连铸板坯中间包内控流装置优化的水模型研究

根据国内某钢厂单流板坯连铸中间包工艺及设备条件,本文利用1∶2水模型研究了挡墙、挡坝位置、挡坝高度以及导流孔倾角对中间包内钢液流动行为的影响。实验结果表明:增大挡墙、挡坝间距,挡坝对钢液流股的抬升作用减弱,挡墙与挡坝间距较小,挡坝高度较高时,挡坝对钢液流股的抬升作用较强,较强的流股抬升作用不利于形成有效的表面流;增大挡墙、挡坝与浸入式水口的距离,中间包内钢液平均停留时间先减小、后增大、再减小,出现峰值现象;增大挡坝导流孔倾角有利于延长钢液在中间包内的停留时间;获得的最优控流装置参数是:挡墙、挡坝间距为450 mm,挡坝距中间包浸入式水口中心距离为1 160 mm,挡坝高度280 mm,挡坝导流孔倾角30°,对应的中间包内模拟钢液平均停留时间为6.23 min,实际的钢液停留时间为8.81min。     

高等级汽车板中间包冶金技术

高端汽车外板在后续轧制或冲压过程中发生夹杂缺陷的比例较高,为了进一步提高中间包冶金的效果,研究了中间包开孔挡墙对正常浇铸过程中夹杂物去除的影响。为了保证钢液洁净度一致,在中间包内一侧采用了不带孔的挡墙,另一侧采用了开孔型挡墙,浇铸过程中同时取中间包钢水及铸坯试样,并采用Aspex夹杂物自动扫描电镜进行分析。结果表明,正常浇铸时无孔挡坝有利于夹杂物在中间包内的上浮去除,有孔挡坝中间包内钢液流场存在短路流,钢液在中间包内停留时间短,夹杂物来不及上浮,随钢液进入到结晶器和铸坯中。因此,采用无孔挡坝中间包浇铸的钢液洁净度优于开孔挡坝中间包浇铸的钢液。     

堰坝组合对中间包内钢液流动模式的影响

根据某钢厂实际连铸中间包的操作工艺参数,采用数值模拟的手段研究了中间包内钢液的流动模式,通过模拟中间包内钢液瞬态流动,来获取RTD-C曲线,进而计算关键参数值(活塞区体积分数、死区体积分数等)。运用正交试验设计分析了影响中间包内钢液流动的几种因素。合理的堰坝组合能够改善中间包内钢液流动状况,促进夹杂物上浮,降低死区体积分数。试验研究结果表明,控流装置的应用能很好地改善中间包内钢液流动;其中9号堰坝组合方案的中间包内钢液流动模式较合理,死区体积分数明显下降,钢液混合更为均匀。     

板坯电磁加热中间包钢液流动特性和结构优化

电磁加热中间包技术能有效补偿浇注钢液温降,实现恒温和低温浇注。为使电磁加热中间包技术能合理应用于双流板坯连铸,建立了相应的数学模型,研究了感应加热技术对中间包内流动和温度特性的影响。考察了挡墙-挡坝和通道角度等因素对钢液温度场和流动行为的影响。结果表明,通道式感应加热技术不能直接应用于双流板坯连铸,有必要优化中间包结构。电磁加热能显著提高中间包分配室内的钢液温度,但会产生短路流。挡墙-挡坝可有效减少短路流和均匀钢液温度。挡墙-挡坝与水口出口距离为0.5 m时,钢液流动状态较好,温度分布较均匀;增大通道展开角度不适用于双流板坯感应加热中间包。合理的加热功率模式可将浇注温度波动控制在5 K以内。     

五流L型连铸中间包结构优化的数值模拟

针对某钢厂十机十流连铸机中的一个中间包进行流场优化研究,进行了包括空包方案在内的7种方案的数值模拟。结果表明:未设置中间包控流装置时,钢液流动状况和一致性非常差,死区体积比例偏大。在中间包内添加湍流抑制器、挡墙和挡坝均可以明显改善钢液流动。此外,湍流抑制器+3孔(上一个倾角25°,下两个倾角30°)D1d挡墙+D2挡墙+挡坝B为最佳控流方案,使中间包五流钢液平均停留时间最大差值降为174.2 s,整体平均停留时间增加202.9 s,死区体积比例减小到20.6%。     

中间包双板多孔挡墙流行控制去除夹杂物效果的模拟研究

为净化钢液、提高夹杂物在中间包内的上浮率,提出一种新型中间包挡墙流动控制形式－双板多孔挡墙流动控制。通过数值模拟方法结合水模型实验,对中间包内流体流动及夹杂物的传输行为进行了分析研究。结果表明,采用多孔挡墙流动控制可以有效地改变中间包内流场分布,促进夹杂物上浮,提高钢水清洁度。     

