四流中间包钢液流动行为的数学物理模拟

中间包内流体流动状态对铸坯质量的优劣起着至关重要的作用。采用合理的控流装置可以优化钢液在中间包内的流动特征,本文通过实验室物理模拟实验与数值计算相结合的方法,分析比较了两种导流隔墙对四流连铸中间包内流体流动特征的影响。物理模拟和数学计算结果能够较好地吻合,结果表明：与直板挡墙中间包相比,V型导流隔墙的使用将中间包死区体积分率降低了45%,各出水口之间响应时间和峰值时间之间的标准差有所减小,均匀了各水口之间的流动状态。     

Numerical and Physical Simulation of Flow Patterns in a Swirling Flow Tundish

Swirling flow tundish is a new kind of tundish which has shown good effects on flotation of inclusion and reduction of inclusion content. In this paper, studies have been carried out on the flow fields in a one‐strand slab tundish. A full scale model of the flow patterns in the water model tundish was developed using a self‐developed code. RTD curves under different experimental conditions were obtained from both physical and numerical simulations. The effects of the swirling flow chamber geometry and the flowrate on flow patters in the tundish were discussed and compared with results from the numerical simulation. Validation of the self‐developed codes was achieved by comparing the physical and numerical results of the RTD curves and the mean rotational velocities in swirling flow tundish. As a result, significant rotational flow in the swirling flow chamber and asymmetrical flow pattern in the whole tundish were confirmed and the effects of these parameters on dead zone and mean residence time were also obtained. Further and more comprehensive studies are needed to optimize the design and application of such tundishes.     

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。实验证明,计算机模拟的结果与水模实验结果基本相符,说明计算机模拟结果可以满足工程的需要。为优化设计中间包、减少卷渣的发生提供了有利的依据。     

中间包流场的数值模拟及其优化

基于有限元分析软件对中间包流场的数值模拟研究和优化结果表明,设置流动控制装置可明显改善钢水流动状况,有利于提高连铸坯质量。对比几种流动控制装置发现设置堰坝的效果更加明显,且堰坝间距750 mm、堰与注流口间距1350 mm时所得钢液净化效果最佳。     

Numerical Simulation for Effect of Inlet Cooling Rate on Fluid Flow and Temperature Distribution in Tundish

 The fluid flow in tundish is a non-isothermal process and the temperature variation of stream from teeming ladle dominates the fluid flow and thermal distribution in tundish. A numerical model was established to investigate the effect of inlet cooling rate on fluid flow and temperature distribution in tundish based on a FTSC (Flexible Thin Slab Casting) tundish. The inlet cooling rate varies from 0.5 to 0.25 ℃/min. Under the present calculation conditions, the following conclusions were made. When the stream temperature from teeming ladle drops seriously (for inlet cooling rate of 0.5 ℃/min), there is a “backward flow” at the coming end of casting. The horizontal flow along the free surface turns to flow along the bottom of tundish. The bottom flow shortens the fluid flow route in tundish and deteriorates the removal effect of nonmetallic inclusions from molten steel. Nevertheless, when the inlet cooling rate decreases to 0.25 ℃/min, the horizontal flow is sustained during the whole casting period. The present research provides theoretical directions for temperature control in teeming ladle and continuous casting tundish during production of advanced steels.     

中间包连浇过程非稳态流场与温度场的数值模拟研究

通过计算得出在浇注过程中连铸中间包包壁瞬态热量损失作为边界条件的基础上,建立了连铸中间包内钢液流动与传热耦合数学模型,对连浇过程中中间包内非稳态的温度场和流场进行了数值模拟,考察了中间包连浇5个包次过程中钢液热量损失、温度分布以及流场情况,为现场操作和工艺优化提供依据和指导。     

三流非对称连铸18 t中间包流场的物理和数学模拟

以西宁特钢三流非对称250 mm×280 mm方坯连铸18 t中间包为研究原型,应用1:2.2比例水模型试验和数学模拟相结合的方法研究3种控流装置对中间包流场的影响,得出一种优化的新型挡墙结构。结果表明,原型中间包3个水口间的平均停留时间和滞止时间相差较大,对各注流之间的均匀控制带来不利影响;使用新型的U形挡墙后,中间包内死区比例降低了36.67%,3个水口的平均停留时间标准差减小,有利于各流之间的均匀化控制。     

