电磁旋流水口在钢圆坯连铸中的作用

机械式旋流水口连铸的工业试验结果表明:弯月面的钢液温度、稳定性以及铸坯的等轴晶率等能得到显著提高。但该工艺难以工业应用。本文作者提出了一种新的旋流连铸工艺,即利用水口外的旋转电磁场对钢液的洛伦兹力,使水口内钢液形成旋转流动。本研究通过磁场和流场的三维数值模拟,分析了电磁旋流装置结构对圆坯连铸过程中浸入式水口及结晶器内钢液速度的大小及分布的影响,并应用低熔点合金进行了实验验证。结果表明:非接触方式的电磁力可以有效地使钢液在浸入式水口内产生旋转流动。在同等条件下,圆形电磁旋流装置时钢液的速度分布最对称,速度值最大;改进马蹄形时的水口内流场分布与圆形的较为接近,比采用马蹄形时的更为对称,且速度值更大。在结晶器内,电磁旋流使钢液的冲击深度变小,上返流增强。这有利于温度的均匀化,提高弯月面的温度,以及促进夹杂物的上浮。考虑工业生产的操作方便问题,改进马蹄形电磁旋流装置比较适合生产实际。电磁旋流实验的结果验证了数值模拟的结果及计算方法的可靠性。     

水口位置对电磁偏心搅拌作用下大圆坯连铸结晶器内流动及传热的影响

为消除电磁偏心搅拌给φ380 mm断面圆坯质量造成的不利影响,采用数值模拟方法研究了水口位置对大圆坯连铸结晶器和足辊区内钢液流动和传热的影响。结果表明:在电磁偏心搅拌作用下,大圆坯外弧侧更大的电磁力使从水口进入结晶器的钢液流向外弧侧,并使外弧侧钢液温度升高。将水口向内弧侧偏移后,水口内钢液流向内弧侧,碰到结晶器壁后形成一个较大的回流区,结晶器上部回流区缩小;钢液温度尤其是弯月面处钢液温度明显降低,同时内、外弧侧钢液温差增大。虽然改变水口位置有利于消散钢液热量,但不利于保护渣熔化且增加内、外弧钢液温差,所以改变水口位置的方法不宜用于消除电磁偏心搅拌的不利影响。     

圆坯结晶器偏心浇注条件下水口优化的模拟研究

针对连铸生产过程中常出现水口不对中的问题,通过旋流水口来消除偏心水口带来的不利影响。建立了圆坯结晶器内三维流动、传热数学模型,结合水模型实验,计算分析了水口优化前后结晶器内的流场和温度场。结果表明:合适的水口切向倾角可以使钢液产生较强的旋流,降低偏心浇注条件下结晶器内的偏流指数。旋流流场还可以减小钢液的冲击深度,促进钢液过热耗散,使热中心上移,均匀初生坯壳厚度,提高铸坯品质。     

圆坯连铸电磁旋流水口的数值模拟

在浸入式水口外部采用可移动的旋转电磁场装置,使水口内钢液形成旋转流动.通过对磁场和流场的数值模拟,分析了电磁参数和电磁旋流装置结构对钢液内磁感应强度和旋流速度大小及分布的影响.结果表明,钢液中心竖直轴线上的磁感应强度随线圈电流增大而增大,随频率增大而减小.采用圆形磁体时磁感应强度最大且分布均匀,优于马蹄形磁体;线圈电流500 A,频率50 Hz时,获得了在圆形装置作用下浸入式水口内及结晶器内的钢液的速度矢量分布,此时结晶器内产生了较强的旋流流动.从现场操作角度出发,提出了改进马蹄形电磁旋流装置.通过低熔点合金的电磁旋流实验验证了数值模拟的结果及计算方法的可靠性.     

钢圆坯连铸过程中渐开式电磁旋流水口数值模拟

提出了一种新的浸入式水口内产生旋流的方法.即在水口外施加可移动的旋转电磁场,非接触地形成钢液旋流.为进一步发挥旋流作用,采用渐开式水口,对圆坯连铸中浸入式水口及结晶器内钢液流场、温度场进行了三维数值模拟,并重点研究了水口渐开角度结合不同旋流强度对结晶器内流场及温度场的影响.研究结果表明,浸入式水口内磁场和旋流速度随着线圈电流强度的增加而增加.当电流强度为500 A,频率为50 Hz时.可产生最大为3 m/s左右的旋流速度.当水口采用同一渐开角度,随着旋流强度的增大,水口出流的冲击深度减小,上返流增强,弯月面温度提高.但当旋流强度增大到一定程度后,结晶器内弯月面附近温度变化不大.采用同一旋流强度,随着水口渐开角度的增加,结晶器内水口出口上方的上返流先增强后减弱,在渐开角度为60°时,上返流最强.同样,弯月面附近温度也是先提高后有所降低,在渐开角度为60°时,弯月面温度最高.水口渐开角度为60°,线圈电流350 A,频率为50 Hz时,在水口入口处施加0.5 m/s水平速度的人工偏流后,电磁旋流能对该偏流进行有效的抑制.     

