结晶器吹氩过程离散相运动行为模拟

本文通过建立欧拉-拉格朗日模型模拟钢液-氩气-夹杂物体系,研究气泡间的聚合、夹杂物之间的聚合、气泡对夹杂物的粘附机制。得到结晶器内流场、离散相（氩气泡、夹杂物）的大小、运动速度等信息。通过对大量离散粒子信息的统计得出气泡对去除夹杂物的影响。     

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。     

连铸中间包环形气幕挡墙吹氩冶金技术开发与应用

分析了条形气幕挡墙夹杂物去除率低的主要原因,开发了一种弥散式环形气幕挡墙及吹氩智能控制技术,对流向中间包水口的钢液全部气洗,消除了条形气幕挡墙两端的三角形气泡盲区,解决了中间包钢液面降低过程中卷渣的关键技术难题,突破了条形气幕挡墙夹杂物去除率低、且不稳定的关键技术瓶颈,提高了夹杂物去除率。     

吹氩结晶器内钢渣界面氩气泡行为研究

吹氩结晶器内钢渣界面氩气泡的行为对液态保护渣的乳化有重要影响,与钢渣界面处气泡大小、数量及上浮速度等因素有关。因此,本文建立了原型与模型相似比为1∶0.6的板坯结晶器水模型,研究了吹氩量、拉速、水口浸入深度和侧孔倾角对结晶器内钢渣界面氩气泡行为的影响。结果表明,增大吹氩量,从水口到结晶器窄面上浮气泡平均尺寸减小趋势愈加明显,水口附近气泡数量增多且上浮速度逐渐增大,结晶器窄面附近气泡数量有所增加,气泡上浮速度逐渐减小;增大拉坯速度,结晶器内气泡尺寸减小,气泡数量增加,水口附近气泡上浮速度呈减小趋势,窄面附近气泡上浮速度则逐渐增大;增大水口浸入深度,气泡平均尺寸呈减小趋势,水口附近气泡上浮速度略有增加,窄面附近气泡上浮速度先增大后减小;增大水口倾角,气泡直径峰值逐渐减小,窄面附近气泡上浮速度先增加后减小     

吹氩板坯连铸结晶器内钢/渣界面行为的数值模拟

利用VOF方法和Lagrange两相流模型描述了吹氩结晶器内钢/渣界面行为,并用水模型实验检验了数值模拟结果.在此基础上考察了吹氩量、拉速、结晶器宽度、水口浸入深度及气泡尺寸对钢/渣界面卷混的影响规律.结果表明:拉速为1.8 m/min时,增大吹氩量,结晶器的上回流区逐渐消失,气泡对界面的扰动则不断加剧;吹氩量一定时,拉速由1.2 m/min增至2.2 m/min的过程中,气泡的冲击深度增加,氩气泡对钢液流型和界面形状的影响减弱;增加水口浸入深度对抑制吹氩下界面波动作用明显,而结晶器宽度对此影响较小;气泡尺寸显著影响钢/渣界面行为.     

钢液中夹杂物的行为特点和去除

分析了钢液中夹杂物的成分组成、来源、对产品质量的影响,讨论了钢液中夹杂物的上浮、碰撞凝聚以及吸附3种行为特点.介绍了夹杂物研究的物理模拟和数值模拟方法,以及吹氩技术、结晶器电磁技术、中间包过滤技术的要点.为满足优质钢对夹杂物含量的严格限制,应充分分析各生产环节夹杂物的来源及去除能力,考虑多种夹杂物去除方法综合运用的可行性,并充分利用物理模拟及数值模拟的灵活性,积极开展夹杂物的深入研究,提高钢液纯净度,提升产品质量和科技竞争力.     

中频炉冶炼不锈钢用吹氩透气砖的研制与应用

针对目前中频炉缺少精炼功能、不锈钢铸件中夹杂物含量经常超标的特点,开发出适用于中频炉冶炼不锈钢用吹氩透气砖,使中频炉实现精炼功能。工业应用表明,透气砖的使用寿命能够与中频炉炉衬寿命同步,中频炉通过向炉内吹氩气泡,可大幅度降低不锈钢钢液中气体和氧化物夹杂物的含量,有效提高钢液质量,最终提高铸件等级。     