三流中间包流场的物理模拟试验

以莱钢特殊钢厂三流中间包为研究对象做水模拟试验,通过RTD曲线分析和流场观察,结合生产实际及应用的方便、可行性等因素,通过设置、改进挡渣墙、湍流抑制器以及各种挡渣墙与湍流抑制器的组合,试验设计了29组方案。结果表明,原型中间包的内部结构不合理,中间包流场存在严重的短路流、死区比例过大、各流滞止时间差大及夹杂物上浮困难等问题;1型挡渣墙+10°+垫底+4号湍流抑制器方案的中间包内流场结构比较合理。     

Numerical Simulation on Optimization of CSP Tundish Flow Field

Original scheme and optimizing scheme of WISCO CSP tundish have been simulated by software FLUENT. Flow field and temperature field of different schemes have been analyzed. The results which have been proved by hydraulic model experiments are the same with that of numerical simulation. It shows that the dead volume Vd of optimizing scheme decreases to 11.37%, reduced by 67.8% compared with the original scheme. The average residence time Ta of optimizing scheme increases to 639.2s, increased by 172.5s compared with the original scheme. The optimized scheme favors homogenous temperature distribution, more reasonable flow field and inclusions removing in the tundish. It is more adaptive to CSP plant of WISCO compared with the original scheme.     

中间包控流装置优化的数值模拟及生产应用

以钢液停留时间分布曲线(RTD曲线)为评判标准,利用数学模拟方法,对某钢厂中间包控流装置进行优化设计。结果表明:将原型中间包的挡墙和挡坝间距增大,可以延长钢液平均停留时间,活塞区比例提高了17.15%,死区比例降低了2.2%。目前优化后的包型在现场稳定应用,以管线钢为例,夹杂物合格率提高了5%以上,明显提高了中间包的冶金功能。铸坯大样电解结果表明,优化后的中间包利于夹杂物的上浮去除,夹杂物总量平均为原包型的41.75%。     

五流大方坯中间包控流装置优化的数值和物理模拟

针对280 mm×350 mm五流连铸35 t中间包第3流铸坯质量探伤不合格率较高的问题,采用数值模拟和几何相似比1:3水模型模拟,研究了控流装置对中间包钢液流动特性的影响,优化中间包流场。结果表明,原型中间包控流装置结构不合理,各流一致性差,尤其第3流短路流明显;采用中墙开两孔的2~#挡墙+圆形加檐的B型湍流控制器后,各流一致性明显改善,第3流短路流消除,其平均停留时间延长了242.1 s,同时中间包活塞区体积增加了5.7%,死区体积减小了1.1%,冲击区钢液流动平稳。     

方圆坯六流中间包控流装置的数值模拟与现场试验

基于数值模拟方法,对方圆坯弧形六流中间包在采用不同控流装置下进行模拟研究。数值模拟结果表明安装有导流孔V型挡墙+湍流器+挡坝控流装置的中间包更能有效地减少作用于弧形壁面的切应力、优化中间包流场、均匀温度分布、促使夹杂物去除。现场应用结果表明,采用所推荐控流装置的中间包,其相邻流温度均匀,温差均小于5 K,且最大平均温差仅为2.7 K;37Mn2平均总氧量T[O]为17×10-6;铸坯中氧化物夹杂物控制在50μm以下。     

六流方坯中间包内流场的数值模拟及优化

以唐钢150mm×150mm铸坯6流T型中间包为研究对象,用商业软件ANSYS对中间包内钢液流场进行了三维数值模拟与优化,研究了中间包内钢液的流动特征和设置导流挡墙后中间包内钢液的流动方式。结果表明,设置合理的挡墙和导流孔可以有效改善中间包冶金效果;3个导流孔直径(mm)分别为93、72、36,位置(mm)为(220,140)、(350,280)、(700,300),倾斜角度为(21°,15°)、(8°,23°)、(10°,28°)时中间包流场最为合理。     

小方坯连铸中间包流场温度场的数值模拟研究

采用湍流理论,建立中间包温度场的数学模型,计算获得了昆钢7^#小方坯连铸中间包耦合的流场及温度场,并研究了中间包在设置挡墙前后钢液流动及传热行为的变化。流场计算表明,使用合适的挡墙,钢液在中间包的停留时间变长,各水口处钢液的流动模式趋于一致;温度计算表明,设置挡墙后,各流钢液温度差异明显缩小。     

