结晶器内连铸坯凝固过程的有限元数值模拟

建立了结晶器内连铸坯凝固过程的有限元数学模型，在坯壳面表面边界条件中引入与气隙相关的传热模型修正平均热流量方程，研究了铸坯角部气隙对坯壳凝固行为的影响，模拟结果表明，铸坯角部形成的气隙流量显著地长低了坯壳表面的换热，使得铸坯偏角区成的为热节区，此热节区是铸坯凹陷，裂纹等缺陷乃至漏钢事故发生的诱因。     

薄板坯连铸结晶器内凝固坯壳三维有限元分析

用已获得的薄板坯连铸结晶器内凝固坯壳的几何形状和温度场，建立凝固壳三维热弹塑性接触有限元分析模型。得到两种拉速下ＩＳＰ和ＣＳＰ型结晶器内凝固壳的应力和变形分布，以及凝固壳与结晶器壁间的气隙分布，给出了成指数在坯壳中的变化曲线。     

板坯连铸结晶器内坯壳厚度及枝晶间距

通过向结晶器添加ＦｅＳ测定了正常工况下结晶器内坯壳的厚度分布，由测得的坯壳厚度分布，分析了结晶器内弯月面参数、凝固系数以及坏壳的凝固速度、温度梯度和冷却速度。结果表明，用结晶器内钢水添加硫方法确定的坯壳厚度的分布较为合理。     

凝固坯壳对高拉速板坯连铸结晶器液面特征的影响

采用1:1的水模型研究了高拉速条件下凝固坯壳对结晶器内的流场与液面特征的影响.结果表明:考虑凝固坯壳时结晶器内的流场出现了轻微的不对称现象,在高拉速条件下(2.4m·min^-1),有坯壳时结晶器液面最大平均波高与表面流速比没有坯壳时分别大31%和35%.对比有/无坯壳条件下自由液面形状可知:考虑凝固坯壳之后的液面变形程度比没有考虑时更大,更易导致卷渣的发生.液面波动的功傅里叶变换分析表明:考虑坯壳之后结晶器液面的高频率波动的振幅大于无坯壳的情形,所以考虑坯壳之后由于结晶器下部内腔变小,更多的流股能量集中在上回流区,使得上回流的湍流程度比无坯壳时要大,进而导致了液面波动与表面流速的增大.因此,为了缩小与实际连铸过程的差别,在高拉速的物理模拟中有必要考虑凝固坯壳的影响.     

宽板坯连铸结晶器流场的数值模拟

针对某钢厂150 mm×1503 mm宽板坯连铸结晶器生产中出现的表面波动及卷渣情况,利用FLUENT软件对其进行了三维稳态数学计算.计算以流体表面流速为主要衡量指标,研究了出水口的倾斜角度、倒角形状对该水口作用下结晶器内流场的影响.计算结果表明,原型结晶器浸入式水口作用下,流场内的表面流速大,射流冲击深度小,液面波动大,卷渣严重.改变出水口的倾斜角度,结晶器内表面流速依旧较大,依然有较严重的卷渣现象发生.改用方案3出水口倒角形状改为相切后,表面流速由原型最大的0.6 m/s减小到0.2 m/s,冲击深度增加,流场改善,卷渣问题得到解决.     

宽板坯连铸结晶器内液面波动的数值模拟

以安钢宽板坯连铸为研究对象,采用大型商业软件ANSYSCFX10.0,应用VOF法重点研究浸入式水口倾角、拉速、铸坯断面宽度等工艺参数对结晶器内自由表面液面波动的影响.结果表明:随着结晶器宽度从1800mm增大到3250mm,结晶器内液面平均波高明显降低.当宽度为1800mm时,结晶器保护渣-钢液界面平均波高为5.33mm;当宽度增至3250mm时,平均波高为7.08mm.     

