漏斗形结晶器液面流场物理试验与数值模拟分析

当FTSC薄板坯连铸机生产拉速提高到4～6 m/min时,浸入式水口通钢量增加,结晶器内流场扰动加剧,卷渣率提高,对生产顺行及铸坯质量都将产生重大影响。因此,为了解结晶器液面流场,根据实际生产情况,制作了1∶1的结晶器水物理模型,并通过Fluent软件对结晶器液面流场进行了数值模拟,研究了水口浸入深度及拉速对液面流场的影响。结果表明,在水模型物理试验中,水口浸入深度恒定为130 mm时,拉速在4～6 m/min范围内,结晶器表面流速随着拉速的提高而增大,其最大值范围为0.401～0.693 m/s;在6 m/min恒定拉速下,水口浸入深度在130～190 mm范围内,结晶器表面流速随着水口浸入深度的增加而减小,其最大值范围为0.503～0.690 m/s。在数值模拟中,水口浸入深度恒定为130 mm时,拉速在4～6 m/min范围内,结晶器表面流速随着拉速的提高而增大,其最大值范围为0.50～0.75 m/s;在6 m/min恒定拉速下,水口浸入深度在130～190 mm范围内,结晶器表面流速随着水口深入深度的增加而减小,其最大值范围为0.65～0.75 m/s。结晶器表面流速随着距水口中心距离的增大有先增加后减小的规律。     

连铸板坯结晶器流场的数值模拟

板坯结晶器液面流速对保护渣熔化、坯壳均匀性都有着较为重要的影响.使用瞬态数模模拟的方法对板坯结晶器内钢液流动进行研究,通过对比结晶器液面平均流速,评价了不同参数对结晶器流场的影响.结果 表明,水口倾角由20°将至10°时,表面流速平均值由0.192 m/s增加至0.211 m/s,表面流速提高,有利于保护渣的熔化和流场...     

水口结构对板坯结晶器液面流动行为的影响

针对不锈钢板坯轧材经常出现的夹渣和表面翘皮现象,以实际生产条件为背景,对其连铸结晶器内钢液流动行为与水口工艺的相关性进行了试验研究。基于相似原理建立了相似比0.65∶1的物理模型,对不同浸入式水口结构和浇注工艺参数下的结晶器液面状态进行了流体动力学行为评价与比较优化。其中,主要研究了拉速、浸入深度、水口倾孔倾角(4°、8°、15°)、侧孔形状(矩形、倒梯形)等对结晶器内液面波动和表面流速的影响。结果表明,连铸拉速和水口浸入深度对液面波动的影响比水口结构显著;水口上倾角由4°增大到8°、15°,结晶器表面流速有减小趋势,但因流股冲击深度减小,导致在结晶器弯月面处的波高增大。综合表明,针对实际连铸拉速1.10 m/min的需要,其适宜的水口结构为倒梯形水口侧孔、上倾8°,其在水口浸入深度110~120 mm范围内,液面平均波高为1.1~1.2 mm,平均表面流速约为0.103 m/s。同时用数值模拟方法比较了优化方案和原方案,同样表明优化方案液面较平稳,剪切卷渣概率较低。     

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。     

高拉速方坯连铸结晶器钢渣界面行为特征

对于高拉速连铸,结晶器内高通钢量下的钢液与保护渣流动行为控制是保证结晶器区合理凝固与冷却控制的重要一环。通过建立三维方坯连铸结晶器内多相流动、传热与凝固耦合数学模型,研究结晶器内高速钢液瞬态流动现象及其对液面波动与保护渣流动的影响。结果表明,结晶器内高速钢液冲击钢渣界面使弯月面处形成明显的凸起,同时导致水口附近界面波动剧烈。液态保护渣的流动行为受液面波动影响较大,不连续的保护渣流入造成了厚度不均匀的固态渣膜形成,不规整的固态渣膜转而又阻碍了液态保护渣的流入。     

板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动及流动行为的数值模拟

建立了板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动行为的三维数学模型,利用数值模拟方法研究了磁场与流场耦合作用下不同工艺参数和电磁参数对结晶器内钢/渣界面波动行为及流场的影响,通过VOF方法对不同条件下的钢/渣界面进行捕捉,讨论不同磁极位置、水口倾角、拉速及线圈电流强度对结晶器内钢/渣界面波动行为和流动的影响。模拟结果表明：电磁制动的施加可以显著降低钢/渣界面波高,减小射流对结晶器窄面的冲击。拉速和水口浸入深度恒定时,磁极位置和水口角度直接影响结晶器内流场形式：当[P＝]40 mm时,增加线圈电流可以降低结晶器内钢/渣界面波高和表面流速,从而减小由液面波动引发卷渣的概率;当磁极距离水口较远时[（P＝]80 mm）,随着线圈电流强度的增大,水口射流的冲击方向向上偏转,引起上回流的流动强度增强,导致钢/渣界面波高增加,增大卷渣发生的概率。     

