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%。     

7流方坯连铸中间包结构优化

在实验室建立了7流中间包流体流动的物理模型,研究不同的控流装置组成的中间包结构对流体流动特性的影响.研究结果表明,采用原设计的导流隔墙,中间包的流体流动特性差,最小停留时间和峰值时间小,特别是第3,4流.各流的平均停留时间短,死区体积分数大于49%.中间包结构优化后,中间包流体流动特性得到很大改善,各流的停留时间分布曲线由尖窄形变成了宽矮形,最小停留时间在44.75～73.75s之间,平均停留时间延长,均在400s以上,死区体积分数显著降低,在14.45%～21.10%之间.多流中间包应有合适的冲击区体积,设计的控流装置应考虑中间包两端的控流作用.     

四流T型中间包控流装置优化的水模拟分析

以某钢厂四流中间包为研究对象,根据相似原理建立了1∶3的物理模型。模型研究了不同结构的挡墙、导流孔和湍流抑制器对中间包内流动特性的影响。实验结果表明,"Y"型挡墙和梯形湍流抑制器(方案F)组合的控流装置能获得相对较优的实验结果。采用方案F的控流装置后,总体的死区比例从原型的23.69%降为8.02%,钢液能得到更为充分的混匀;各流平均停留时间的标准差从原型方案的23.56降低到7.34,各流一致性也得到了明显的改善。     

非对称两流中间包内流体流动的对称化

采用数值模拟和水模型实验相结合的方法研究了不同控流方案下非对称两流中间包内流体流动行为,并将优化方案进行了工业实验.实验结果表明:采用经典组合方法计算各流的死区时,出现负死区现象,因此采用平均停留时间作为评价参数;原方案中靠近长水口侧出口的平均停留时间为194s,水口两流之间的平均停留时间之差为97s,两流之间钢液温度差为5℃.利用非对称长方形湍流控制器可以实现钢液在湍流控制器出口处流量的非对称分布.采用非对称长方形湍流控制器和多孔挡墙后,近长水口侧出口的平均停留时间为211s,水口两流之间的平均停留时间之差为34s,两流之间钢液温度差为3℃.     

兴澄特钢中间包结构优化

以兴澄特钢连铸中间包为工程背景,根据相似原理建立了中间包水模型系统,研究了4流不同结构的中间包的流体流动特性.研究表明:原结构的中间包同一侧的两流之间的流体流动特性存在很大差异,与内侧流相比,外侧流的最小停留时间、峰值时间小,死区体积大,造成中间包内钢液温度不均匀,夹杂物不能有效地上浮去除,不能很好地满足高质量特钢生产的要求.采用优化后的挡墙和坝组合的中间包控流装置,外侧和内侧的停留时间分布趋于一致,表明外侧流和内侧流之间流动特性相近.中间包结构优化后平均死区百分数由原结构的58.2%降低到10.9%.     

两流T型连铸中间包结构优化

在实验室中以1∶2.5几何相似比建立了两流T型中间包钢液流动的物理模型,保持弗劳德数相等进行物理模拟实验.实验结果表明,原方案中间包结构的最小停留时间为35.00 s,峰值时间为103.75 s左右,平均停留时间约为273.42 s,活塞流体积分数约为17.88%,死区体积分数为29.53%.采用湍控器、一堰和两坝作为该中间包的控流装置,可以大幅度改善中间包的流体流动特性.结构改进后的中间包流体流动特性:最小停留时间达到151.75 s,峰值时间为281.25 s,平均停留时间为354.16 s,活塞流体积分数为55.80%,死区体积分数降低到8.73%.     

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。     

Fluid flow in large-capacity horizontal continuous casting tundishes

The configuration of the tundish for a two-strand horizontal continuous caster was designed and optimized through water modeling. Three designs of the tundish were studied: the original tundish without any flow control devices, the tundish with a turbulence inhibitor at the bottom, and the tundish with an inlet launder and an inclined dam. The residence time, the location and size of the dead zone, and the fluid field pattern were investigated. At the same time, the asymmetry flow field and wavy inlet jet in the horizontal tundish were observed and the reasons for them were discussed. The results indicate that the tundish with an inlet launder and an inclined dam is the best of the three designs.     

两流中间包流场的物理模拟与结构优化

研究了坝、堰的结构和安装位置对55 t两流板坯连铸中间包内流体流动状态的影响,结合RTD曲线计算出的平均停留时间,确定了优化的中间包结构。研究表明:坝、堰组合之后可以改变流体的流动状态,延长流体运动的轨迹,提高流体的平均停留时间,但流体经过坝、堰后都存在一定体积的死区。采用坝1、堰1组合方案的中间包结构最佳,该方案的平均停留时间最长为299 s,死区体积分数最小为31.0%。优化控流参数后,在坝、堰间距为290 mm,堰到长水口间距为383 mm时,流体在中间包内的平均停留时间最长为351 s,死区体积分数最小为19.0%,比不加坝、堰的方案平均停留时间增加了65 s,死区体积分数减小了15.0%。由Newton公式计算表明,此优化方案的中间包去除夹杂物的临界直径为17.5μm,在351 s内夹杂物均能上浮去除。     

