CSP薄板坯连铸结晶器电磁制动对流场和温度场的影响

旨在考察电磁制动对薄板坯连铸结晶器内钢液流动及传热的影响效果,从而为CSP薄板坯连铸生产实践提供理论参考。根据国内某钢厂CSP薄板坯连铸漏斗形结晶器、水口结构参数,首先建立了描述结晶器内钢液流动和传热的三维数学模型,应用CFD软件对结晶器内钢液的流场和温度场、凝固现象进行耦合计算和分析。再耦合经实测数据验证由ANSYS模拟得出的电磁场,计算和分析电磁制动下结晶器内钢液各种现象的变化。结果表明:电磁制动的应用,使结晶器钢液面上的速度降低,由无电磁时的0.13 m/s降到0.10 m/s,降幅在23%左右;使向下的流股冲击深度降低;使结晶器钢液面上温度升高5℃左右,有利于保护渣的熔化。     

新型电磁制动漏斗形结晶器内复杂行为的数值模拟

针对漏斗形结晶器的不规则外形开发了新型电磁制动装置,建立了三维物理模型和数学模型.分别借助ANSYS模拟了电磁场,FLUENT模拟了钢液湍流、传热以及凝固.磁场计算结果通过线性插值导入流场,采用等效比热容法处理潜热.钢液拉坯速度为5.5 m/min,水口浸入深度为300 mm.研究了新型电磁制动装置相对结晶器的位置高度和磁动势对钢液流场、温度场及凝壳的影响.结果显示,新型电磁制动装置上表面距离自由液面为250 mm时的制动效果要好于300 mm的情况.对于所选取的流场参数而言,磁动势为8 kA.n即可,磁动势过大会消耗更多的电能,造成不必要的浪费.     

水口侧孔倾角对大方坯结晶器流场和液面波动的影响

基于湍流模型与多相流模型的耦合,实现了对结晶器流动与自由液面波动行为的计算模拟.分析研究了不同侧孔倾角对对称多侧孔水口浇注大方坯结晶器内流场及自由液面波动的影响规律.结果表明:水口侧孔向下角度每增加5°,结晶器宽面和窄面冲击点位置分别下降约13 mm和10 mm;一定浸入深度下,钢水出口向下倾角的大小对大方坯结晶器液面波动影响不大,在3 mm以内;结晶器壁面附近的钢液较水口附近钢液活跃.推荐水口侧孔向下倾角为20°.     

板坯连铸结晶器内流场与液面波动的模拟研究

通过建立结晶器原型数学模型和相似比为1∶1.5的结晶器水模型并结合PIV测速技术,研究了吹氩流量、拉坯速度、水口倾角和水口浸入深度对连铸结晶器内钢液流动和钢-渣界面波动情况的影响。结果表明,不同条件下,通过数值模拟方法得到的钢液流动行为与水模型实验结果相符;适当增大吹氩流量有利于降低窄面液面波高,但吹氩流量过大会加剧水口附近湍流流动;随着拉坯速度的增加,渣层波动幅度增大,液面卷渣的可能性增加;结晶器液面波高则随着水口倾角和水口浸入深度增加而明显降低,渣层稳定性得到改善。当吹氩流量为8 L/min、拉坯速度为1.0 m/min、水口倾角为25°、水口浸入深度为150 mm时,板坯结晶器内可获得较为稳定的流场,结晶器液面波动控制在5～6 mm,可减少甚至避免结晶器内剪切卷渣现象的发生。     

基于 PIV 技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究

利用粒子图像测速技术,以200 mm×2040 mm板坯连铸结晶器为原型,建立1：4水模型进行实验,对结晶器内钢液流动形态、流速及各流态所占比例、液面波动、以水口为中心结晶器两侧对称点速度随时间的变化、水口两侧液面水平流速、水口两侧对称位置液面至结晶器底部垂直方向速度和钢液对两侧窄面的冲击深度进行系统地研究和分析,并对比拉速的影响.研究表明,粒子图像测速技术不仅可以测量结晶器内流场流速,还可以对流场对称性进行全方位、多角度定量分析,为研究连铸参数变化,比如拉速、水口结构和水口浸入深度,对板坯连铸结晶器内钢液流动及对称性的影响提供一种较为精确的方法和思路.通过分析得出,在本实验条件下拉速0.5 m·min-1优于0.6 m·min-1.     