6流中间包流场的数值模拟优化

采用CFD软件FLUENT对6流中间包内的流场进行了数值模拟,分析了6流中间包内的流场特征,以及有无C型挡墙的加入,中间包内流场的变化情况。模拟结果表明,C型挡墙的加入使6流中间包各流的流动更加均匀,有利于钢液温度和成分的均匀;C型挡墙的加入使6流中间包近流的平均停留时间增加,利于夹杂物的上浮去除。     

小方坯连铸6流中间包结构优化水模型研究

针对小方坯连铸6流中间包,采用模型与原型1∶3的相似比,建立水模拟系统,对原型中间包内钢液的流场分布进行评估,并研究了不同多孔挡墙及湍流器对中间包内钢液流动特性的影响.结果表明,使用湍流器能显著降低钢液的湍流强度,减少对浇注区液面的冲刷.湍流器与改进多孔挡墙(Q)组合效果最佳,可以有效地改善中间包内流场分布,促进夹杂物上浮,提高钢水的洁净度.     

CSP连铸中间包流场数学模拟优化与实践

采用FLUENT商业CDF软件,以CSP连铸机中间包内钢液的流动行为为研究对象,模拟计算了控流装置的布置方式对中包内钢液流动行为和夹杂物运动轨迹的影响。结果表明,在没有安装挡坝只有挡墙的情况下,中包内存在较大短路流,现有的布置方式效果不理想,经过优化的控流装置布置方式能够得到较合理的流场分布,利于夹杂物的上浮排除。经过实际生产过程的跟踪,优化后薄规格产品的夹杂缺陷有所降低。     

通道式感应加热中间包流场物理模拟研究

根据相似原理采用1:2水模型研究了断面为1300 mm×2.2 mm的薄带感应加热连铸中间包内钢液的流动特征。通过测定中间包在有无挡墙条件下,中间包出口处停留时间分布曲线,计算其平均停留时间,死区,活塞区和全混区的体积分数。结果表明,采用上下挡墙的组合方式能有效地改善感应加热中间包内的流场。距离通道出口处380 mm设置高度为100 mm的挡墙,在通道上方设置高度为420 mm的挡墙后,使中间包内的死区体积分数由16.2%降低到5.4%,中间包内钢液的平均停留时间由797 s提高到900 s,短路流现象基本消除。     

板坯连铸异型中间包卷渣水模型实验研究

为改善连铸板坯质量,通过水力学模拟研究了中间包内钢液的流动,并测量了在非稳定浇注条件下避免钢液卷渣的中间包内钢液的临界高度,确定了在中间包内设置抑湍器、坝和堰的混合控流方案。结果表明：中间包设置控流装置后,平均停留时间增加,有利于夹杂物的上浮;同时确定了中间包卷渣的临界高度。     

中间包钢液中夹杂物去除的物理模拟研究

建立了中间包1[∶]3水力学模型,对某厂连铸中间包由28 t扩容至40 t后,进行中间包结构优化。通过分析中间包挡墙、挡坝和覆盖剂作用,研究了中间包结构对夹杂物去除的影响规律。夹杂物去除物理模拟与计算结果均表明：粒子粒度分别为－30～－50、－50～－80、－80～－100、－100～－180和－180～－300目时,在中间包基本结构下,夹杂物去除率分别为97.9%、75.7%、64.0%、60.3%和56.3%,相比于中间包基本结构,挡坝内移1 cm对于各种尺寸的夹杂物的去除率均有提高,各尺寸夹杂物的去除率分别为98.7%、82.3%、66.6%、62.9%、57.4%;用混合油模拟中间包覆盖剂,各尺寸夹杂物的去除率分别为98.9%、87.43%、75.14%、70.0%、63.4%,中间包夹杂物的去除率进一步提高。实际生产过程中,中间包改造后,夹杂物尺寸变小,夹杂物数量明显减小,夹杂物的数量较中间包改造前减少了53%。     

单流板坯中间包挡坝结构优化的数值模拟

以某钢厂单流板坯中间包为基础,采用数值模拟的方法对中间包挡坝结构优化前后钢液流场及夹杂物去除效果进行了研究。结果表明,挡坝优化后部分钢液通过斜上导流孔流出,减弱了钢水沿挡坝向上流动对液面产生的冲击,也避免了其沿包底直接流出形成的短路流。30°导流孔条件下中间包钢液平均停留时间最长,死区最小,流动状态最合理。当导流孔角度进一步增加,钢液流出导流孔后快速汇入挡坝后方的大环流导致停留时间减少。30°导流孔结构的夹杂物去除率相比于原结构提高约11%。当导流孔角度进一步增大,夹杂物去除率下降,但都略优于原始挡坝结构。新导流孔结构工业应用后,各类夹杂物评级结果均显著提高。     

