电磁旋流水口在钢圆坯连铸中的作用

机械式旋流水口连铸的工业试验结果表明:弯月面的钢液温度、稳定性以及铸坯的等轴晶率等能得到显著提高。但该工艺难以工业应用。本文作者提出了一种新的旋流连铸工艺,即利用水口外的旋转电磁场对钢液的洛伦兹力,使水口内钢液形成旋转流动。本研究通过磁场和流场的三维数值模拟,分析了电磁旋流装置结构对圆坯连铸过程中浸入式水口及结晶器内钢液速度的大小及分布的影响,并应用低熔点合金进行了实验验证。结果表明:非接触方式的电磁力可以有效地使钢液在浸入式水口内产生旋转流动。在同等条件下,圆形电磁旋流装置时钢液的速度分布最对称,速度值最大;改进马蹄形时的水口内流场分布与圆形的较为接近,比采用马蹄形时的更为对称,且速度值更大。在结晶器内,电磁旋流使钢液的冲击深度变小,上返流增强。这有利于温度的均匀化,提高弯月面的温度,以及促进夹杂物的上浮。考虑工业生产的操作方便问题,改进马蹄形电磁旋流装置比较适合生产实际。电磁旋流实验的结果验证了数值模拟的结果及计算方法的可靠性。     

一种新的旋流连铸技术——电磁旋流水口

日本及中国的学者研究表明,在连铸过程中浸入式水口内的旋转流动可以有效改善结晶器内的流体流动状态并提高钢坯的表面和内部质量。笔者提出一种新的旋流连铸技术,即利用水口外的旋转电磁场对钢液的洛伦兹力,使水口内钢液形成旋转流动。对圆形电磁旋流装置作用下圆坯及方坯连铸过程结晶器内钢液流场进行了三维数值模拟,分析了350 A电磁旋流作用下圆坯及方坯结晶器内钢液流场。结果表明：①水口电磁旋流使得圆坯结晶器内的钢液都处于旋转状态。②有旋流时,在方坯结晶器角部的附近可以观察到水平流动;钢液的冲击深度更小,上返流增强。     

钢圆坯连铸过程中渐开式电磁旋流水口数值模拟

提出了一种新的浸入式水口内产生旋流的方法.即在水口外施加可移动的旋转电磁场,非接触地形成钢液旋流.为进一步发挥旋流作用,采用渐开式水口,对圆坯连铸中浸入式水口及结晶器内钢液流场、温度场进行了三维数值模拟,并重点研究了水口渐开角度结合不同旋流强度对结晶器内流场及温度场的影响.研究结果表明,浸入式水口内磁场和旋流速度随着线圈电流强度的增加而增加.当电流强度为500 A,频率为50 Hz时.可产生最大为3 m/s左右的旋流速度.当水口采用同一渐开角度,随着旋流强度的增大,水口出流的冲击深度减小,上返流增强,弯月面温度提高.但当旋流强度增大到一定程度后,结晶器内弯月面附近温度变化不大.采用同一旋流强度,随着水口渐开角度的增加,结晶器内水口出口上方的上返流先增强后减弱,在渐开角度为60°时,上返流最强.同样,弯月面附近温度也是先提高后有所降低,在渐开角度为60°时,弯月面温度最高.水口渐开角度为60°,线圈电流350 A,频率为50 Hz时,在水口入口处施加0.5 m/s水平速度的人工偏流后,电磁旋流能对该偏流进行有效的抑制.     

电磁制动下钢液射流及钢-渣界面波动行为的数值模拟

建立了描述全幅一段电磁制动作用下结晶器内钢液射流及钢-渣界面波动行为的数学模型,采用数值模拟方法研究了不同电磁参数对结晶器内钢液射流及其引起的钢-渣界面波动行为的影响,分析了磁感应强度及水平磁极与浸入式水口之间距离变化对结晶器内钢液射流行为和钢-渣界面波动行为的影响。结果表明,当全幅一段电磁制动稳恒磁场同时覆盖射流冲击区域、上返流和下返流区域时(D=20mm),电磁制动的施加可以有效控制钢液射流结构,降低上返流和下返流钢液流速,稳定钢-渣界面波动;当电磁制动水平磁极与浸入式水口垂直距离较远时(D=220mm),增大磁感应强度不能对结晶器内上返流区域钢液流速进行抑制,不利于钢-渣界面波动的稳定,增大卷渣发生几率。     