板坯连铸结晶器电磁搅拌流场模拟

电磁搅拌对结晶器内流场和钢渣界面行为影响显著,通过建立1∶5的板坯连铸结晶器电磁搅拌物理模型试验系统和实际结晶器的数学模型,研究了不同搅拌电流对结晶器内流场的影响,并引入了自由表面冻结指数和卷渣指数分别评价自由表面钢液冻结和卷渣概率。结果表明,物理模拟试验系统测得的流场可为数值模拟提供验证支撑;当不施加电磁搅拌时,结晶器内流场为典型的双环流结构,自由表面流速较小,自由表面冻结指数为0.52,卷渣指数为0;施加电磁搅拌后,在结晶器上部形成水平环流,自由表面流速增大;增大搅拌电流,环流效果更加显著,自由表面冻结指数降低卷渣指数增大,当搅拌电流为700 A时,冻结指数降低至0.04,卷渣指数增加至0.245。因此,综合考虑卷渣指数和冻结指数可知,较优的搅拌电流为600 A。     

吹氩条件下结晶器钢渣液面波动行为

为深入揭示不同工艺条件下结晶器钢渣界面行为,采用Fluent流体力学软件对某钢厂断面为1 000 mm×230 mm的结晶器进行数值模拟。分析不同拉速(0.9~1.5 m/min)、水口倾角(12°~15°)和氩气流量(0~6 L/min)对结晶器钢渣界面波动的影响。结果表明,吹氩量为4 L/min时,拉速的增加会减小氩气泡上浮对结晶器水口附近钢渣界面的扰动,但靠近结晶器窄面处波高会随着拉速增大而加剧;氩气流量的增加使水口周围钢渣界面波动加剧,窄面附近波动由于氩气泡上浮对钢液湍动能的消耗增加而变得平稳;水口倾角对钢渣界面影响较大,倾角较小时,氩气泡上浮距离变短,水口周围和窄面附近波高和速度都比较大。     

板坯连铸结晶器浸入式水口结构优化

针对断面为180×730 mm~2板坯结晶器液面波动较剧烈,易产生卷渣等问题,基于物理模拟和数值模拟对结晶器内钢液表面流速、液面波动和钢水凝固状况等复杂物理现象进行了研究;对拉速和浸入式水口的角度与底部结构进行了设计和优化,并通过物理模拟和数值模拟进行了验证。结果表明,倾角为20°、浸入式水口的底部结构为凹底30 mm,拉速为0.9～1.0 m/min,结晶器表面流速在0.18 m/s以下,液面波动较为平稳。     

结晶器保护渣卷渣临界条件的分析

通过物理模拟对结晶器保护渣的卷渣情况进行了分析研究,得出:低粘度保护渣发生卷渣的临界表面流速为87.7 mm/s,保护渣浸入结晶器液面的临界深度为22 mm;高粘度保护渣发生卷渣的临界表面流速为101.2 mm/s,保护渣的临界浸入深度为25 mm。当表面流速大于对应的临界值,从而使得保护渣的浸入深度超过临界深度时,才可能发生卷渣现象;结晶器卷渣一般发生在距结晶器窄面1/3的位置处。     

连铸坯拉速对结晶器卷渣现象的影响

高拉速连铸具有高效、低成本的特点,是未来连铸的发展方向。以常规板坯结晶器为研究对象,采用大涡模拟方法对结晶器内的卷渣现象深入分析。结果表明,在连铸坯拉速较低的情况下,结晶器流场较为稳定,钢液冲击速度较小,上返流速度较小,界面波动幅度不大。在高拉速的情况下,钢液冲击速度增加,渣金界面速度及卷渣数量明显提高。通过界面最大速度分析,建立了一个临界卷渣速度的计算准则,发现不同拉速情况下的临界卷渣速度是不一样的,造成这种现象的原因在于卷渣机理的不同。本模型对控制常规板坯高拉速连铸生产具有一定指导意义。     

EMBr对高拉速薄板坯钢水动态行为影响的模拟

在高拉速薄板坯的生产工艺研究中,结晶器内钢水流场是决定坯壳均匀性、液面卷渣概率等铸坯质量问题的关键因素。EMBr能够显著改变钢水流场,是改善这些问题的关键工艺技术。因此,对结晶器内钢水流场的模拟、分析与优化是必不可少的工作。以往的研究中,相关的数据与理论指导较少,针对薄板坯无头轧制产线,高拉速连铸机的分析与研究更鲜有报道。因此基于该高拉速连铸机,采用数值模拟方法获得了结晶器内不同电磁制动电流强度的磁感强度分布。采用电磁与多相流耦合模式,针对不同磁感强度条件下的结晶器钢水流场分布与液面形貌进行了仿真模拟,并分析了电磁制动对液面波动的影响。结果表明,基于固定的工况环境,电磁制动电流值为175 A时钢水流场分布均匀,钢水液面流速相对最低,最高流速约为0.6 m/s,同时液面高度差与剪切角相对最小。该条件最有利于减少因坯壳不均或液面卷渣造成铸坯缺陷的概率。电流值225 A相比125 A时,钢水液面位置磁感强度仅提高0.02 T,液面到达稳定时间仅缩短约1 s。因此存在综合评判下的最优电流值。     