中间包流场控制技术的进展

合理控制中间包的流场有利于促进钢液中夹杂物上浮、均匀钢液成分和温度。水模型试验和数值模拟是两种主要的中间包流场研究方法,各有优缺点应相互补充。数值模拟成本低廉速度快,但受限于边界条件的不确定性和湍流模型的局限性难以完全真实反映中间包内的流场。水模型试验能够较为准确地模拟中间包内流场,但无法准确模拟温度场、水口结瘤、覆盖剂和吹气等对中间包流场的影响。研究表明,湍流控制器对降低长水口钢液射流的湍动能、均匀钢液温度和成分、聚拢射流让其转向向上流动降低死区体积分数、延长平均停留时间和优化流场结构具有很好的作用。湍流控制器、堰、坝和导流挡墙合理组合,协同发挥的控流效果,优于单一控流装置的效果。合理调节堰与包底距离、挡坝高度、堰与挡坝距离、堰与出流口距离、挡坝开孔的个数、尺寸和角度,可以优化中间包流场,促进夹杂物去除。气幕挡墙对钢液进行气洗可以提高钢液洁净度。环形气幕挡墙解决了条形气幕挡墙夹杂物去除率低、且不稳定的问题,提高了夹杂物去除率。最后,中间包流场数学模型精细化,并考虑连铸过程中更多工艺与边界条件的影响是未来发展的趋势。对于中间包流场研究的特定问题,针对性设定优化指标,会使得优化研究工作事半功倍。水模型试验作为中间包控流技术的另一种重要研究手段,同样越趋精确化,不断有研究者以提高试验精度为目的在试验方法和测量原理上进行探索和创新。     

不锈钢连铸中间包内夹杂物去除行为数值模拟

针对中间包连铸过程中夹杂物的存在易导致铸坯出现质量缺陷的问题,以不锈钢连铸中间包为研究对象,通过数值模拟方法研究了控流装置、夹杂物密度以及夹杂物尺寸等参数对中间包内夹杂物去除行为的影响规律。研究结果表明,在设置堰坝和湍流控制器中间包内,密度为2 700 kg/m3,粒径为5 μm的夹杂物去除率为63.32%,而150 μm的大尺寸夹杂物去除率可达到89.04%。当夹杂物粒径为10~50 μm,密度为2 700~4 500 kg/m3时,夹杂物密度对夹杂物去除率影响较小。无控流装置中间包时,夹杂物在顶渣层呈以中心纵截面对称的分布;设置堰坝中间包时,挡渣堰坝两侧出现了70 μm以上夹杂物密集区;设置堰坝组合湍流控制器中间包时,夹杂物主要被限制在中间包第一腔室自由液面,研究结果对于进一步发挥不锈钢连铸过程中的中间包冶金功能具有指导意义。     

中间包自由表面的数值模拟与物理模拟

应用计算机数值模拟研究了坝高、堰深、坝堰间距以及液面高度对中间包自由表面的影响,并通过水力学模拟验证数值计算结果的正确性,从而为优化设计中间包、减少卷渣的发生提供了有利的依据。     

控流装置对中间包流场影响的水模型研究

以相似原理为基础,建立1[∶]3的水模型,对某钢厂二流板坯连铸中间包进行研究。对挡坝孔大小及位置优化试验表明,随孔径的增加,平均停留时间先增加,后减小,孔径为90～120 mm左右时,平均停留时间最长;孔高和孔底与挡坝底部距离共同影响钢液在中间包内的平均停留时间和死区比例,总体来讲孔高较小对改善流场更有利,在挡坝的基础上添加小挡坝并不能有效延长钢液在中间包停留时间,但较高的小挡坝能有效增加钢液的滞止时间;优化后中包较原型中间包平均停留时间增加40 s,死区体积由原来的19.5%下降至9.0%。     

连铸单流中间包钢液非稳态流动行为物理模拟

针对非稳态换包过程对钢水洁净度显著恶化问题,基于相似原理,构建了相似比为1∶2的中间包物理模型,对单流中间内钢液非稳态流动行为进行了系统研究。研究结果表明,稳态条件下通过设置尺寸合理的堰坝和湍流控制器可以有效改善中间包内流体的流动状态。非稳态条件下,当钢包换包结束,中间包液位回升过程中,钢液平均停留时间随液位的上升而延长,最长可达497s;死区体积分率随液位回升而逐渐减小,最小降至23.91%。换包过程中液位的降低和回升伴随着流动状态的剧烈波动,最终恶化了非金属夹杂物上浮去除行为。