立式板坯连铸机结晶器内流场的数值物理模拟

采用1:1的水模型研究了200 mm×1:300 mm立式板坯连铸结晶器内流场和在水口浸入深度115mm、拉坯速度0.55 m/min时水口结构参数(侧孔尺寸40 mm×40 mm～40 mm×80 mm,侧孔角度+15。～一15。)对液面波动的影响,基于流体力学计算,利用Fluent软件和采用κ-ε双方程高雷诺数湍流模型对板坯结晶器内的流场进行了三维数值模拟。结果表明,数值模拟结果与物理模拟结果较吻合;水口结构参数对液面湍动能的影响较明显;在1~#～4~#水口中,2~#水口(40 mm×40 mm,+15°,向下,倒Y形底部)的使用性能相对较好;流股的冲击速度越浅,自由液面湍动能越大。     

中间包数值物理模拟优化及冶金效果

通过建立1：3的水模型试验,对某钢厂的中间包进行挡墙优化及气幕挡墙试验,运用fluent6．3软件,对水模型试验结果进行数值模拟计算。挡墙优化后中间包采用方形有檐湍流控制器,下挡墙高400mm,距离冲击区的距离为2295mm。气幕代替下挡墙试验,得出较优的吹气量为1．5m^3／h,吹气位置应距离冲击区2295mm。进行...     

单流厚板坯中间包物理模拟研究和应用

为得到更加合理的50 t中间包控流装置,通过建立几何相似比1∶4的单流中间包水模型,采用物理模拟试验,研究了不同流量(1.09、1.24 m3/h)、长水口插入深度(25、50、75 mm)、挡坝高度(90、135 mm)以及长水口和堰距离(190、390 mm)等参数对中间包流场的影响.模拟结果表明,当响应时间更小时...     

中间包底吹氩行为的数值模拟

 根据某钢厂连铸中间包的实际操作参数,采用欧拉两相流模型,气体入口边界条件按照多孔介质进行处理,利用CFX软件模拟计算了底吹氩中间包内钢液的流场。结果表明:底吹氩气技术代替上挡墙或下挡墙2种情况下,注入区钢液混合加剧,有利于夹杂物碰撞长大。浇注区靠近液面处速度提高易引起卷渣。当采用湍流控制器、上挡墙、下挡墙、底吹氩技术时,吹氩位置对钢液流动的影响较大,当在湍流控制器和上挡墙之间吹入气体时,钢液的流动特性有利于夹杂物的上浮去除。     

气幕挡墙中间包钢水流动的数值模拟

根据二流连铸1500mm×250mm板坯时中间包的操作工艺参数,采用欧拉两流体模型,多孔介 质模型和拉格朗日随机轨道模型,模拟计算了采用湍流控制器和气幕挡墙技术的中间包内钢液流动特性和 夹杂物的运动轨迹,并用Monte-Carlo法统计了夹杂物的总去除率。模拟结果表明,采用中间包气幕挡墙技术 可以有效改善钢液的流动特性,延长钢液停留时间,减小死区体积;当吹气量为0.90m³/h时,夹杂物去除率比 不吹气工艺增加15.6%     

18 t三流非对称中间包流场数值模拟

针对三流非对称中间包,运用ANSYS Fluent软件对其控流方案进行模拟,比较不同方案下钢液的流场、温度分布和停留时间分布（RTD）特征。模拟结果显示:原方案中有明显的短路流出现,各个水口钢液的流动一致性差,3个水口的实际停留时间分别为459.44 s、519.43 s和636. 94 s,并且温度最大温差为7 K,死区比例为23.9%;最佳优化方案减少了短路流,钢液流动一致性提高,3个水口的实际停留时间分别为517.13 s、532.66 s和502. 12 s,死区比例降低到19. 8%,最大温差降低到2. 5 K,流动一致性良好,钢液流动更合理。工业试验以316L钢种为研究对象,中间包T[O]由49×10^-6降至40×10^-6,降幅为18. 4%,铸坯T[O]由34×10^-6降至28×10^-6,降幅为17. 7%,洁净度改善较为明显;中间包夹杂物数量密度由7. 2个/mm²降至4. 7个/mm²,铸坯由5.4个/mm²降至3. 5个/mm²,夹杂物数量降低。