高碳钢连铸保护渣的性能

为了研究高碳钢保护渣在连铸过程中的匹配性,对典型工业高碳钢保护渣的熔化、润湿、黏度、渣膜分布,以及传热性能进行研究。结果表明,4个高碳钢保护渣的开始熔化温度范围为1 110~1 129 ℃,润湿角范围为30.1°~37.8°,黏度范围为0.210~0.312 Pa·s,转折温度范围为1 046~1 130 ℃,渣膜的液态层比例为14.7%~18.9%。其中,1号高碳钢保护渣熔化温度较低(熔化区间1 110～1 345 ℃)、黏度较低(0.264 Pa·s)、渣膜液态层较高(比例为18.9%)、转折温度(1 059 ℃)和控热能力均适宜,表明该渣在高碳钢连铸结晶器中可以迅速熔化,形成足够的液态渣,并从弯月面渗入渣道,形成均匀的渣膜,从而润滑铸坯,避免黏结漏钢和裂纹等缺陷,保障高碳钢连铸的顺行。     

电磁搅拌对液态夹杂物聚并及去除行为的影响规律

高拉速连铸具有高效、低成本的特点,是未来连铸的发展方向。以常规板坯结晶器为研究对象,基于大涡模拟理论及欧拉-拉格朗日方法,对CSP结晶器内的多相流动及夹杂物碰撞聚并及去除行为展开深入分析。结果表明,电磁搅拌加剧了钢液在结晶器中的湍流强度,并促使更多夹杂物聚并上浮至渣金界面。并且,由于水平方向流速较大,钢液射流被限制在了电磁搅拌区域,显著降低了钢液射流深度,有利于夹杂物上浮。此外,由于电磁力的存在加剧了渣金界面波动,容易造成卷渣,因此,电磁搅拌对夹杂物的去除影响是双向的,既会提升内生夹杂物去除率,也会增加外来夹杂物的卷入风险。本模型对控制CSP结晶器连铸过程具有一定指导意义。     

连铸工艺对超低碳钢表面线状缺陷的影响分析

从连铸工艺包括拉速、水口浸入深度、浸入水口出口角度、保护渣性能对超低碳钢热轧卷表面线状缺陷进行深入研究并进行现场工业试验,分析了连铸工艺参数对该类缺陷的影响规律。研究结果表明：将230 mm×1 600 mm断面铸坯,拉速由1.2 m/min降低至1.1 m/min,浸入式水口插入深度由130 mm加深至145 mm,水口出口角度由15°增加到18°,均可对抑制浇铸过程液面波动及提高超低碳钢板卷表面质量起到很好的作用。将超低碳钢保护渣黏度由0.306 Pa·s提高至0.364 Pa·s,熔点由1 089 ℃降低至1 062 ℃,可使超低碳钢热轧板卷线状缺陷发生率由8.86%降低至4.49%。     

连铸保护渣对GCr15轴承钢铸坯渣沟缺陷的影响

为了解决GCr15轴承钢连铸坯表面渣沟缺陷的问题,系统分析了所用保护渣的理化性能,以改善保护渣的熔化与润滑效果为出发点提出两种保护渣解决方案,并进行了工业试验。试验结果表明,采用低黏度、低熔点、烧结性能适宜的保护渣对改善铸坯渣沟缺陷效果显著。1 300℃时,保护渣高温黏度由0.35~0.55降低到0.15~0.25Pa·s,熔点由1 180~1 220降低到1 060~1 110℃,消耗量从0.27提到至0.35kg/t(钢),铸坯表面渣沟缺陷得到解决。     

高拉速板坯连铸结晶器内钢/渣界面行为的数值模拟

用数值模拟方法研究了高拉速下拉速、水口出口角度、浸入深度、铸坯宽度和保护渣黏度对钢/渣界面行为的影响规律,并利用水模型实验进行了验证.研究表明,在一定拉速下,增加水口浸入深度和向下的张角能有效抑制钢/渣界面波动;熔渣黏度对钢/渣界面形状几乎没有影响,而界面速度随熔渣黏度的增加而减小.     

The interfacial behavior of molten steel and liquid slag in a slab continuous casting mold with electromagnetic brake and argon gas injection

利用数值模拟方法研究了板坯结晶器电磁制动和吹氩耦合作用下吹氩量、拉速和线圈电流强度等不同工艺 参数对钢/渣界面行为的影响规律, 分析了结晶器内液面波动指数F与液面波动间的关系. 研究表明, 在一定拉速 和电磁制动条件下, 吹氩量增加会加剧钢/渣界面的局部波动, F值随吹氩量增加而增大, 弯月面处的液渣厚度与F 值呈线性递增关系; 在一定吹氩量和电磁制动条件下, 拉速增加并没有恶化水口附近的钢/渣界面波动, 而使F值 增大, 弯月面处的液渣厚度与$F$值呈线性递减关系; 在一定拉速和吹氩量条件下, 增加线圈电流强度会加剧水口附 近的钢/渣界面波动.