连铸中间包内流场与夹杂物运动的数值模拟

针对某钢厂方坯连铸中间包,应用数学模拟的方法进行了控流装置的研究,采用Fluent软件计算了中间包的流场、夹杂物的运动以及不同粒度、密度夹杂物的去除率。结果表明,中间包内设置一定的控流装置能够明显改善钢液的流动,提高夹杂物的去除率,尤其对小粒度夹杂物去除率的影响尤为显著。     

控流装置对四流中间包钢水洁净度的影响

为了研究控流装置对中间包钢水洁净度的影响,采用数值模拟和工业试验验证结合的方法对钢厂方坯连铸中间包进行优化。通过在原型中间包基础上增加U型挡墙,使得响应时间增加5 s,峰值时间增加371 s,改善了钢液在中间包内的短路流现象;平均停留时间增加53 s,死区体积分数减小4.1%,活塞区体积分数增加17.3%,改善了夹杂物上浮的条件;各流一致性水平也得到了提高。工业试验结果表明,在受钢区与浇注区之间增加U型挡墙,使得中间包钢液中夹杂物去除率增加了29.05%,中间包各个区域夹杂物最大尺寸最大可减小26 μm,铸坯上夹杂物去除率增加38.42%,铸坯上夹杂物最大尺寸降至16 μm以下。在中间包中使用U型挡墙,提高了钢水的洁净度以及铸坯实物的质量。     

加设控流装置的T型五流非对称中间包流动特性数值模拟研究

基于某炼钢厂非对称五流连铸中间包的技术改造,采用数值模拟技术对加设控流装置的连铸中间包内部速度场和温度场进行模拟计算,得到钢液停留时间分布(RTD)曲线.通过对无控流装置和加设控流装置的对比分析研究表明:设置合理的控流装置位置、小孔直径和开口方向的控流装置,能够明显改善中间包内的流动特性,使钢液的分配均匀,降低了死区的比例,有利于夹杂物的去除.     

六流中间包夹杂物去除的物理与数学模拟实验研究

以某钢厂六流对称小方坯连铸中间包为研究原型,采用水力学试验和数值模拟相结合的方法研究多孔挡墙对中间包内夹杂物去除率的影响,并得到最优的中间包结构。实验结果表明,在中间包未添加多孔挡墙控流装置时,中间包夹杂物的去除率很小,水力学实验结果为61.51%,数值模拟实验结果为73.3%;采用优化后的30°多孔挡墙型挡墙后,中间包的夹杂物去除率得到明显改善,水力学实验结果为82.45%,数值模拟实验结果为83.0%,多孔挡墙的添加有助于中间包中夹杂物的去除。     

过滤控流中间包流场及夹杂物去除的数值模拟

以60 t板坯连铸中间包为研究对象,采用雷诺平均方程、组分输送以及离散相模型分别计算了高拉速下中间包内钢液流场特征演变以及夹杂物运动轨迹和去除率。结果表明,采用多孔过滤控流装置后,10 μm的小夹杂物去除率提升了10%以上。与45°倾角过滤器中间包相比,55°倾角过滤器中间包的夹杂物去除率增加约5.3%,其顶部孔为水平方向,减小了卷渣与钢液裸露的风险。通过RTD曲线获得多孔过滤控流中间包的钢液停留时间缩短了30~50 s、死区体积比增加0.03%,但夹杂物去除率明显提高。因此,采用停留时间、死区体积比等宏观流场特征参数评估中间包内夹杂物去除效率的方法已不适应过滤控流装置中间包的开发研究,宜采用速度云图、夹杂物运动轨迹等微观分析方法评估其冶金效果。     

八机八流中间包内夹杂物运动行为数值模拟

采用数值模拟软件,选择多相流模型,模拟八机八流中间包内钢液,分析了夹杂物在中间包内钢液流动情况下的运动轨迹,探讨了50、100、150和200μm 4种尺寸夹杂物在钢渣界面的分布情况,定量化计算四种尺寸夹杂物在八机八流中间包内的去除率。结果表明,四种尺寸夹杂物进入八机八流中间包的含量均为0.01%,其去除率分别为6.5%、65%、71.25%、88.5%。表明大尺寸夹杂物更有利于去除,3、6号出口的设置有利于小夹杂物的去除,1、8号出口的设置有利于大尺寸夹杂物的去除。     