帘线钢82B小方坯电磁搅拌结晶器多场传输行为

连铸电磁搅拌结晶器内钢液流动、传热、传质和凝固行为十分复杂且对铸坯质量影响巨大,为了进一步揭示电磁搅拌结晶器内多物理场传输行为及其相互影响规律,建立了电磁场作用下三维多物理场耦合连铸凝固模型,模拟研究了结晶器电磁搅拌对帘线钢82B小方坯连铸过程的影响。结果表明,随着搅拌电流强度增大,钢液流动加强;结晶器出口附近铸坯中心纵向流速先减小,进而流速反向,之后反向的流速增大,促进热量散失,加剧了小方坯皮下负偏析,同时促进了钢液池溶质浓度提高。当搅拌电流为280 A时,搅拌器中心铸坯横截面上最大切向速度达到0.23 m/s,距离弯月面1.5 m位置,负偏析低谷碳的质量分数为0.706%,铸坯中心碳的质量分数达到了0.872%。     

旋流水口对小方坯连铸结晶器流场影响的水模拟

通过在连铸水口的水力学模型内安置的旋流叶轮模拟了水口电磁搅拌的作用,使模型实验中水口出流呈螺旋状流态.用超声波Doppler测速仪定量测量结晶器模型内液流的垂直及水平速度,检验水口电磁搅拌的效果,分析有效的工艺参数.结果表明,旋流式水口有利于改善结晶器内的流场,有效降低冲击深度,增大液流向弯月面区域的回流和热流上传,使液面形成水平环流,提高了液面的活跃程度,增强钢水表面融渣的效果.     

小方坯连铸结晶器内注流偏流流场的数值模拟

对国内某钢厂165mm×163mm小方坯不锈钢连铸机弧形结晶器建模,利用CFX软件模拟了水口沿连铸机径向向内弧侧偏离不同距离后结晶器内钢液流场和液面波动情况。结果表明,水口沿连铸机径向向内弧侧偏离结晶器入口几何中心12mm时,注流对结晶器外弧侧凝固坯壳的冲击减弱,同时结晶器内内外弧侧向上回流的钢液均能到达弯月面处,结晶器内钢液流场分布更加合理。     

不锈钢方坯连铸结晶器内钢渣界面行为的数值模拟研究

不锈钢方坯生产初期由于卷入保护渣而导致连铸坯内部出现大颗粒夹杂物,影响产品质量。卷渣与钢渣界面行为有较大关系,因此通过Fluent软件对不锈钢方坯浸入式水口在不同插入深度下的结晶器内钢液流场、钢渣界面行为进行了数值模拟。模拟结果显示：水口插入深度小于110 mm时,钢渣界面被严重破坏,结晶器保护渣会卷入钢液;水口插入深度大于130 mm时,钢渣界面处钢液速度过小,附近钢液的质量和热量更新速度慢,从而导致其温度较低,不利于保护渣均匀熔化。综合考虑后,现场生产时结晶器浸入式水口插入深度确定为（120±5） mm,显著提高了不锈钢方坯质量。     

圆坯结晶器电磁搅拌过程三维流场与温度场数值模拟

建立了描述圆坯连铸结晶器电磁搅拌过程的三维数学模型．采用有限元和有限体积结合的方法求解Maxwell方程组和湍流Navier—Stokes方程,分析了结晶器电磁搅拌过程的磁场、流场、温度场和夹杂物轨迹特征,并考虑了励磁电磁强度和频率的影响．研究表明,磁场模拟结果与现场实测数据一致,电磁力在圆坯水平截面上呈周向分布．钢液在结晶器纵截面内形成两对回流区,且在水平截面内旋转流动;过热钢液滞留在结晶器上部区域,铸坯芯部温度迅速降低,凝固前沿温度梯度提高;大部分夹杂物积聚到结晶器上部区域旋转运动．励磁电流强度和频率对结晶器内钢液的流动、温度分布及夹杂物运动均有明显影响．     

Structural Optimization of Electromagnetic Swirling Flow in Nozzle of Slab Continuous Casting

During the slab continuous casting process, the flow field of molten steel in the mold plays a decisive role in the quality of the slab. In this paper, electromagnetic swirling flow in nozzle technology is proposed to control the flow field in mold.This technology can drive molten steel to rotate inside the submerged entry nozzle by electromagnetic force, thereby controlling the flow field. This research shows that it can reduce the impact of molten steel on the bottom of nozzle and partly reduce the negative pressure at the upper part of nozzle outlet which is even eliminated by optimizing the structure and angle of nozzle. The area of heat flux of the mold wall becomes larger, and the crest value of heat flux gets lower than that without swirling in nozzle and any nozzle optimization. The meniscus fluctuates smoothly, and the flow velocity at the top surface is within a reasonable range. The temperature field distribution in the mold is uniform which was beneficial to the growth of equiaxed crystal and decreased element segregation.     