集流槽宽度对流水冷式油冷器翅片流动换热性能的影响

采用基于Navier-Stokes方程组对水冷式油冷器翅片中冷内却剂的流动情况进行了模拟。研究了翅片两端集流槽宽度对翅片流动换热性能的影响。结果表明,随着集流槽宽度的增加,翅片内部流动均匀性逐渐提高,流动死区的面积逐渐减小,冷却剂的对流换热逐渐增强,翅片内部高温区中冷却液的温度逐渐降低,冷却液温差逐渐减小。在翅片性能方面,随着集流槽宽度的增加,冷却剂在出、入口间的压降逐渐降低,平均对流换热系数变化不大,传热因子j与摩擦系数f之比逐渐增加,翅片综合性能逐渐提高。     

Numerical investigation of the effect of transitory strand opening on mixing in a multistrand tundish

In a multistrand, the outlet near the inlet produces short circuiting flow. This leads to the formation of dead zones inside the tundish, and consequently, the mean residence time decreases. In the present study, numerical investigation of mixing inside a delta shaped tundish with sloping boundaries was carried out by solving the Navier-Stokes equation and employing the standard turbulence model. To decrease the dead zone volume inside the tundish, the effect of closing the outlet near the inlet for a small amount of time and further opening it on the mixing behavior of the tundish was studied. The outlets near the inlet were closed for varying amount of time, and the transient analysis of fluid flow and the tracer dispersion study were carried out to find the mixing parameters of the tundish, namely, mean residence time and the ratio of mixed to dead volume of the tundish. An optimum closure time of the near outlet has been found, which yields best mixing inside the tundish. The numerical code was validated against the experimental observation by performing the tracer dispersion study inside a multistrand tundish and the reasonably good match between the experimental and numerical results in terms of residence time distribution (RTD) curves. The results obtained from the present study confirm the strong role of choosing the right time for opening and closing the outlets to get improved characteristics for the fluid flow and mixing behavior of the tundish. The educational version of computational fluid dynamics (CFD) software PHOENICS was used to solve the governing equations and interpret the results in different forms.     

单流板坯连铸中间包结构优化

通过对单流板坯连铸中间包的水模实验,研究了不同控流装置对中间包流动特性的影响.研究结果表明,堰、坝的尺寸和位置与湍流控制器(TI)的结构对中间包流动特性影响很大,在该中间包内使用不带顶檐的湍流控制器效果好于带顶檐的湍流控制器.与原方案中间包结构相比,优化后的中间包的流体流动特性得到很大改善,最小停留时间和峰值时间分别从64s和81 s提高到了81 s和163 s,平均停留时间从237s延长到了314 s,死区体积分数从35%降低到了14%,降低了60%.     

多流中间包钢液流动特性分析方法

中间包水模型实验一般采用脉冲刺激-响应实验,分析所得平均停留时间分布(RTD)曲线特征;然而经典组合模型处理多流中间包RTD曲线时经常出现负体积死区分率或结果偏差较大的问题.本文基于组合模型,采用阶段刺激-响应实验,分析所得累计停留时间分布F曲线特征,对死区比例和活塞区比例进行计算.该模型计算方法适用于多流中间包的流场特征计算.基于累计停留时间分布曲线特征分析,对某钢厂七流中间包控流装置结构进行优化,优化后的中间包死区比例降低,各流差异减小,有利于生产顺行和铸坯质量的提高.     

40t 单流中间包控流装置的优化配置

采用水模型和工业验证的方法针对40 t 单流中间包的控流装置进行优化配置研究.通过对单独湍流抑制器控流装置、湍流抑制器+下挡墙组合控流装置、湍流抑制器+下挡墙+上挡墙组合控流装置的研究表明,下挡墙在改善钢液流动形态和减少中间包内死区方面所起的作用大于上挡墙.平均停留时间随下挡墙与长水口的距离增加呈先增大后减小的趋势.确定了单流中间包以湍流抑制器+下挡墙的优化组合形式,死区比例由原来的25.9%降低到了13.6% .通过系统取样分析发现优化后中间包内 T. O 和 N 含量大幅降低,正常坯中的大型夹杂物质量分数也由原来的8.4×10-7降低到3.2×10-7 .     

太钢三炼钢板坯连铸中包结构优化

采用数值模型方法对太钢第三炼钢厂板坯连铸用中间包内部结构几何参数进行了最优化虚拟实验研究,研究中使用的评价指标是钢液在中间包内平均停留时间等三项时间参数,这些参数值用虚拟的示踪剂的脉冲响应实验测量求得.按L16(215)正交表试验设计安排(四因子二水平)全因子实验.实验结果经方差分析、F检验,确定了有显著性影响的因子,按三项评价指标确定最佳工况是:挡墙位置前移至500mm,下口减少至200mm,墙和坝中心线距离仍维持322mm,坝高仍为272mm.虚拟实验结果表明现生产用中包流动情况良好,采用最佳参数后中间包钢液流动的死区将由现工况的4.80%减至4.37%,采用湍流抑制器后死区可进一步减至1.54%.     

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.     

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·     

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.     

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。     

蒸汽-兰炭换热与余热回收特性实验研究

利用自行搭建的蒸汽–兰炭气固换热实验系统,研究了整个料层内兰炭与蒸汽的换热及余热回收特性,分析了颗粒平均粒径、料层厚度、蒸汽流量对兰炭余热回收量和蒸汽?增的影响规律。实验结果表明:随着换热时间的增长,料层整体平均温度以先快后慢的趋势逐渐降低,有效换热系数逐渐减小,热回收量和蒸汽的?增上升;增加料层厚度、减小兰炭颗粒的粒径、提高蒸汽流量有利于有效换热系数的增加,有效换热系数的范围在3.5～52.0 W/(m~2·K)之间。此外,拟合出了粒径、料层厚度、蒸汽流量、料层整体平均温度与有效换热系数的实验关系式。