薄板坯连铸结晶器内钢液流动与传热及凝固耦合的数值模拟

针对断面为135 mm×1200 mm的薄板坯连铸结晶器,建立了4孔浸入式水口下薄板坯连铸结晶器内钢液流动、传热和凝固耦合的三维数学模型,引入F数评价薄板坯连铸结晶器内液面波动情况,分析结晶器内钢液流动、温度分布及凝固坯壳厚度的变化情况. 结果表明,用F数评价薄板坯连铸结晶器内液面波动可行,拉速由1.44 m/min增加到1.80 m/min时,钢液液面波动的F数由1.05增加到2.55,凝固壳厚度(dshell)与凝固时间(t)满足关系式dshell=18.92t1/2?1.05,模拟结果与文献实验结果基本一致.     

连铸板坯凝固壳形貌测试及模拟

通过射钉法在铸坯横断面1/2,1/4,1/8三个位置测量170mm×1400 mm断面AH 36钢在1.25和1.35 m/min两个拉速下的连铸板坯凝固坯壳厚度,根据凝固定律,利用铸坯凝固坯壳厚度确定液相穴长度以及凝固终点.应用板坯连铸二次冷却仿真软件对其进行凝固过程模拟计算,得到凝固壳生长形貌,横向和纵向凝固壳厚度变化趋势,以及横向内弧表面温度.对比测量结果与模拟结果,验证在同一位置凝固壳厚度基本一致,铸坯最先凝固的位置为1/4处,凝固末端位于1/8处.对连铸板坯凝固壳形貌的研究为二冷制度的设计以及优化提供了有效依据.     

基于交替方向隐式差分算法的连铸坯凝固传热模型

针对连铸板坯的凝固传热问题,考虑板坯形状规则的特点,基于交替方向隐式差分算法建立沿连铸板坯宽度和厚度方向的二维凝固传热模型.该模型可以模拟铸坯液相区和两相区的变化、铸坯坯壳厚度变化及铸坯凝固末端的位置等参量,可实现对铸坯温度场分布特征的计算跟踪.以某炼钢厂立弯式板坯连铸机为研究对象进行工业测试,铸坯断面尺寸为1082 mm×200 mm,铸机拉速为1.3 m/mm,钢种为Stb32z条件下的模拟计算和实测结果表明,凝固传热模型的计算效率可以满足生产要求,计算结果符合凝固规律,计算温度与便携式红外测温仪的实测温度误差为1.4%.     

基于FLUENT对水平连铸结晶器凝固过程数值模拟

对圆柱形钢坯的水平连铸问题,采用轴对称二维传热模型,基于FLUENT软件,通过简化边界条件的方法,对初期坯壳生长规律作了计算分析,与射钉结果相比较得到很好验证.通过分析过热度和拉速对出结晶器坯壳厚度,液芯长度的影响,发现40Cr拉速提高0.1 m/min,出结晶器坯壳减薄0.91 mm,过热度每增加10℃,出结晶器坯壳减薄1.4 mm等凝固特点,降低过热度有助于提高拉速.由凝固曲线看出,在刚开始的0～2 m内,曲线斜率大,说明冷却强度大,圆坯在凝固后期有个加速凝固阶段.     

板坯连铸铸坯二冷顶弯段应力分析

以某钢厂2号板坯连铸机结晶器至二冷顶弯段末的铸坯为研究对象,采用切片法建立沿拉坯方向上铸坯的二维纵断面弹塑性应力分析模型,并结合有限元数值模拟技术,对Q235G钢连铸坯的连铸过程进行数值仿真,获得顶弯过程中铸坯内的应力变化规律.结果表明,在夹棍位置下,铸坯内部20 mm处受到的等效应力随距弯月面距离的增加逐渐增大;铸坯表面受到的等效应力先增大,然后在10.25 MPa上下波动,在项弯段末,等效应力开始回落.此外,外弧侧凝固坯壳受到的等效应力大于内弧侧坯壳的等效应力.模拟所得计算结果可为研究2号铸机顶弯段结构对铸坯质量的影响提供理论依据.     