电磁旋流水口连铸技术研究进展

电磁旋流水口技术作为一种全新的结晶器控流技术,其应用情况逐渐被各钢铁企业关注。围绕近几年来电磁旋流水口技术的研究成果,总结和分析了此技术对结晶器内流场和温度分布的影响规律、可供选择的设备结构以及在工业应用中的冶金效果3个方面。电磁旋流水口技术对连铸坯质量的提升效果与结晶器电磁搅拌相当。与结晶器电磁搅拌协同作用后,可进一步细化连铸方、圆坯的凝固组织,减轻宏观偏析缺陷。各钢铁企业可根据实际现场情况,选择不同结构的电磁旋流装置,并配合优化后的水口结构,以满足生产不同钢种连铸坯的质量要求。     

方坯连铸结晶器内表面流速与卷渣行为模拟

针对中小断面方坯侧分水口浇铸技术,以实际180 mm×240 mm断面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,比较了直通型和侧分旋流型水口浇注时在不同拉速和浸入深度下的结晶器内自由表面流速和渣层状态。结果表明：相同的浸入深度和拉速下,旋流型水口浇注时结晶器内各测点表面流速比直通型水口大;在实验条件下,直通型水口表面流速为0.010～0.023 m/s,旋流型水口为0.010～0.055 m/s,拉速和浸入深度对旋流型水口表面流速的影响较直通型水口显著;此外,采用旋流水口时结晶器的渣层波动要比采用直通型水口时频繁,拉速1.0 m/min、浸入深度120 mm时,其渣层波动适宜,钢渣界面活跃且无卷渣和裸钢现象发生,此时两测点的表面流速分别为0.028和0.032 m/s,是较适宜的工艺条件。     

直通型水口浸入深度对220 mm×260 mm方坯结晶器流场影响

结晶器内钢液流动状态会直接影响铸坯的质量,不合理的流场会导致液面流速过大,弯月面波动过大,造成卷渣。采用几何相似1：1水模型和Fluent流体力学软件研究了220 mm×260 mm方坯结晶器直通型水口浇注下,不同浸入深度对结晶器液面波动、表面流速、流场分布、冲击深度、保护渣覆盖的影响。结果表明：直通型水口流股集中,冲击深度较大,液面波动均匀,波动受浸入深度和拉速的影响较小。保护渣渣层覆盖良好,渣层均匀,出现卷渣的可能性较小。综合考虑冲击深度,保护渣活跃程度,结晶器电磁搅拌的影响,现场合适的浸入深度为80～100 mm。     

Influence of Joint EMSFN and M-EMS on Fluid Flow in the Mold During Continuous Casting

Homogenization of physical properties and the chemical composition through the control of liquid metal flow is essential during the continuous casting production of billets. This work was aimed at obtaining improved finished products via continuous casting that implements two magnetic fields. These fields were realized via two electromagnetic stirring processes implemented in a single process: one in the nozzle and one in the mold. The qualitative effects of applying double electromagnetic stirring (EMS) were verified through numerical simulation of 178 mm?×?178 mm square billets exposed to double electromagnetic fields during the continuous casting process. The accuracy of the numerical calculations was verified via physical experiments. In addition, the final simulation results were compared with the intermediate results, to determine the true effects of different EMS on the metal flow in the mold. The results revealed that casting using EMS with different directions of magnetic field in the mold and the nozzle has the best effect on the distribution of the fluid flow and minimal influence on the stability of the meniscus and yields the minimum metal-jet penetration into the mold.     

方坯软接触电磁连铸初始凝固区高频磁场的分布

通过实验检测和数值模拟方法研究结晶器切缝形式，弯月面位置以及感应线圈匝数等因素对坯软民磁连铸结晶器内高频磁场分布的影响，分析结果表明，采用通体切缝形式的结晶器具有比封闭切缝形式结晶器更好的透磁性，增加感应线圈匝数时，可增大高频磁场在铸坯初始凝固区的有效范围，当液态金属弯月面位于感应线圈上沿附近时，高频磁场地初始凝固区的有效作用范围较大，电磁压力分布的不均匀程度较大，有助于获得高表面质量的铸坯，通过拉坯实验获得了表面质量得到明显改善的Sn-10Pb合金铸坯。     

电磁旋流水口对圆坯结晶器液面波动的控制

在大圆连铸坯生产过程中,过强的结晶器电磁搅拌会造成结晶器液面波动,影响连铸坯的表面和内部质量。将电磁旋流水口技术与结晶器电磁搅拌配合使用,通过调整电磁旋流装置的搅拌方向和电流强度来弱化结晶器电磁搅拌引起的二次流,从而使结晶器液面波动控制在一个较小的范围内。结果显示,当两个电磁装置的搅拌方向相反,电流强度为400 A时,大于±2 mm的液面波动比例由单用结晶器电磁搅拌时的0.62%降至0.13%,在±1 mm～±2 mm范围内的液面波动比例由单用结晶器电磁搅拌时的5.90%降至3.56%。当搅拌方向相同时,对大于±2 mm的液面波动的控制效果不佳。因此,使用与结晶器电磁搅拌方向相反的水口旋流可实现对结晶器液面波动的有效控制。