六流T形连铸中间包内控流装置优化的水模试验研究

通过水模试验研究,对六流T形连铸中间包内的控流装置进行了优化。通过试验选择了控流较好的多孔挡墙形状,优化了多孔挡墙的开孔方向;研究了不同形状的湍流抑制器对中间包内钢液的控流效果。     

连铸中间包内夹杂物去除机理的水模型研究

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、浇铸速度及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-挡坝组合控流去除夹杂物效果最佳,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;中间包注流区加入冲击槽,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;浇铸速度较高时,仅靠控流装置的优化已不能很好地改善夹杂物的去除效果.     

八流中间包内控流装置结构的数理研究

针对某钢厂8流无控流装置中间包,应用物理和数值模拟方法进行了控流装置的优化研究.数值计算获得的结论与物理模型实验结果相吻合.使用优化的控流装置,利于夹杂物的上浮去除,延长了钢液在中间包内的平均停留时间,有效减小了各流间的停留时间差和钢液温度差,死区体积由48.2%下降至5.6%,中间包内流体的流动特性得到改善.     

双层带填料挡墙中间包的物理模拟

通过水模型实验,用高密度聚乙烯微粉作为夹杂物模拟介质,研究了不同条件下带填料的双层挡墙对中间包内流场和夹杂物去除率的影响。结果表明,五种带填料的双层挡墙方案,随着填料粒度的增加,流场得到改善,夹杂物去除率整体上呈增加的趋势,对于粒度分布为58~75μm和75~106μm的模拟粒子(对应钢液中21~28μm和28~39μm的夹杂物)的去除率,去除率最高的带填料的双层挡墙方案,比原用挡墙提高了10%以上。     

中间包流场控制技术的进展

合理控制中间包的流场有利于促进钢液中夹杂物上浮、均匀钢液成分和温度。水模型试验和数值模拟是两种主要的中间包流场研究方法,各有优缺点应相互补充。数值模拟成本低廉速度快,但受限于边界条件的不确定性和湍流模型的局限性难以完全真实反映中间包内的流场。水模型试验能够较为准确地模拟中间包内流场,但无法准确模拟温度场、水口结瘤、覆盖剂和吹气等对中间包流场的影响。研究表明,湍流控制器对降低长水口钢液射流的湍动能、均匀钢液温度和成分、聚拢射流让其转向向上流动降低死区体积分数、延长平均停留时间和优化流场结构具有很好的作用。湍流控制器、堰、坝和导流挡墙合理组合,协同发挥的控流效果,优于单一控流装置的效果。合理调节堰与包底距离、挡坝高度、堰与挡坝距离、堰与出流口距离、挡坝开孔的个数、尺寸和角度,可以优化中间包流场,促进夹杂物去除。气幕挡墙对钢液进行气洗可以提高钢液洁净度。环形气幕挡墙解决了条形气幕挡墙夹杂物去除率低、且不稳定的问题,提高了夹杂物去除率。最后,中间包流场数学模型精细化,并考虑连铸过程中更多工艺与边界条件的影响是未来发展的趋势。对于中间包流场研究的特定问题,针对性设定优化指标,会使得优化研究工作事半功倍。水模型试验作为中间包控流技术的另一种重要研究手段,同样越趋精确化,不断有研究者以提高试验精度为目的在试验方法和测量原理上进行探索和创新。     

板坯连铸异型中间包卷渣水模型实验研究

为改善连铸板坯质量,通过水力学模拟研究了中间包内钢液的流动,并测量了在非稳定浇注条件下避免钢液卷渣的中间包内钢液的临界高度,确定了在中间包内设置抑湍器、坝和堰的混合控流方案。结果表明：中间包设置控流装置后,平均停留时间增加,有利于夹杂物的上浮;同时确定了中间包卷渣的临界高度。     

