0.8比例水模型和基于Fluent软件的数值模拟,实验研究了190 mm×(1500～1900)mm宽板坯连铸结晶器的流场。结果表明,在钢水流量不变的情况下,随着结晶器断面宽度的增加,流股的冲击深度增加,流股涡心高度降低,结晶器表面流速、液面波动、流股对结晶器窄面的壁面剪切力均减小,卷渣和液面裸露几率逐渐降低。在钢水流量不变的情况下,随着结晶器断面宽度的增加,若采用同一水口,可以适当减小水口插入深度。