316不锈钢连铸工艺参数对结晶器内坯壳厚度影响模拟

为研究连铸过程中拉速及过热度对凝固传热的影响,采用商业有限元软件ANSYS,对316不锈钢板坯厚度生长情况进行了模拟. 采用2-D模型,分别计算了拉速为0.4, 0.5, 0.6 m/min及过热度为30, 40, 50℃时坯壳出口温度、坯壳厚度及表面温度的变化,探讨了坯壳生长及厚度变化规律. 结果表明,拉速从0.4~0.6 m/min变化,坯壳出口温度升高83℃、坯壳的出口厚度平均减薄3.2 mm、表面温度随拉速提高而升高;过热度从30~50℃变化,坯壳出口温度升高20℃、表面温度平均升高20℃、坯壳的出口厚度平均减薄1.35 mm.     

双条横稳电磁制动板坯结晶器内钢液流动与传热及凝固耦合的数值模拟

建立了板坯连铸结晶器内流动、传热和凝固耦合的数学模型,分析了在有无电磁制动下,结晶器内钢液流动、温度分布及凝固坯壳厚度的变化情况. 结果表明,在电磁制动的作用下,从浸入式水口流出的钢液速度得到了抑制,引入电磁场能减小射流冲击深度,有利于稳定和减少钢液面波动和促进凝固坯壳的生长,拉速为1.1 m/min时,结晶器出口处凝固坯壳厚度增加约2 mm.     

板坯连铸矫直温度在线控制的应用研究

对矫直区连续测温在板坯连铸二冷模型中的应用进行了研究.采用反馈控制与前馈控制互补的模式,分析建立了板坯连铸矫直温度在线控制模型.并设计了能有效避免二冷区各种测温干扰因素影响,可在高温环境长时间在线运行的CQU-2MB测温仪.本模型考虑了水量变化的历史累积与温度的延迟,引入最佳温度区域和微调温度区域2个控制调节区,有效地减小了控制调节中的铸坯温度波动,缩短温度调节时间,提高控制效率.在板坯连铸生产中应用本控制系统后,在拉速等工艺条件波动较大的情况下,铸坯矫直温度基本上能稳定地控制在目标温度范围内.     

板坯连铸凝固过程动态耦合数值模拟

基于实际生产测得的数据,采用连续动态三维耦合模型对板坯连铸凝固过程的流场、温度场和凝固进行模拟. 结果表明,由浸入式水口进入的钢液在结晶器内冲击形成上下两股回流,凝固促进了流动速度的衰减,提高拉速扩大了回流区域;结晶器内铸坯宽面偏角部100~150 mm处存在局部过热,在结晶器出口,拉速由0.02 m/s增加到0.025 m/s,坯壳厚度减小约3 mm.     

方坯连铸高效化二冷技术

建立了方坯高效连铸二冷数学模型,提出了喷嘴有效喷淋系数和二冷有效比水量的概念.依据二冷均匀冷却的思想,重新设计并优化了二冷喷淋结构和喷嘴的布置,增加了一个二冷喷淋段.提出了新的二冷水模型,即Qi=a bv cv2=d(△T-30) F;二冷各段的喷水量与拉速、浇铸温度、钢水成分和二冷水温相关.实践证明,经优化后的二冷结构和二冷水模型合理,拉速大幅度提高,150×150 mm2断面的最高拉速达3.8～4.0 m/min;铸坯质量明显改善,产量显著提高,经济效益显著.     

连铸二冷喷嘴内部雾化效果的数值模拟分析

连续铸造二次冷却(连铸二冷)中常用的喷嘴为内混式气水雾化喷嘴。其所喷射的二冷水对铸坯的质量有着重要的影响。根据某钢厂所用的内混式喷嘴数据,介绍了喷嘴雾化的原理,对常用工况下喷嘴内部的喷射芯喷出的液柱破碎情况进行了理论计算。采用CFD软件建立了喷嘴的物理模型,对其内部流场进行了数值模拟。根据模拟结果,分析了液柱在不同工况下的形态变化;计算了液柱We数的模拟值并与理论值进行了对比。综合考虑液柱形态及We数,表明增加进气压力能有效提升液柱破碎的程度,工况3(水压0.2 Mpa,气压0.2 Mpa)及工况4(水压0.2 Mpa,气压0.25 Mpa)具有较好的雾化效果。     

