梅钢40 t板坯中间包的工业试验与仿真分析

梅山钢铁公司炼钢厂有2座150t的LD转炉,配40t板坯连铸中间包.为了了解和掌握中间包内部过程的基本特征,在实际中间包内对流动控制装置、钢水停留时间分布及熔池内温度分布情况进行了现场测试,并结合数学和物理模拟方法进行分析.研究结果表明钢包与中间包内钢水的温差对中间包内钢水的流动状态有很大影响,进而影响着中间包内许多冶金过程;实际中间包熔池内温度分布不均,即使没有任何流动控制装置,熔池内上部温度也高于下部温度,现场测定的停留时间曲线与传统的等温水模型实验结果相差较大;在大多数生产条件下,中间包内的流动是非等温流动,以等温条件为前提的挡板设计、控制参数可能与实际情况不符,应该重新鉴别.     

新型中间包结构数学模拟

为了延长钢水在中间包内的停留时间、减少卷渣和改善夹杂物的上浮排出,提高铸坯的质量,通过对中间包结构发展的分析,提出了新型中间包结构——导流隔墙和导流管结合。同时,应用FLUENT软件对新型的中间包结构进行了数学模拟,计算了新型中间包结构内的钢液流动。结果表明,新型中间包结构内钢液流动合理,有利于中间包内夹杂物的上浮排除。     

底吹中间包内钢液及夹杂物运动特性的数模研究

根据某厂实际中间包的操作工艺参数，采用欧拉两流体模型和拉格郎日随机轨道模型，模拟计算采用湍流控制器和气幕挡墙技术的中间包内的钢液流动特性及钢水中夹杂物的运动行为，研究结果表明，中间包底部吹气过程可以有效地改善钢液的流动状态，消除短路流，起到中间包档墙的作用，并且增大夹杂物在中间包内上浮排出率，大大提高了钢水的清洁度．     

H型中间包与T型中间包的水模对比研究

进行了H型中间包的挡墙和坝的水模拟优化试验,确定出挡墙和坝的最佳设计方案。结合H型中间包的优点,与普遍使用的T型中间包进行了水模实验对比研究。研究表明：H型中间包内流动比T型中间包内更加稳定;当挡墙间距为130 mm、上挡墙高为87.5 mm、下挡墙高为52.5 mm时,H型中间包内液体的流动状态最好,死区体积比T型中间包小;符合工艺参数条件下增大中间包容积有利于停留时间的延长。     

广钢高效连铸改造的中间包内型优化

广钢连铸中间包采用三流和入流非对称布置的结构,生产中钢水流动不稳定,温度不均匀,为改变这种状况,有必要对中间包进行结构改造．在中间包冷态和热态水模型上,安装纵向局部挡墙和带导流孔“Ｖ”型挡墙,研究中间包内钢水流动和温度分布情况．模拟试验结果表明：“Ｖ”形挡墙能显著改善钢水的流动,使各流钢水平均停留时间趋于均衡,温度差减少,中间包内死区减少．此外,作者还给出了推荐的中间包改造方案．     

新型中间包结构数学模拟

为了延长钢水在中间包内的停留时间、减少卷渣和改善夹杂物的上浮排出,提高铸坯的质量,通过对中间包结构发展的分析,提出了新型中间包结构--导流隔墙和导流管结合.同时,应用FLUENT软件对新型的中间包结构进行了数学模拟,计算了新型中间包结构内的钢液流动.结果表明,新型中间包结构内钢液流动合理,有利于中间包内夹杂物的上浮排除.     

连铸中间包分流挡渣实验研究

在中间包流场分布分析的基础上，借助水模拟试验研究了6流小方坯连铸中间包内钢水流动规律。通过设置分流挡渣墙改进中间包内的钢水流动，分离钢水和炉渣，提高钢中夹杂物的上浮率，达到了预期的效果，并应用于生产实践．     

连铸中间包分流挡渣实验研究

在中间包流场分布分析的基础上,借助水模拟试验研究了6流小方坯连铸中间包内钢水流动规律,通过设置分流挡渣墙改进中间包内的钢水流动,分离钢水和炉渣,提高钢中夹杂物的上浮率,达到了预期的效果,并应用于生产实践.     

钢包长水口形状对中间包内钢液流动特性的影响

通过物理模拟实验研究了在不同的中间包液位时使用喇叭形长水口和直通形长水口对单流板坯中间包内的流体流动特性的影响.实验结果表明:使用喇叭形长水口后的RTD曲线峰值较低,波动较小,流场较稳定,而且不存在短路流;使用喇叭形长水口后更有利于延长流体在中间包内的开始响应时间、平均停留时间和活塞流平均停留时间;中间包内的死区体积较小,活塞流体积较大,而且活塞流与死区体积的比值也更大.因此,在中间包液位上升时,使用喇叭形长水口后包内的流动模式组成更合理,这更有利于保证中间包内钢水的质量.     

连铸中间包内三维流动的数学模拟

建立了描述连铸中间包内三维流动的数学模型，计算了有、无流动控制下中间包内的三维流动。结果表明，合理的流动控制有利于中间包内非金属夹杂的上浮和吸附，用κ－ε模型都能基本上描述中间包内的流动，但都有待改进。     

中间包——一种典型的非等温反应器

温度差对中间包内流动的影响将直接影响中间包内许多冶金过程·在许多水模和数模研究中,中间包被看为一种等温反应器·研究发现,中间包内流动过程对温差十分敏感·物理模型实验、数学模拟和现场直接测定对温差的影响作了定性和定量研究·提出了鉴别温差影响的中间包准数,并给出临界值·     

连铸中间包内夹杂物去除行为的水模型研究

通过选择乳状液滴模拟夹杂物和连铸中间包水模型实验,考察了控流装置、浇铸速度、夹杂物粒径对中间包内夹杂物去除行为的影响规律.结果表明:挡墙-挡坝组合控流夹杂物去除效果最佳,中间包内强湍流区夹杂物的碰撞聚合以及向上和表面流速的增加是主因;中间包注流区加入抑湍器,虽然其流体流动特征发生改变,但对夹杂物去除率的影响并不显著;较高的浇铸速度下,单纯靠控流装置的优化已不能很好地改善夹杂物的去除效果.     