板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动及流动行为的数值模拟

建立了板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动行为的三维数学模型,利用数值模拟方法研究了磁场与流场耦合作用下不同工艺参数和电磁参数对结晶器内钢/渣界面波动行为及流场的影响,通过VOF方法对不同条件下的钢/渣界面进行捕捉,讨论不同磁极位置、水口倾角、拉速及线圈电流强度对结晶器内钢/渣界面波动行为和流动的影响。模拟结果表明：电磁制动的施加可以显著降低钢/渣界面波高,减小射流对结晶器窄面的冲击。拉速和水口浸入深度恒定时,磁极位置和水口角度直接影响结晶器内流场形式：当[P＝]40 mm时,增加线圈电流可以降低结晶器内钢/渣界面波高和表面流速,从而减小由液面波动引发卷渣的概率;当磁极距离水口较远时[（P＝]80 mm）,随着线圈电流强度的增大,水口射流的冲击方向向上偏转,引起上回流的流动强度增强,导致钢/渣界面波高增加,增大卷渣发生的概率。     

薄带双辊连铸水口电磁制动的实验模拟

为控制薄带双辊连铸结晶器内金属液面的波动，提出了水口电磁制动（N-EMBr）设想，通过在水口区域施加稳恒磁场与直流电流，减缓水口金属液对双辊熔池的冲击文中对熔池液面的波动情况进行了实验模拟；观测了有无电磁制动及不同水口浸入深度等条件下熔池液面的波动情况，并测量了水口金属液冲击力的相对变化。结果显示，随输入电流增大，水口出量减小，双辊结晶器内液面波动幅度和频率降低，熔池液面趋于平稳，这表明水口电磁制动可望有效抑制熔池液面波动，为解决薄带双辊连铸结晶器内金属液的布流和流动控制问题，提供一种可选择的方法。     

方坯连铸结晶器电磁搅拌磁场与流场数值模拟

随着高速连铸技术发展,人们对连铸坯质量的要求越来越高,结晶器电磁搅拌是保证连铸坯质量一个重要的措施.借助有限元分析方法,对小方坯结晶器电磁搅拌过程进行磁场和流场耦合数值分析,得出了不同频率下钢液内部磁感应强度和电磁体积力及搅拌速度的分布规律.模拟结果表明:在结晶器电磁搅拌时,随着频率的增加,钢液内部磁感应强度降低,电磁体积力在钢液内部分布不均匀;在电流频率为3 Hz时,钢液搅拌速度最大.     

电磁制动下薄板坯结晶器内钢液流动优化

电磁制动对结晶器内钢液流动具有显著影响,为明确电磁力对高拉速薄板坯结晶器内流场分布的影响规律,建立了薄板坯电磁连铸结晶器内钢液流动的三维数学模型,利用数值计算方法研究磁场与流场耦合对钢液的流动影响。模拟结果表明,五段式电磁制动技术产生的恒稳磁场可以显著抑制钢液湍流流动,降低弯月面波动,且具有稳定钢渣界面的作用;通过研究高拉速与制动力的产生关系,揭示了由线圈产生的磁感应强度与不同拉速的匹配程度。     

圆坯电磁软接触连铸系统能耗和磁场特性的模拟

建立了电磁软接触连铸系统能耗分析模型,采用有限单元法,数值模拟了电磁软接触连铸结晶器内的磁场特性和系统功率分布,讨论了频率和线圈电流强度对磁场分布和系统功耗的影响。结果表明,在中间切缝结晶器连铸系统中有59%~65%的电能损失在了结晶器中;铸坯外表面纵向上的最大磁感应强度出现在液面以下5.5mm附近;结晶器内的磁感应强度与线圈电流成正比;在频率为10kHz~100kHz范围内,增加频率,结晶器内的磁感应强度逐渐降低;线圈电流强度不影响磁场的周向均匀性,在频率为20kHz时,磁场周向均匀性较好;系统能耗与线圈电流的平方成正比,频率增加,系统能耗显著增大,相同磁感应强度下,50kHz时所需系统功率为20kHz时的165%。对于178mm圆坯电磁软接触连铸系统,建议采用20kHz的频率。     