板坯连铸结晶器吹氩工艺参数优化

采用流体体积(VOF)方法和拉格朗日离散模型建立了反映230mm×1100mm板坯连铸结晶器吹氩过程中钢液、熔渣和氩气气泡流动行为的数学模型,通过数值模拟方法研究吹氩量、拉坯速度和水口浸入深度等工艺参数对结晶器内钢/渣界面行为特征的影响规律。结果表明,吹氩会明显加剧水口附近的钢/渣界面波动,选择合适的拉坯速度能有效降低该处的界面波动幅度,同时吹氩有利于减缓结晶器弯月面处的液面波动,可在一定程度上达到稳定钢/渣界面的目的。从16种工艺配置方案中优化出该结晶器的最佳吹氩工艺参数为:拉坯速度1.2m/min,吹氩量9L/min,水口浸入深度120mm。     

CSP结晶器内卷渣的瞬态特征

利用1∶1的水力学模型对双侧孔水口结构下的CSP结晶器内卷渣现象进行了模拟.结果表明:由于双侧孔水口下结晶器内液面的动态失稳现象,导致其液面卷渣呈周期性;液面失稳态时会发生连续剪切卷渣,液面卷渣有效涡主要出现在液面失稳态,拉速对液面卷渣影响较大.分析了液渣滴在结晶器内运动的瞬态特征.CSP结晶器内液面卷渣的周期性导致铸坯内大型夹杂物纵向分布差异较大.     

旋转连铸结晶器内钢液流动行为的水模型实验

采用水模型试验,研究了旋转连铸环行结晶器内钢液流动行为·通过改变参数(流量、结晶器转速、水口浸入深度),考察其对流场以及卷渣倾向的影响·参数改变,流场变化规律的总趋势并无明显改变,只是流股的最大喷射距离、到达结晶器外壁附近的速度及回流区的位置和液面附近的速度发生变化·研究结果表明:流场中的速度分布受流量、结晶器转速、水口浸入深度的影响     

基于亥姆霍兹线圈电磁制动装置的结晶器内冶金行为研究

为解决连铸过程中钢液在结晶器内不合理的自由液面流速所导致的板坯表面缺陷问题,根据现有电磁制动装置特点,提出一种新型的基于亥姆霍兹线圈的电磁制动装置,建立了板坯结晶器三维数学模型,研究了磁感应强度对结晶器内流场和温度场的影响以及拉坯速度与电磁制动效率之间的关系。结果表明,亥姆霍兹线圈能在覆盖区域形成均匀稳定的磁场,有效抑制射流冲击深度,降低钢液自由液面流速并使其控制在合理范围。同时,磁场的存在消除了结晶器下回流低温区,使得结晶器内温度分布更均匀。数值模拟结果所表征的冶金效果符合电磁制动装置的设计意图,能达到实时控制结晶器自由液面流速的效果。     

薄板坯连铸机新型浸入式水口

基于相似原理,采用1:1的水模型,模拟了薄板坯连铸结晶器内钢液的流场.采用SG800水工数据采集系统对结晶器内液面波动和注流冲击深度进行了定量测量.针对薄板坯连铸高拉速的需要,开发了一种新型的耗散型浸入式水口.通过研究耗散水口上下出口面积比、出口角度以及拉坯速度对结晶器液面波动和对结晶器窄边冲击情况的影响,找出了其中的变化规律,为优化耗散式水口的结构和工艺参数提供了理论依据.通过与普通双侧孔水口的试验比较,证明耗散型水口是一种适合薄板坯连铸高拉速生产的新型水口.     

注流方式对大方坯连铸结晶器内钢水流动与温度状态影响

依据改变水口侧孔射流方向来控制结晶器内钢流流动状态的思想,设计了一种大方坯连铸结晶器新型四分切向水口.对不同类型水口(直通式、四分径向以及四分切向水口)浇注条件下大方坯连铸结晶器内钢水流动形态和温度分布状况进行了流体动力学比较研究.结果表明,新型四分切向水口不仅可以使结晶器内钢水形成上、下两个回流,并能够产生较强的水平旋流.该水平旋流能降低钢水的冲击深度,抑制钢液面波动,促进夹杂物上浮,还具有促进钢水过热耗散的效果.与四分径向水口相比,新型四分切向水口能减弱射流对初生坯壳的冲击,均匀横截面坯壳厚度.此外,该旋流状态使热中心上移,自由液面附近钢水的温度可提高2～6℃,改善化渣条件.     

CSP结晶器内钢液面动态失稳现象的水模型实验

利用1∶1的水力学模型对双侧孔水口下CSP结晶器内部流场流动进行了瞬态研究.结果表明,液面波动具有明显的周期性加剧现象,称之为"液面动态失稳".讨论了不同工艺参数下液面动态失稳的规律,用示踪实验法研究了流场内部的流动特征,分析了"液面动态失稳"与内部流场运动关系.液面的动态失稳现象主要是结晶器内的湍动能由下而上聚集并迅速耗散引起.     

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.     