Optimization of flow control devices in a single-strand slab continuous casting tundish

The optimization of flow control devices in a single-slab continuous casting tundish was carried out by physical modeling, and the optimized scheme was presented. With the optimal tundish configuration, the minimum residence time of liquid steel was increased by 1.4 times, the peak concentration time was increased by 97%, and the dead volume fraction was decreased by 72%. A mathematical model for molten steel in the tundish was established by using the fluid dynamics package Fluent. The velocity field, concentration field, and the residence time distribution (RTD) curves of molten steel flow before and after optimization were obtained. Experimental results showed that the reasonable configuration with flow control devices can improve the fluid flow characteristics in the tundish. The results of industrial application show that the nonmetallic inclusion area ratio in casting slabs is decreased by 32% with the optimal tundish configuration.     

基于RTD曲线连铸中间包优化设计数值模拟

为了优化连铸中间包内型,采用数值模拟方法计算钢液在连铸中间包内的停留时间分布(RTD),并通过RTD曲线分析了连铸中间包内挡坝高度和位置对其钢液流场的影响.结果表明,结构优化后的连铸中间包钢液流场趋于合理,死区体积分数由原始方案的17.62%降至13.29%,且钢液在连铸中间包内的停留时间变化不大.     

连铸中间包耐火材料的冲蚀特性与控流装置的优化设置

中间包内耐火材料的损毁是化学反应、热应力与钢液流动的协同作用所致,中间包内控流装置发生侵蚀的主要原因是钢液对耐火材料的冲蚀.对设置有湍流控制器、挡渣堰、挡渣坝的中间包耐火材料的冲蚀特性进行数值模拟计算与分析,结果表明,中间包内冲蚀最严重的部位是在湍流控制器及冲击区包壁上部1/3处,其次是挡渣堰迎向钢液流动一侧壁面;随着挡渣堰与钢液入口距离的增加,钢液对挡渣堰、挡渣坝的冲蚀强度下降;根据停留时间分布(RTD)曲线设置中间包控流装置时,应考虑钢液对耐火材料的冲蚀特性.     

蝶式感应加热中间包流场与升温特性

针对传统连铸设备中间包钢液入口与浇注口距离近无法安装感应加热装置的问题，设计出一种新型蝶式感应加热中间包，并建立三维非稳态磁-热-流耦合数学模型研究电磁场对蝶式中间包内流场和温度场的影响，得到感应加热功率与升温特性间的关系.结果表明，感应电流在中间包中形成闭合回路且主要集中在通道处.偏心电磁力使得钢液在通道内产生旋流并伴有较大切向速度，流出通道的钢液向浇注室上方运动.中间包过流量为2t/min时，无感应加热情况下出口温降为7K，而有感应加热情况下，当加热功率由600kW增至1000kW，出口温升由8K增至27K.     

Fluid Flow in Tundish Due to Different Type Arrangement of Weir and Dam

Tundish is an important metallurgical reactor in the continuous casting process. In order to control the fluid flow in tundish and thus take full advantage of the residencetime available for the removal of inclusions from molten steel, the effect of weir and dam on the fluid flow has been studied in a water model based on the characteristic number Froude and Reynold number similarity criteria. The residence time distribution curves of the flow were measured by SG800. The optimum arrangement of darn and weir and the nonstationary flow in tundish were discussed. The results show that the combination of weir and dam is benefit for the flow pattern in tundish, weir can prevent the upper recirculating flow, dam can cut off the bottom flow and turn to upwards, it is advantageous to separate the nonmetallic inclusions. Furthermore, it is important to exceed the critical depth of bath during exchange ladles, not only for the inclusion floatation but also for avoiding tundish slag drainage earlier.     

三流异型连铸中间包结构优化的数值模拟

根据西宁特殊钢股份有限公司三流异型连铸中间包的结构和操作参数,提出中间包结构的优化方案,应用ANSYS CFX数值模拟软件计算不同控流装置下中间包内的流场和温度场分布,并建立物理模型对数值模拟的结果进行验证,确定最佳的优化方案。结果表明,原型中间包内流场和温度场分布不均匀,3个水口最大温差达3.11K,导致各水口处铸坯质量存在差异;使用U形挡墙后,中间包内钢液的流动特性得以改善,其成分和温度分布更为均匀,3个水口的最大温差仅为0.20K。     

中间包钢液流动行为的数值模拟及控流装置优化

针对某钢厂四流大方坯连铸过程中铸坯夹杂物含量较高、各流流动状态不一致等问题,本文提出了关于中间包内控流装置(坝高和导流孔结构)的改进方案,采用数值模拟方法对比研究了不同方案下中间包钢液的流场及停留时间分布(RTD)等特征。结果表明,与原型中间包相比,适当增加坝高及下层导流孔的上倾角度,有利于改善中间包钢液的流动特性,各流之间的均匀性明显提高,钢液在中间包内的停留时间有所延长,死区体积分数下降,有效减弱了中间包短路流,中间包冶金功能得到改善;控流装置最佳参数为:坝高300 mm,上层和下层导流孔角度分别为20°和45°,此时对应的钢液在中间包内的平均停留时间为210 s,死区体积分数仅为13.2%。