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。     

板坯连铸结晶器电磁制动和吹氩过程的多相流动现象

利用数值模拟方法研究了高拉速连铸结晶器内电磁制动和吹氩耦合作用下的磁场、钢液流场和夹杂物行为,分析了电磁制动和吹氩量等不同工艺参数对结晶器内的钢液流动和夹杂物去除的影响规律.结果表明:电磁制动可明显减缓钢液流速(尤其是弯月面附近速度),但不利于小粒径夹杂物的上浮,5-50 μm的夹杂物上浮率由无电磁制动且不吹氩时的6.7%降低到3.3%;吹氩可增加整个上回流区钢液的向上运动趋势,粒径50 μm以下的夹杂物颗粒上浮率提高到8.9%;吹氩量增加使自由液面附近产生较强的漩流区,且容易产生二次涡流,直接影响液面波动情况和卷渣的发生;电磁制动和吹氩双重作用则有利于夹杂物上浮,5-50 μm小粒径夹杂物去除率可达12.2%,其被凝固坯壳的捕获率可降低到64.4%.     

连铸中间包透气水口座砖吹氩冶金技术开发与应用

开发了一种新型的具有吹氩功能的中间包透气水口座砖,介绍了透气水口座砖的结构及工作原理,采用水模试验研究了透气水口座砖吹气量大小对中间包及结晶器内氩气量的分布及气泡大小的影响,试验结果表明:随着透气水口座砖吹气量的逐渐增大,结晶器内气泡的数量和直径都逐渐增大,合适的模拟吹气量为2~3 L/min。透气水口座砖用于板坯连铸机浇注生产超低碳铝镇静钢DC04的结果表明:该产品具有显著的去除钢水中非金属夹杂物及防止上水口和浸入水口结瘤的冶金效果,浸入式水口寿命由2~3炉提高到5~7炉。     

Simulation of large bubble/molten steel interaction for gas-injected ladle

A mathematical model has been developed to simulate numerically the interactions between gas bubbles and molten steel during the gas-injection treatment in secondary refining of steel and to experimentally verify the reliability of the model. A marker-and-cell (MAC) technique is employed to simulate the motions of gas bubbles and molten steel. Photographic observation is used to evaluate the reliability of the mathematical model. A two-dimensional ladle with only one bubble was used to test the capability of the model to handle the interaction between the relatively large bubble and the molten steel. The shape of the bubble is initially round. Then it gradually becomes flattened and eventually evolves into a spherical-cap bubble. Molten steel is induced to flow and forms two circulations. The model was then tested on the same ladle with bubbles continuously released. The first bubble rises in a similar way as the previous case. The second bubble is affected by the first bubble and becomes slightly elongated in the vertical direction rather than in the horizontal direction. It also rises faster and later collides with the first bubble. The released bubbles can be grouped in clusters and are repeated cluster after cluster. Water-model experimental observations are consistent with the predicted results.     

精炼包真空直注工艺开发

介绍精炼包真空直注设备改造、工艺开发及工业实践.该工艺可以避免中间包真空浇注过程中的钢水二次氧化、中间包耐材侵蚀、中间包塞棒关不死引起下渣等问题,减少进入钢锭内部的夹杂物数量,提高钢锭质量.     

异钢种连浇工艺参数对交接坯长度的影响

对梅钢板坯异钢种连浇过程进行水力学模拟,研究进钢量、中间包余钢量和通钢量与铸坯长度方向的无量纲浓度变化关系曲线。结果表明,在梅钢浇铸条件下,降低中间包余钢量和增大通钢量均能显著减少交接坯长度,并且对于进钢量,如果对混合率要求不是很高（90%以下）,增大进钢量也能明显减少交接坯长度。     

通道式感应加热中间包钢液流动特性的数值模拟

通道式感应加热中间包能够有效补偿钢液在浇注过程中产生的温降。钢液流动特性是影响通道式感应加热中间包冶金过程的关键。采用ANSYS软件求解电磁场、流场和温度场控制方程,得到通道式感应加热中间包稳态流场和温度场;在此基础上,求解示踪剂溶质输运方程,得到RTD曲线。数值结果表明,浇注口温度提高20K;相比于无感应加热的通道式中间包,应用通道式感应加热后,总体平均停留时间延长48s,总体死区体积分率缩小为21.5%;通道式感应加热中间包的电磁力对钢液的搅拌作用是影响流动形态的主要因素,焦耳热引起的热对流是影响流动形态的次要因素。     