恒稳磁场控制连铸结晶器内钢液流场热模拟实验

采用BiPbSn低熔点合金和硅油分别模拟钢液和保护渣,在实验连铸机上,对全幅双条恒稳磁场作用下的连铸结晶器水口区域的流场进行了热模拟实验研究·结果表明:电磁场对结晶器水口区域流场和水口出流流股的控制能力取决于磁感应强度和拉坯速度·磁感应强度大,拉坯速度高,控制效果好;反之,控制效果差·因此,结晶器流动控制技术更适合于高拉速的场合,而且磁感应强度不应低于某一定值     

电磁控制下结晶器内流谱和夹杂轨迹的数值预测

对直线电磁铁作用下板坯连铸机结晶器内磁场、钢液流谱和夹杂物运动轨迹进行数值预测，并提出用壁面承受的剪应力的最大差值来标定液流对结晶器窄面凝固壳的冲击强度。结果表明，采用电磁控制（ＥＭＢ）时，结晶器内的钢液流谱能被有效地控制，水口钢液射流对结晶壁的冲击可大大减弱，源电流强度和线圈安放位置是决定控制效果的关键因素。     

CSP结晶器内钢液流动及凝固的数值模拟

应用数值模拟方法,建立CSP漏斗型结晶器内钢液流动及凝固传热耦合模型。针对结晶器内铸坯角部受到强冷的特点,对结晶器内热流密度采用修正方程进行计算,分析热流密度修正系数对铸坯凝固坯壳表面温度计算精度的影响。通过比较不同拉坯速率下结晶器内钢液凝固的特点,研究凝固坯壳对结晶器内钢液流动行为的影响。结果表明,采用热流密度修正系数后,铸坯凝固坯壳角部温度的计算值与实际情况更相符;提高拉坯速率可使铸坯凝固坯壳厚度减小;拉坯速率较大时凝固坯壳厚度随铸坯距弯月面距离的增大基本呈线性增长,拉坯速率为3m/min时,凝固坯壳在生长过程中厚度的增长有短暂的停滞现象;凝固坯壳对钢液流动的影响较大,主要是由钢液有效流动区域减少及两相区额外动量阻损造成的。     

窄板坯结晶器内连铸工艺参数对钢液流场的影响

Computational simulations and high-temperature measurements of velocities near the surface of a mold were carried out by using the rod deflection method to study the effects of various operating parameters on the flow field in slab continuous casting (CC) molds with narrow widths for the production of automobile exposed panels. Reasonable agreement between the calculated results and measured subsurface velocities of liquid steel was obtained under different operating parameters of the CC process. The simulation results reveal that the flow field in the horizontal plane located 50 mm from the meniscus can be used as the characteristic flow field to optimize the flow field of molten steel in the mold. Increases in casting speed can increase the subsurface velocity of molten steel and shift the position of the vortex core downward in the downward circulation zone. The flow field of liquid steel in a 1040 mm-wide slab CC mold can be improved by an Ar gas flow rate of 7 L·min?1 and casting speed of 1.7 m·min?1. Under the present experimental conditions, the double-roll flow pattern is generally stable at a submerged entry nozzle immersion depth of 170 mm.     

板坯连铸电磁制动下结晶器内金属流场的数学物理模拟

采用雷诺时均湍流模型并结合水银物理模拟实验, 研究不同磁场配置下板坯结晶器内的金属流动规律, 并以此分析不同磁场配置对工艺过程的影响. 结果表明: 雷诺应力模型(Reynolds stress model, RSM)能够较准确地反映电磁制动(electromagnetic braking, EMBr)下金属流场的变化, 该变化引起水口射流及其对结晶器窄边冲刷强度的改变; 在全幅二段电磁制动下, 上部磁场对液面水平速度和湍动性的抑制作用明显, 但从化渣和降低冲击深度的工艺要求来看, 上部磁场强度不宜过大.     

薄板坯连铸工艺因素对结晶器非稳定流场特征参数的影响

利用波高仪和粒子示踪法在1∶1的水力学模型中研究了薄板坯连铸工艺参数对结晶器内非稳定流场特征参数的影响.结果表明:流场特征参数随时间变化具有一定的周期性.随着拉坯速度增加,平均射流撞击位置下降,平均回流区中心深度下降,平均波高增加;同时,撞击点、回流区中心深度和波高的变化范围增大,周期减小,结晶器内流动不稳定程度增大.随着水口浸入深度增加,平均射流撞击位置下降,平均回流区中心深度下降,平均波高减小;同时,撞击点、回流区中心深度和波高的变化范围减小,周期增加,流场不稳定程度减小.随着水口出口角度增加,平均射流撞击位置下降,平均回流区中心深度下降,平均波高减小;对于较大的水口出口角,尽管结晶器内流场非稳定流动范围较大,但是流场的运动周期较大,液面波动的非稳定程度却较小.     

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.