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．     

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。     

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。     

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。     

板坯连铸结晶器保护渣卷渣及其影响因素的研究

对板坯连铸结晶器保护渣卷渣进行的水力学模拟研究结果表明,主要有三种类型的卷渣,即窄边附近的剪切卷渣、浸入式水口附近的旋涡卷渣和水口吹入的氩气泡上浮冲击钢渣界面引起的卷渣.拉速增加、减少浸入式水口浸入深度、减小水口出口倾角和增加吹入的Ar流量均会加大表面流速和液面波动,增大结晶器内卷渣的倾向,而其中拉速增加对卷渣的影响最大.当结晶器宽度为1 900 mm、采用1.4 m/min的拉速时,选择向下25°的水口出口角度、250 mm的水口浸入深度和10 L/min的Ar流量可将板坯结晶器内流场的表面流速和液面波动控制在合理的范围内,从而减小和避免结晶器内卷渣.     

薄板坯连铸漏斗形结晶器内卷渣行为物理模拟

针对高拉速下薄板坯连铸结晶器内的液面卷渣问题，建立了1∶1水力学模型，采用水/真空泵油模拟钢/保护渣介质，研究了连铸拉速、水口插入深度、保护渣黏度对漏斗形结晶器内液渣层变化及卷渣行为的影响。结果表明，随着拉速提高，结晶器内液面波高升高，液面高度自窄边向水口方向逐渐降低，液渣层厚度相应由薄变厚，导致结晶器窄边附近钢液裸露；结晶器内窄边至水口之间1/2处波高变化较大、液面流速最大、易发生剪切卷渣。在试验条件下，采用增加水口插入深度、降低最高拉速、适当提高保护渣黏度等方法，使液面速度小于0.486 m/s的临界流速、液面波动指数F数小于5.45,可防止结晶器内产生剪切卷渣。然而，这些手段不能避免结晶器内水口附近的旋涡卷渣，这是因为薄板坯连铸钢通量大以及漏斗形结晶器和鸭嘴形水口容易形成负压旋涡造成的。     

MCCR产线110 mm薄板坯结晶器流场的数值模拟

首钢京唐MCCR产线是国内第一条多模式连铸连轧产线,薄板坯高拉速连铸是实现无头轧制模式的基础,结晶器内流场控制是决定薄板坯高拉速连铸的关键。采用VOF两相流模型研究薄板坯连铸结晶器内流场特点,采用插钉法测量实际生产过程结晶器弯月面流速,并与对应工况条件下模拟结果进行对比校验了模型准确性。通过薄板坯连铸结晶器内流场的数值模拟仿真,获得了薄板坯高拉速条件下结晶器内钢液的流动特征。研究了连铸拉速、2种浸入式水口结构等因素对弯月面流速以及波高差的影响。结果表明:随着通钢量由3.4 t/min增加至8.2 t/min,采用四孔水口时,结晶器弯月面钢液流速由0.02 m/s增加至0.30 m/s,结晶器钢液面波高差由2.0 mm增加至7.2 mm;采用五孔水口时,结晶器钢液面波高差由0.25 m/s增加至0.5 m/s,结晶器钢液面波高差由2.6 mm增加至17.0 mm。高通钢量条件下(5.5～8.2 t/min),采用四孔水口更加有利于控制液面波动稳定性。     

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%。     

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。     

非稳态浇铸对结晶器卷渣定量影响的大涡模拟

 基于实际板坯连铸结晶器建立了耦合大涡模拟(LES)湍流模型和VOF多相流模型的三维数值模拟模型,讨论了不同结晶器浸入水口(SEN)结瘤程度和SEN未对中分布对结晶器内瞬态多相流场及卷渣行为的影响。通过用户自定义程序成功实现了不同工况下结晶器内卷入渣滴数量、大小、空间分布等信息的定量化预测,并得到了弯月面不同位置处发生卷渣的概率分布。结果表明,水口顺时针旋转5°的未对中分布下由于钢液射流更多地撞击宽面,导致弯月面近窄面处液位分布有轻微降低,液位波动也从理想状态下的±(6~7) mm降低至±5 mm以内。SEN结瘤对弯月面液位波动有较大影响,SEN左侧完全堵塞、右侧未堵塞情况下液位波动增大至±11 mm左右,而SEN左侧堵塞2/3且右侧堵塞1/3情况下弯月面液位波动则增大至±15 mm左右。理想工况下净卷渣速率为0.0130 kg/s,卷渣主要发生在弯月面四周以及流股碰撞处。SEN未对中布置工况下净卷渣速率轻微降低至0.009 3 kg/s,但宽面附近卷渣概率明显增大。SEN左侧完全堵塞且右侧未堵塞和SEN左侧堵塞2/3且右侧堵塞1/3情况下净卷渣速率则分别增大至0.045 5 kg/s和0.0670 kg/s;卷渣主要由过大的钢液流速对弯月面的剪切作用造成,且主要位于水口至1/4结晶器宽度的范围内。水口结瘤后不对称流动造成的旋涡增加,由此引起的卷渣也相应增加。     

浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响

以国内某钢厂220 mm×1800 mm板坯连铸结晶器为原型,根据相似性原理建立相似比为0.6的水模型,利用粒子图像测速技术(PIV)对比不同浸入式水口(SEN)的出口角度、浸入深度及水口底部结构条件下的结晶器内流场流速特征,同时使用波高仪对液面波动振幅进行实时监测,并结合F数分析各SEN条件对结晶器内钢液流动特征.研究发现,在各浸入式水口条件下,位于结晶器液面1/4宽面处附近出现矢量流速向下的剪切流,同时在水口附近发现不规则漩涡.试验结果表明:浸入式水口的出口角度、浸入深度的增加能够强化上回旋区缓冲作用,降低结晶器液面表面流速;尽管凹底结构SEN能减弱钢液湍动能,但其对1/4宽面处剪切流速度的影响不大.另外,液面波动幅度和F数变化规律一致,且当浸入式水口出口角度15°、20°,浸入深度135 mm、145 mm条件下波幅与F数最为合理,从而减小或避免液面卷渣,提高连铸坯质量.      

MCCR产线110mm薄板坯结晶器流场的数值模拟

首钢京唐MCCR产线是国内第一条多模式连铸连轧产线,薄板坯高拉速连铸是实现无头轧制模式的基础,结晶器内流场控制是决定薄板坯高拉速连铸的关键.采用VOF两相流模型研究薄板坯连铸结晶器内流场特点,采用插钉法测量实际生产过程结晶器弯月面流速,并与对应工况条件下模拟结果进行对比校验了模型准确性.通过薄板坯连铸结晶器内流场的数值...     

采用薄板坯连铸生产高表面质量冷轧钢板的可行性分析

薄板坯连铸由于拉速高,结晶器容量小,结晶器钢水液面波动高度和表面流速显著高于传统连铸,因此容易造成保护渣卷渣,这是薄板坯连铸生产高表面质量冷轧钢板钢种的主要困难所在。NUCOR、蒂森一克鲁伯等企业采用薄板坯连铸连轧工艺生产冷轧钢板的实践也表明,在表面质量方面与传统工艺产品尚有较大的差距。采用薄板坯连铸工艺生产优质冷轧钢种,应适当增加铸坯厚度,以降低拉速和增加结晶器对钢水流的缓冲作用,可采用120mm厚铸坯(结晶器出口),3m／min左右拉速。为了减少结晶器保护渣卷渣,应对中等厚度薄板坯连铸结晶器内钢水流动控制(SEN结构参数、SEN浸入深度、拉速等)、电磁制动、保护渣等开展深入的试验研究。     

水口底部形状对高拉速板坯连铸结晶器液面特征的影响

采用1:1的水模型和工业试验研究了水口底部形状（凹底、平底和凸底）和凹底水口井深（井深分别为0、10和20 mm）对结晶器流场与自由液面特征的影响.在拉速为1.8 m·;min-1时,凹底水口和平底水口下结晶器内流场的对称性要优于凸底水口.三种水口条件下结晶器液面的表面流速变化规律为凸底水口>平底水口>凹底水口.对比不同井深凹底水口的液面特征发现:井深为10 mm的凹底水口可以有效降低结晶器的液面波动与表面流速,防止卷渣的发生.工业试验对比了凹底与凸底水口在实际生产中的使用效果,发现凸底水口下的液面波动显著大于凹底水口.凸底水口下结晶器液面波动变化的功率（频率为0.003~0.05 Hz）比凹底水口大约10倍,这与水模型的结果吻合较好.      

薄板坯连铸结晶器内流动传热行为的研究

基于珠钢CSP薄板坯连铸机设备工艺条件和所采用扁平浸入式水口结构,结合铜板测温导出的热流密度分布进行了漏斗形结晶器内钢水流动、自由液面以及传热凝固等冶金现象的综合描述和数值分析.结晶器熔池中以两个上旋涡为主的钢水循环流动局限在漏斗形结晶器内,上旋涡流股冲击和离开熔池液面分别对液面起伏波动有所贡献,弯月面下距窄边100 mm范围内有二次涡形成.除水口下方两侧存在两个具有明显过热的高温区外,熔池中绝大部分钢水的温度在液相线附近保持恒定,铸坯表面温度分布和坯壳发育过程均反映出水口高温射流的影响,铸坯表面最高温区位于熔池液面下方靠近结晶器窄边的地方.     

