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。     

中薄板坯连铸结晶器钢/渣界面行为数值模拟

利用VOF（volume of fluid）方法和Lagrangian离散模型模拟了厚度为135mm中薄板坯连铸结晶器内的钢液流动及钢／渣界面波动行为,分析了结晶器宽度、水口浸入深度、水口侧孔倾角、拉速和吹氩对结晶器内钢液流动和液面波动的影响规律．结果表明：钢液从三孔浸入式水口流入结晶器后形成上、下三个回流区;吹氩使结晶器上回流区靠近水口附近形成二次涡流;在一定拉速下,增加水口侧孔倾角和浸入深度均能有效抑制钢／渣界面波动;增加拉速和在一定拉速下增加结晶器宽度均将加剧液面波动．     

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。     

板坯连铸结晶器液面波动行为数值模拟

以转炉厂一台板坯连铸机为研究对象,生产铸坯断面为230 mm×1 255 mm,运用ANSYS分析软件建立结晶器三维流动—传热耦合模型研究结晶器内钢渣界面波动,主要考虑了水口倾角、浸入深度和侧孔面积等工艺参数对界面波动的影响。结果表明,工况条件下液渣波动过大的原因是水口内径偏小造成结晶器内钢流速度过大;侧孔倾角的增大,液渣波动明显减弱,综合考虑倾角在20°～25°较适合;浸入深度在140～160 mm变化时,其对液渣波动影响较小;随侧孔面积的增大,液渣波动反而增大。     

大方坯结晶器内液面波动与卷渣行为

为深入揭示不同水口类型对结晶器内钢液初始流动的影响,以某厂410 mm×530 mm的大方坯结晶器为原型,基于相似原理,采用1:1的物理模型,比较了直通型、五孔和四孔水口浇注时在不同拉速和浸入深度下的结晶器内液面波动和渣层状态。结果表明,3种水口的液面平均波高范围分别为0.20~0.30、0.23~1.10、0.35~1.28 mm。五孔水口和四孔水口的液面波动均比直通水口剧烈,渣层比直通水口活跃,尽管有轻微卷渣但无裸钢现象,这有利于保护渣的熔化和夹杂物的上浮去除。五孔水口和四孔水口对结晶器壁面的冲击比直通水口强,有助于铸坯中心等轴晶率的提高。推荐该大方坯使用多孔水口时浸入深度和拉速分别为170 mm和0.38 m/min,可保证生产顺行和铸坯质量改善。     

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%。     

适合漏斗型薄板坯连铸结晶器三孔水口的水模型优化

 采用1∶1的水模型研究了5种不同底孔直径(16～28mm)的三孔水口下漏斗型薄板坯结晶器内的流场、液面特征和卷渣行为。结果表明：在常规工艺参数下,5种三孔水口下结晶器内钢液的流场都是典型的“双辊流”,且流场稳定;在5种三孔水口下结晶器液面波动都较平稳,且波动范围都在±(3～5)mm之间。5种不同水口下结晶器液面主要发生剪切卷渣,漩涡卷渣很少发生。试验得知：在水口浸入深度280mm,拉速为5m/min时,剪切卷渣发生的钢液临界表面速度是0.32m/s,与文献报道的模型计算值较吻合。在水口浸入深度280mm、拉速为5m/min的条件下,适合薄板坯连铸的最佳的三孔水口的底孔直径为22mm。     

浸入式水口结构对板坯结晶器液面波动的影响

以1∶2. 3的几何相似比,建立了断面230 mm×1 930 mm板坯结晶器的钢液流动物理模型,研究不同的浸入式水口对结晶器流体流动和液面波动的影响,并进行了工业试验,测定了实际结晶器钢液面的波动。结果表明,凸底特别是较高凸底的浸入式水口容易在板坯结晶器两侧产生明显的不对称流动,结晶器两侧交替出现明显的液面凹陷,使得液面各点的波动差别大,且随浸入式水口浸入深度的增加液面波动不降低,在结晶器宽面1/4附近区域的液面波动比其它区域大。凹底的浸入式水口能够减轻结晶器两侧的不对称流动,从而避免液面凹陷的发生,液面各点的波动差别减小,液面波动随浸入式水口的浸入深度增加而下降。工业试验中优化的浸入式水口的结晶器液面波动的平均波高、最大波峰和最大波谷比原浸入式水口分别降低21. 70%,30. 70%和29. 18%。     

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°)。     

250mm×1800mm板坯连铸结晶器浸入式水口优化的物理模拟

采用1:2水模型研究了水口结构(S1-侧孔倾角矩形,总面积6 868 mm~2,倾角-25°;S2-跑道型,总面积8 468 mm~2,倾角-15°;S3-椭圆形,总面积8 011 mm~2,倾角-15°),拉速0.85~1.05 m/min和浸入深度55~75mm对结晶器内液面波动、流场分布及保护渣覆盖情况的影响、结果表明,液面波动量随侧孔面积和倾角减小而增大,当侧孔面积减小5.4%时,波动量增加约为32.4%:波动量随拉速的增加、浸入深度的减小而增加;冲击深度随侧孔面积、侧孔倾角及拉速的增加而增加、现有水口S2下液面波动过小,不利于保护渣的熔化与均匀传热;现有水口S1下的冲击深度过大,小利于夹杂物的去除。优化水口S3下的液面波动及冲击深度均更加合理,保护渣更加活跃,有利于保护渣熔化和去除夹杂物、     