离心渗铸充型过程中伴随有瞬态固化与再熔现象的流场变化规律

针对离心渗铸工艺中熔体浇注温度太高会带来铸件冶金质量下降问题,在充型过程中一般会发生金属熔液的瞬态固化与再熔现象,建立了旋转多孔介质内伴随有瞬态固化与再熔现象的渗流传热理论模型.通过理论分析获得了离心渗铸充型过程中瞬态压力分布计算公式,建立了不同区域界面的移动速率与温度间的耦合关系,分析了流场变化规律.结果表明：渗透前沿界面推移速度主要受离心渗透压力即渗透动力学因素的影响,而再熔界面推移速度主要受热导率和金属相变特性即材料热力学因素的影响,多孔预型体内发生的瞬态固化与再熔是决定充形过程中渗铸复合层能达到的最大厚度的重要因素.     

Numerical modeling of the cooling cycle and associated thermal stresses in a melt explosive charge

A comprehensive simulation tool is developed to describe and optimize the cooling cycle in the melt‐casting of Composition B. It comprises a multiphysics approach tackling heat, mass, and momentum transfers involved in the casting process. The highly nonlinear solidification step and development of thermal stresses are included. A V & V (Verification and Validation) approach was adopted whereby the model was verified against a benchmark problem and tested with a simple cylindrical geometry. Then, the approach was applied to a 105 mm caliber artillery shell and simulation results were in close agreement with experimental measurements. The model is equipped with a CZM function to account for adhesion between the solidified cast and the mold. During cooling, separation is possible and the size and location of gaps, depending on shrinkage and adhesion, are successfully emulated. The importance of controlled solidification is pointed out, especially regarding steep temperature gradients within the shell. © 2016 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 62: 3797–3811, 2016     

矩形钢坯结晶器浸入式水口结构设计与优化

以某公司矩形钢坯连铸机结晶器为研究对象,利用数值模拟和物理模拟相结合的方法,对结晶器内钢液流动及温度分布进行系统分析,分别计算不同浸入式水口倾角、浸入深度、拉速等条件下结晶器内钢液流动状态及热流分布,并对相应的工艺参数进行优化. 结果表明,对于断面为150 mm′330 mm的矩形坯,最优的结晶器浸入式水口侧开孔形状为跑道形,内径30 mm,侧开孔角度25o.     

Numerical Simulation of Casting Explosives in Shell

Predicting interface position of solid-liquid phase change is important for the filling of explosives in the shell. The cooling process of casting charge is discussed analytically and experimentally. The basic equations describing this process are derived from a modified and extended equivalent heat capacity model. Numerical calculations are then performed to determine the solidification front distributions and temperature distributions. The experiments are performed using TNT as the phase change material. Comparison between practical experiments and computer simulation has shown that there is a good agreement. By using computer calculations, a better knowledge of important parameters for the casting process can be easily obtained.     

连铸凝固过程热模拟实验方法及应用案例

凝固是制约冶金产品质量的重要环节,但因高温、不透明、大规模和连续化的生产特点,连铸生产条件下的凝固问题研究极为困难。目前的研究方法主要包括数值模拟、物理模拟和热模拟,其中热模拟方法因可以直接获取接近生产条件的实验数据而备受关注。本工作系统介绍了连铸凝固热模拟研究方法,简述了热模拟技术原理,并对结晶器热模拟方法及特征单元热模拟方法的原理和应用进行总结。其中,基于特征单元热相似性提出的连铸坯枝晶生长热模拟及凝固裂纹热模拟等方法成功地将十几吨铸坯的凝固过程“浓缩”到实验室用百克钢研究,不仅可以揭示钢液成分、浇注和冷却条件等因素对凝固过程、组织和元素分布的影响规律,而且还可以获得铸坯固液界面形貌、界面前沿溶质扩散和夹杂物演变、凝固裂纹形成的可能性及条件等其他手段无法得到而冶金界非常关注的问题。要点：(1)概述了连铸凝固过程研究方法。(2)重点介绍了连铸凝固过程热模拟方法的分类、原理和应用。(3)总结展望了连铸热模拟研究方法的研究方向。