板坯连铸浸入式水口出口速度对结晶器流场影响的数值模拟

以宝钢-连铸板坯结晶器为研究对象,采用大型商业软件CFX4.3,将模拟计算出的浸入式水口的出口速度直接赋给结晶器作为入口条件,计算了结晶器内钢液的流动情况.结果表明:速度矢量在水口出口截面分布不均匀、方向与水口倾角不一致.因此,有必要将水口计算结果与结晶器模型结合起来以更好地反映钢液的流动情况.     

板坯连铸结晶器数值模拟

运用Fluent 6.3对板坯连铸结晶器进行数值计算,研究拉速、水口浸入深度及水口开口角度对流场的影响.结果表明:对于断面1400 mm×230 mm结晶器,随拉速增加,液面最大水平和垂直流速均增加,而窄边冲击点的位置基本不变,随距液面距离增加,窄边速度先增加后减小,直至趋向于零;当拉速超过1.2 m.min-1时,液面水平速度增加明显.随水口浸入深度增加,液面最大水平流速减小,浸入深度超过140 mm时,最大水平流速变化不明显;垂直于液面方向的最大速度逐渐增加;对窄边冲击点影响较小.随水口开口向下角度增加,液面最大水平流速减小后增加,水口开口向下12.5°时液面最大水平流速最小,而水口开口向下10°～12.5°时窄边冲击点速度最小.     

薄板坯连铸结晶器内流场的三维数值模拟

针对薄板坯连铸结晶器中钢液的紊流流动特征,利用商业软件ＣＦＸ４．２建立了一个三维有限差分模型,计算这一限定空间射流的紊流时均场,采用均相流模型,模拟了结晶器内钢液液面形状及速度场,通过计算,分析了浸入式水口形状、拉速等工艺参数对薄板坯连铸结晶器流场的影响,同时,研究了结晶器出口处速度分布对结晶器内钢液流动的影响。     

基于ANSYS的板坯连铸结晶器内流场数值模拟

利用ANSYS对板坯连铸结晶器内流场进行数值模拟，并用水模拟对其进行了验证。借助于ANSYS强大的后处理功能对流场进行了更为深入的研究．同时还分析了拉速、水口浸入深度和水口出口倾角对流场的影响。     

Characteristics of shell thickness in a slab continuous casting mold

The key to reduce shell breakout in the continuous casting process is to control shell thickness in the mold. A numerical simulation on the turbulent flow and heat transfer coupled with solidification in the slab mold using the volume of fluid (VOF) model and the enthalpy-porosity scheme was conducted and the emphasis was put upon the flow effect on the shell thickness profiles in longitudinal and transverse directions. The results show that the jet acts a stronger impingement on the shell of narrow face, which causes a zero-increase of shell thickness in a certain range near the impingement point. The thinnest shell on the slab cross-section locates primarily in the center of the narrow face, and secondly near the comer of the wide face. Nozzle optimization can obviously increase the shell thickness and make it more uniform.     

板坯连铸结晶器内非对称流动现象的数值模拟

基于流体力学基本原理,采用Fluent软件建立板坯连铸结晶器及浸入式水口的三维有限元体积模型,模拟研究了水口不对中和水口单孔结瘤条件下结晶器内流体的流动特征和温度场分布状况.结果表明:水口对中不良时,结晶器两侧回流明显不对称,液面会产生旋涡,水口偏向侧温度高于水口偏离侧;水口出口单孔结瘤时,未结瘤侧流股增强,液面流速增大,并且液面有涡流产生,结瘤侧新鲜钢液减少,温度偏低.     

结晶器内钢液流动特性的优化

以大板坯连铸结晶器为研究对象,采用水模型和数值模拟的方法研究了不同水口出口角度对结晶器内钢液流动的影响.结果表明:现行15°水口在距结晶器边部50 mm的位置,表面流速和波高较小,传递给弯月面的热量较少,不利于保护渣的熔化;射流撞击到结晶器窄边的位置较深,压力较大,对撞击点下部坯壳的冲击力也较大;水口出口角度改为10°后,结晶器漏钢预报系统的报警次数大大减少,杜绝了漏钢的事故.     