钢中非金属夹杂物控制技术发展现状及展望

钢中夹杂物的数量、尺寸、分布规律对钢产品质量有较大影响,因此,控制钢中非金属夹杂物是冶炼高品质洁净钢、提升产品品质的关键。通过对钢中非金属夹杂物性质、来源入手,分析了夹杂物碰撞、聚合长大、上浮及去除机理,同时对气泡吸附、电磁净化、过滤分离等夹杂物控制技术进行了对比分析,并对氧化物冶金技术发展现状进行了介绍。研究表明,气泡法与过滤法是以气泡和过滤器为媒介对钢水中夹杂进行吸附、捕捉并促进其进入渣相;电磁净化法借助电磁场离心力增加夹杂物碰撞、聚集长大的几率,但设备较为复杂,其应用受电力资源供给限制;夹杂物改性技术是将高熔点夹杂变性生成低熔点夹杂,促进夹杂物上浮,其操作简单,但容易造成钢水的二次污染。氧化物冶金技术通过改变夹杂物大小、形状和分布来钉扎和抑制高温下奥氏体晶粒的长大,避免粗大晶粒的形成,从而实现细化组织、提高钢的强度和韧性的目的。氧化物冶金技术为夹杂物的控制提供了新思路,具有重要的应用前景。     

大容量中间包电磁加热装备研制及其工业应用

针对中间包增设通道式感应加热装置,在不改变现有连铸机中间包冲击区和浇注区距离的条件下,进行中间包电磁感应加热装备的工业化研制。重点研究了中间包包壳上涡流的隔断、感应加热器加热效率、感应加热中间包耐火材料等问题。研究结果表明,采用涡流隔断技术能有效抑制包体涡流发热,较好地解决中间包包体涡流发热的问题。并且通过优化感应器的结构设计及采用气雾混合冷却等关键技术,实现了中间包感应加热技术的工业化运行及中间包钢水温度±3 ℃的精准控温。     

气幕挡墙对中间包流场和夹杂物去除的影响

为了减轻高钛含量下钢水连铸过程夹杂物产生的不利影响,建立了中间包流场、夹杂物运动及去除模型,考虑了气泡对夹杂物的吸附,重点研究了气幕挡墙及其安装位置对流场和夹杂物的影响。结果表明,小粒径颗粒在钢水带动下跟随性好,且自身浮力小,在无吹气情况下,1～10μm粒径的夹杂物去除率较低。当吹气流量为5 L/min时,Al₂O₃和TiN夹杂物的去除率均明显提高,在粒径范围1～10μm内,Al₂O₃的去除率为21.7%～34.6%,TiN的去除率为22.7%～33.14%。当气幕挡墙位于湍流抑制器和上挡墙之间时,由于钢液形成的回流速度大,夹杂物和气泡碰撞的概率增加,进而被气泡捕获的概率增加,更有利于夹杂物的去除。本研究为高钛钢连铸过程夹杂物去除提供了理论指导。     

FLUID DYNAMICS IN A GAS STIRRED LADLE——A Separated Flow Model with Stochastical Trajectories

针对底吹气液两相流过程的非均匀性和气泡运动过程随机性,本文从理论上提出用气液分离流动模式处理气液两相流动的方法,建立了随机轨迹分离流数学模型。该模型在Lagrangian时间序列坐标系中分析气泡的流动特性,在Eulerian空间位置坐标系中描述液体的紊流流动过程;气液相间的相互作用以气泡源项的形式在Eulerian场中予以分析;气泡的轨迹由Monte Carlo随机采样方法确定。为便于与前人的工作相比较,本文还采用均相流模型进行解析计算。研究结果表明,本文提出的分离流模型理论上合理,其计算结果与实测结果比较一致。     

气液两相流的流场特性研究——随机轨迹分离流数学模型SCIEI

针对底吹气液两相流过程的非均匀性和气泡运动过程随机性,本文从理论上提出用气液分离流动模式处理气液两相流动的方法,建立了随机轨迹分离流数学模型。该模型在Lagrangian时间序列坐标系中分析气泡的流动特性,在Eulerian空间位置坐标系中描述液体的紊流流动过程;气液相间的相互作用以气泡源项的形式在Eulerian场中予以分析;气泡的轨迹由Monte Carlo随机采样方法确定。为便于与前人的工作相比较,本文还采用均相流模型进行解析计算。研究结果表明,本文提出的分离流模型理论上合理,其计算结果与实测结果比较一致。     

连铸过程中小方坯中间包钢水液位控制的研究

钢液在中间包内液位直接影响到连铸生产过程的顺行和铸坯质量。着力于研究和分析方坯连铸生产过程中钢包滑动水口开口度,中间包钢液面,水口结瘤程度以及浇铸速度之间的关系,并推导出相关数学关系式。同时,基于重庆钢铁公司方坯连铸机的实际情况,计算了在一定浇铸速度和结瘤程度下,中间包内所需的理论液面高度,滑动水口的开口度,在此基础上绘制了钢包滑动水口操作控制图,以期能够实现一定的现场指导作用。