大圆坯连铸M-EMS参数对磁场和流场分布的影响

采用有限元法和有限体积法对φ250mm大圆坯连铸结晶器电磁搅拌(M-EMS)磁场和流场进行耦合计算。分析了不同电磁搅拌电流和频率下磁场和流场的分布。研究表明,数值模拟结果与实测结果基本一致。钢液中心面的磁感应强度在角部要明显大于中心。电磁力在横截面周向上分布均匀,流动呈涡旋状。当频率相同时,磁感应强度、电磁力和流速随着电流的增加而增加。当电流相同时,沿拉速方向,磁感应强度随频率增加而减小,电磁力和流速随频率的增加而增加。沿搅拌器中心径向,磁感应强度和电磁力随频率增加而减小,频率对切向流速的影响不大。对于φ250mm大圆坯连铸结晶器电磁搅拌,在电流和频率为480A,3Hz时能起到良好的搅拌效果。     

EFFECT OF SUBMERGED ENTRY NOZZLE （SEN） PARAMETERS AND SHAPE ON 3-D FLUID FLOW IN MOULD FOR BEAM BLANK CONTINUOUS CASTING

1.IntroductionDuring the process of continuous casting, the molten steel flow affects directly the temperature dis-tribution, the speed of heat transfer, the non-metallic inclusion ascending and the uniformity of tempera-ture and chemical component in the mould, which is directly related to the internal and surface quality of casting blank. So it is meaningful to study the molten steel flow in different conditions of SEN parame-ters and shape.Recent years, with the development of computer and…     

水口结构对板坯结晶器液面流动行为的影响

针对不锈钢板坯轧材经常出现的夹渣和表面翘皮现象,以实际生产条件为背景,对其连铸结晶器内钢液流动行为与水口工艺的相关性进行了试验研究。基于相似原理建立了相似比0.65∶1的物理模型,对不同浸入式水口结构和浇注工艺参数下的结晶器液面状态进行了流体动力学行为评价与比较优化。其中,主要研究了拉速、浸入深度、水口倾孔倾角(4°、8°、15°)、侧孔形状(矩形、倒梯形)等对结晶器内液面波动和表面流速的影响。结果表明,连铸拉速和水口浸入深度对液面波动的影响比水口结构显著;水口上倾角由4°增大到8°、15°,结晶器表面流速有减小趋势,但因流股冲击深度减小,导致在结晶器弯月面处的波高增大。综合表明,针对实际连铸拉速1.10 m/min的需要,其适宜的水口结构为倒梯形水口侧孔、上倾8°,其在水口浸入深度110~120 mm范围内,液面平均波高为1.1~1.2 mm,平均表面流速约为0.103 m/s。同时用数值模拟方法比较了优化方案和原方案,同样表明优化方案液面较平稳,剪切卷渣概率较低。     

方坯连铸结晶器内表面流速与卷渣行为模拟

针对中小断面方坯侧分水口浇铸技术,以实际180 mm×240 mm断面方坯连铸结晶器为原型,基于相似原理,采用1：1的物理模型,比较了直通型和侧分旋流型水口浇注时在不同拉速和浸入深度下的结晶器内自由表面流速和渣层状态。结果表明：相同的浸入深度和拉速下,旋流型水口浇注时结晶器内各测点表面流速比直通型水口大;在实验条件下,直通型水口表面流速为0.010～0.023 m/s,旋流型水口为0.010～0.055 m/s,拉速和浸入深度对旋流型水口表面流速的影响较直通型水口显著;此外,采用旋流水口时结晶器的渣层波动要比采用直通型水口时频繁,拉速1.0 m/min、浸入深度120 mm时,其渣层波动适宜,钢渣界面活跃且无卷渣和裸钢现象发生,此时两测点的表面流速分别为0.028和0.032 m/s,是较适宜的工艺条件。     

莱钢异型坯单点非平衡浇铸的数值模拟

采用FLUENT软件对莱钢超薄大断面异型坯直通型水口单点非平衡浇铸的流动、传热和凝固进行了耦合数值模拟,讨论了水口浸入深度、拉速和过热度等工艺参数对流场、温度场和凝固坯壳的影响。结果表明,水口浸入深度的影响较小,而拉速和过热度对浇铸侧窄面注流冲击、温度变化和凝固坯壳生长的影响较大。耦合数值模拟为实际生产工艺参数的制定提供了依据。     

1 600 mm×230 mm板坯结晶器流场及液面波动水模拟研究

以某厂1 600 mm×230 mm的板坯结晶器为研究对象,利用相似原理,建立1：2的物理模型,采用波高检测、粒子示踪等方法,研究了不同水口底部形状、浸入深度以及拉速对结晶器流场和液面波动的影响。试验结果表明：采用凸底浸入式水口,拉速为1.1 m/min,浸入深度为220 mm或260 mm时,结晶器液面波动幅度和注流冲击深度较低,无卷渣现象发生。     