浸入式水口结构对409 L钢连铸坯表面“卷渣”的影响

基于太钢409 L钢连铸生产工艺及板坯连铸机工艺参数,采用水模型实验和工业试验相结合方式研究了浸入式水口结构对结晶器内钢水流动行为及其对连铸坯[200 mm×(1 060～1 240 mm)]表面"卷渣"的影响。结果表明:使用原浸入式水口(侧孔48 mm×70 mm,和上倾15°)结晶器内钢液流场不稳定,对应连铸坯表面存在严重"卷渣"缺陷;在不改变水口结构条件下,上倾5°和上倾10°水口均无法解决连铸坯表面"卷渣";32 mm×52 mm小侧孔水口能有效解决小断面[200 mm×(900～1100 mm)]或低拉速(0.7～0.9 m/min)时409 L钢表面"卷渣";Φ60 mm内径水口对应结晶器中心平均波高在3.5～4.5mm,连铸坯表面"卷渣"缺陷由原来的36.5%降低至0.8%,该型水口不仅能适用现有断面[200 mm×(900～1320 mm)]及拉速(0.7～1.1 m/min)要求,还能提升连铸坯实物质量。     

Numerical Analysis of Fluctuation Behavior of Steel/Slag Interface in Continuous Casting Mold with Static Magnetic Field

Utilizing ANSYS CFX commercial software and volume fraction of fluid （VOF） model, fluctuation behav- ior of steel/slag interface was numerically simulated in continuous casting mold with static magnetic field, and the influence of metal jet characteristics on the behavior of steel/slag interface was investigated. The results indicated that the behavior of steel/slag interface is similar at different process parameters, which is closely related to the characteristic of the flow field. The steel/slag interface has an obvious trough characteristic, which can be divided in- to three zones： frontal valley zone, back valley zone and horizontal zone~ as the magnetic flux density increases, the fluctuation of liquid level increases firstly and then decreases, and a reasonable magnetic flux density can make steel/ slag interface obtain a relatively flat interface, which can prevent slag from being entrapped into liquid steel. For a thin slab continuous casting process, when the casting speed is 4 m/min, a reasonable magnetic flux density is about 0.5 T, and the interfacial fluctuation is weaker. No matter the position of magnetic field is horizontal or vertical, for different operating parameters, there is a corresponding reasonable magnetic field position where the steel/slag inter- face fluctuation can be properly controlled and slag entrapment can be prevented.     

Three-dimensional FEM study of fluid flow in mould for beam blank continuous casting: influence of nozzle structure and parameters on fluid flow

Abstract

The aim of this work was to analyse the influence of the nozzle structure and parameters on the molten steel flow in beam blank continuous casting. A three-dimensional steady state finite element model was developed to compute the flow field and the meniscus fluctuation in the mould. The volume of fluid model was used to track the free surface evolution at the meniscus. It can be concluded that compared with a through conduit submerged entry nozzle (SEN), a three lateral hole SEN will reduce the impact depth, change greatly the velocity at the free surface and intensify the fluctuation of the free surface. As a whole, the fluid flow in the mould will be improved, which will help to melt the mould powder and improve the absorption of non-metallic inclusions, thus improving steel cleanness. The most rational rake angle for the three lateral hole SEN is 9°. Meanwhile, the SEN immersion depth should be in the range 200–250 mm if the casting speed is about 0·9–1·1 m min^?1.     

Effect of EMBr on Flow in Slab Continuous Casting Mold and Evaluation Using Nail Dipping Measurement

The nail dipping method was developed to investigate the effect of electromagnetic brake on the mold top surface flow in a certain slab caster with different casting speed and submerged entry nozzle (SEN) depth. The shape of the meniscus profile and direction of flow were quantified by analyzing the angular profile of the lump for each solidified nail, and the error evaluation for the nail dipping measurement was also determined. The results show that the meniscus level fluctuates with time variation; the electromagnetic force suppresses the high‐speed flow and decreases the meniscus flow velocity, which makes the meniscus level flatter and slower. A stronger meniscus velocity and fluctuation were created by increasing casting speed and decreasing the SEN depth. Furthermore, the effect of magnetic field on the fluid flow in the mold has been investigated.