R9 m连铸机小方坯结晶器流场和温度场的数值模拟

采用ANSYS CFX 12.1软件,对结晶器浸入式水口的尺寸和浸入深度进行建模,研究了相应的流场和温度场分布情况,分析了不同条件下的结晶器内流场、液面波动、温度分布及坯壳厚度.结果表明,在较小尺寸和浸入深度的水口作用下,钢液对外弧壁面的冲刷作用明显,易降低结晶器寿命.随着水口内径和浸入深度的增大,钢液面扰动减弱,易于防止卷渣.试验条件下,采用30 mm内径水口、100 mm浸入深度较为合理.     

板坯连铸结晶器钢液行为的水模拟试验

以某钢厂250mm×2 100mm断面板坯连铸结晶器为研究对象,采用水力模拟的方法研究了拉速在0.88m/min条件下不同水口结构参数对钢液行为的影响。研究表明:1号水口(原方案)在浸入深度为57mm时,液面波峰谷差值达到3.67mm,卷渣严重,冲击深度为205mm;优化设计的5号水口在浸入深度为57mm时,液面波峰谷差值减小为2.74mm,卷渣现象基本消失,冲击深度为177mm。确定5号水口为最优水口结构参数,浸入深度以57~67mm为宜。     

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。     

475 mm特厚板坯连铸结晶器浸入式水口优化数值模拟研究

特厚板坯连铸技术主要应用于特种装备制造领域,市场需求量较大。浸入式水口的结构是决定结晶器中流场流动行为的关键因素。本研究通过建立三维数值模型,研究浸入式水口侧孔倾角对475 mm特厚板坯结晶器内流场流动行为、温度场和凝固坯壳分布的影响。结果表明,水口侧孔倾角对钢液流动行为影响显著：当侧孔倾角由-20°调整至-10°时,射流冲击深度由660 mm减小至545 mm,结晶器自由液面平均温度升高4 K;此外,侧孔倾角的减小使凝固坯壳尤其是窄面坯壳厚度增加6 mm。综合考虑,当水口侧孔倾角为-10°时,结晶器性能最佳,此时的液面流动较活跃,结晶器保护渣和液面之间的传热性良好,出口处的壳体厚度均匀,足以满足生产需要,可有效避免漏钢现象发生。     

板坯连铸浸入式水口控流的物理和数值模拟

浸入式水口结构从根本上决定了结晶器内的钢液流动形式，采用物理模拟和数值模拟方法研究了水口结构及铸坯断面尺寸对板坯结晶器流动行为的影响。通过解析速度云图、表面流速、液面波动、冲击深度及保护渣覆盖情况等特征参数，对结晶器内钢液流动行为进行多角度定量表征。结果表明，水口侧孔倾角向上对1 600 mm×220 mm断面结晶器流场液面扰动较大，其倾角向下15°时射流冲击深度较大，倾角向下8°时最为适宜。水口底部形状会影响钢液的湍动能耗散及流场对称性，对比后得出凹底水口为最佳水口形状。侧孔形状对表面流速影响较小，但对自由液面波动有显著影响，可能导致钢液裸露；当水口侧孔面积一致时，矩形侧孔水口条件下的结晶器液面裸露面积小于跑道形侧孔和方形侧孔情况。而在浇注不同断面尺寸时，仅通过改变水口结构和使用工艺难以获得合理的结晶器流场，还需要借助其他控制流动的手段来推动未来板坯多元化生产的发展。本研究可为改善板坯质量提供理论与工艺指导。     

连铸浸入式水口结构优化的水模型试验

以济钢板坯连铸结晶器为原型,采用几何相似比为1∶1,弗鲁德准数与原型相等的水模型进行试验,研究了不同拉速条件下,不同浸入式水口的侧孔倾角和出口尺寸对板坯结晶器内流场和液面波动行为的影响。结果表明:拉速一定的条件下,随着水口侧孔倾角和出口尺寸增大,液面波动减小,上、下涡心位置离结晶器窄面越近且冲击深度增加。综合考虑,选用侧孔倾角为5°、出口尺寸为100mm×65mm×R32.5mm的水口。     

板坯连铸结晶器自由液面波动的水模型研究

针对某板坯连铸机,采用1:1的水模型,研究了不同浸入式水口的侧孔倾角、不同拉速和浸入深度对自由液面波动、冲击深度和平均停留时间的影响.研究结果表明:板坯尺寸为1 750mm×230mm时,建议采用的最优工艺参数为浸入式水口的倾角为向下15°,拉速为1.2～1.4 m/min,浸入式水口的浸入深度为200～250 mm.     

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%。     

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。     

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。