旋转流水口对结晶器钢水温度场影响的数值模拟

采用数值模拟的方法研究了不同旋转流水口工艺条件对结晶器内温度场的影响. 结果表明:结晶器旋流水口会稍微增加水口两侧高温区的不对称性,但能提高弯月面处钢水的温度,使弯月面处钢水温度更均匀--传统水口从水口到弯月面处温降约为15 ℃左右,而旋流水口仅为10 ℃. 增加拉速或降低旋流片高度,会增加钢水弯月面处的温度;旋流片角度为120°或旋流片距水口底部390 mm时,钢水弯月面处温度最高.     

宽厚板坯连铸结晶器流场、温度场及应力场的耦合数值模拟

利用ProCAST软件对2400 mm×400 mm宽厚板坯结晶器建立三维动态模型,采用移动边界法实现结晶器内流场、温度场及应力场的耦合模拟.结果表明：考虑凝固坯壳的影响,下回流区位置向铸坯中心靠拢,真实反映了钢液在连铸结晶器内的流动情况.自由液面的钢液从窄面流向水口,速度先增大后减小,距水口约0.7 m处,出现最大表面流速,约为0.21 m· s-1.结晶器出口坯壳窄面中心厚度最小且由中心向两侧逐渐增大,最小厚度约为10.4 mm;受流股冲击影响较弱的宽面坯壳与窄面相比生长更均匀,宽面偏角部和中心的坯壳厚度分别为18.9 mm和27.6 mm.铸坯坯壳应力变化趋势与温度基本保持一致,表明初凝坯壳应力主要是热应力.结晶器内铸坯宽窄面上的等效应力均沿着结晶器高度下降方向呈增大趋势,铸坯角部、宽面中心及窄面中心位置的最大应力各约为200、100和25 MPa.     

宽板坯结晶器流场和温度场数值模拟优化分析

以某钢厂宽板坯连铸结晶器为研究对象,通过FLUENT商业软件模拟结晶器内温度和速度场分布,证明原有水口存在上循环弱,热交换慢,保护渣熔化不均匀等缺点是铸坯出现表面纵裂纹的主要原因.针对原水口的缺点,设计出满足现场生产工艺条件的水口形状为扁形、侧孔倾角-15°、底部形状为凸底的新结晶器浸入式水口,并运用数值模拟手段对新水口形成的钢液流动形式进行了分析.结果表明,新水口各项参数均明显优于原有水口,现场实验证明新水口使用效果良好.     

圆坯连铸结晶器温度场模拟与坯壳厚度预测

基于连铸圆坯结晶器温度与热流实测数据,建立了连铸圆坯凝固的三维传热模型,计算出结晶器和铸坯的温度场,并得到铸坯的固相率与坯壳厚度分布情况.温度计算结果与实测数据符合较好,表明此数学模型能够较为准确地反映实际情况.讨论了拉速、浇注温度等因素对坯壳厚度的影响,并对利用模型计算与经验公式计算得到的坯壳厚度进行了对比.     

压力铸造充型过程流动与传热数值模拟的研究

为了解压力铸造的充型特点 ,基于有限差分法建立了液态金属充填型腔过程的流动及耦合传热计算的数学模型 ,使用 SOL A - VOF数值模拟技术开发了压铸充型过程流动与传热的数值模拟分析软件。分别用层流假设和 K- ε紊流模型对“弓”形型腔的充型过程的流场进行了模拟计算 ,并与压铸水模拟实验的高速摄像进行比较 ,结果表明 ,采用紊流模型能更精确地模拟压铸充型过程。最后使用所开发的模拟分析软件 ,对具有三维复杂形状的实际压铸件的充型过程的流场、温度场进行了模拟 ,并分析了充型过程中模具在型腔表面的温度变化规律 ,提出“瞬态层”的概念 ,大大缩小了计算区域 ,提高了计算效率