漏斗形结晶器液面流场物理试验与数值模拟分析

当FTSC薄板坯连铸机生产拉速提高到4～6 m/min时,浸入式水口通钢量增加,结晶器内流场扰动加剧,卷渣率提高,对生产顺行及铸坯质量都将产生重大影响。因此,为了解结晶器液面流场,根据实际生产情况,制作了1∶1的结晶器水物理模型,并通过Fluent软件对结晶器液面流场进行了数值模拟,研究了水口浸入深度及拉速对液面流场的影响。结果表明,在水模型物理试验中,水口浸入深度恒定为130 mm时,拉速在4～6 m/min范围内,结晶器表面流速随着拉速的提高而增大,其最大值范围为0.401～0.693 m/s;在6 m/min恒定拉速下,水口浸入深度在130～190 mm范围内,结晶器表面流速随着水口浸入深度的增加而减小,其最大值范围为0.503～0.690 m/s。在数值模拟中,水口浸入深度恒定为130 mm时,拉速在4～6 m/min范围内,结晶器表面流速随着拉速的提高而增大,其最大值范围为0.50～0.75 m/s;在6 m/min恒定拉速下,水口浸入深度在130～190 mm范围内,结晶器表面流速随着水口深入深度的增加而减小,其最大值范围为0.65～0.75 m/s。结晶器表面流速随着距水口中心距离的增大有先增加后减小的规律。     

异型坯连铸长水口浸入深度对中间包流动特性的影响

以异型坯连铸中间包为研究对象,采用FLUENT软件模拟研究了长水口浸入深度对中间包内钢液流动特性的影响。结果表明,随着长水口浸入深度的增加,中间包死区及活塞区体积有减小趋势,而混合区体积则相反;此外长水口浸入深度对中间包内夹杂物去除率有一定影响。     

PIV测速技术分析异型坯连铸结晶器流场

通过建立1[∶]1异型坯结晶器物理模型，采用PIV粒子测速技术，研究断面尺寸为767.3 mm×383.1 mm×103.2 mm异型坯结晶器不同工艺参数条件和不同水口结构对结晶器内流场的影响。PIV实验结果表明，减小拉速和增大水口底部内径可以有效地减小冲击深度，结晶器深度860 mm处水口中心最大流股速度分别下降了27.96%和41.46%；增加拉速和减小水口浸入深度可以提高流场下旋涡上顶点位置。通过减小拉速和浸入深度，增大水口底部内径可以改善结晶器内流场。     

INFLUENCES OF CASTING SPEED AND SEN DEPTH ON FLUID FLOW IN THE FUNNEL TYPE MOLD OF A THIN SLAB CASTER

In recent years, thin slab continuous casting technology has been widely used to improve the quality of the product and to reduce the cost. One of the challenges faced by this technology is to design reasonable flow patterns, which strongly affect the surface and inner properties of the final slab in the mold. With the fixed scales and complex geometrical structures of nozzle and funnel type mold, a series of numerical simulations are made to analyze the flow patterns in melt steel using finite volume method based on structured body fitted coordinate grids. The CFD （computational fluid dynamics） package is validated first using one typical case described in previously published studies, and then it is developed to study the effect of operational parameters on fluid flow in thin slab caster. Two operational parameters, casting speed and SEN （submerged entry nozzle） depth, are mainly considered for numerical analysis. On the basis of present simulations, the reasonable SEN submergence depths corresponding to different casting speeds are suggested according to fluid flow characteristics like, flow jet impingement on the narrow side of the mold, flow speed of the melt steel beneath the meniscus and the recirculation region. This is the first stage of study on the numerical analysis of the whole thin slab casting process with electromagnetic brake.     

连铸工艺对超低碳钢表面线状缺陷的影响分析

从连铸工艺包括拉速、水口浸入深度、浸入水口出口角度、保护渣性能对超低碳钢热轧卷表面线状缺陷进行深入研究并进行现场工业试验,分析了连铸工艺参数对该类缺陷的影响规律。研究结果表明：将230 mm×1 600 mm断面铸坯,拉速由1.2 m/min降低至1.1 m/min,浸入式水口插入深度由130 mm加深至145 mm,水口出口角度由15°增加到18°,均可对抑制浇铸过程液面波动及提高超低碳钢板卷表面质量起到很好的作用。将超低碳钢保护渣黏度由0.306 Pa·s提高至0.364 Pa·s,熔点由1 089 ℃降低至1 062 ℃,可使超低碳钢热轧板卷线状缺陷发生率由8.86%降低至4.49%。