板坯连铸中间包中夹杂物运动的模拟

中间包现在已成为去除夹杂物的一种精炼装置.通常在中间包内安装上下挡墙来改变流体流动和夹杂物的运动轨迹,提高夹杂物的去除率.利用软件进行模拟计算研究中间包内上下挡墙之间的距离,以及到入水口的距离对夹杂物去除的影响,从而合理地设计中间包内上下挡墙,使夹杂物去除达到最佳的效果.计算结果表明,上挡墙到入水口的距离和夹杂物的去除率间关系不明显,受到其他因素较大的影响;下挡墙与入水口越远,明显对夹杂物的去除越有利.上下挡墙之间的距离对夹杂物的去除没有明显规律性的影响.     

八流一体式中间包流动和传热特性的研究

某钢厂的八流小方坯连铸机一体式中间包存在中间包流场不稳定且温度场不均匀,各流温度相差较大,最大相差6℃;采用正交试验的方法,利用数值模拟对中间包控流装置的试验方案进行流场、温度场以及流动特征进行研究,优化出新的控流装置。研究结果表明:原中间包控流装置下的中间包内钢液流场不合理,各流流动特征相差较大且温度差异明显,采用优化后新的控流装置后,各流钢液的流动模式趋于一致,且温差明显缩小,夹杂物去除率提高。实际冶金效果显著,生产Q235钢各流最大温差为4℃,连浇时间可达32 h且控流装置基本完好。     

6流中间包流场的数值模拟优化

采用CFD软件FLUENT对6流中间包内的流场进行了数值模拟,分析了6流中间包内的流场特征,以及有无C型挡墙的加入,中间包内流场的变化情况。模拟结果表明,C型挡墙的加入使6流中间包各流的流动更加均匀,有利于钢液温度和成分的均匀;C型挡墙的加入使6流中间包近流的平均停留时间增加,利于夹杂物的上浮去除。     

导流孔设计对中间包冶金效果影响的数值模拟仿真

采用FLUENT对某钢厂八流T形中间包不同挡渣墙上导流孔的设计形式进行了模拟研究,计算了不同工况设置下中间包内的流场、温度场、钢液的停留时间分布,以及对夹杂物的捕获情况。结果表明:增大导流孔孔径和导流孔上倾角度,有利于均匀中间包温度场。增加导流孔的上倾角度可显著提升中间包夹杂物的去除率,这种效果比改变导流孔孔径对夹杂物去除率的影响更显著。综合计算结果分析,导流孔孔径为100 mm、上倾角度为25°时,中间包的冶金效果较优。     

CSP连铸中间包流场数学模拟优化与实践

采用FLUENT商业CDF软件,以CSP连铸机中间包内钢液的流动行为为研究对象,模拟计算了控流装置的布置方式对中包内钢液流动行为和夹杂物运动轨迹的影响。结果表明,在没有安装挡坝只有挡墙的情况下,中包内存在较大短路流,现有的布置方式效果不理想,经过优化的控流装置布置方式能够得到较合理的流场分布,利于夹杂物的上浮排除。经过实际生产过程的跟踪,优化后薄规格产品的夹杂缺陷有所降低。     

连铸板坯中间包内控流装置优化的水模型研究

根据国内某钢厂单流板坯连铸中间包工艺及设备条件,本文利用1∶2水模型研究了挡墙、挡坝位置、挡坝高度以及导流孔倾角对中间包内钢液流动行为的影响。实验结果表明:增大挡墙、挡坝间距,挡坝对钢液流股的抬升作用减弱,挡墙与挡坝间距较小,挡坝高度较高时,挡坝对钢液流股的抬升作用较强,较强的流股抬升作用不利于形成有效的表面流;增大挡墙、挡坝与浸入式水口的距离,中间包内钢液平均停留时间先减小、后增大、再减小,出现峰值现象;增大挡坝导流孔倾角有利于延长钢液在中间包内的停留时间;获得的最优控流装置参数是:挡墙、挡坝间距为450 mm,挡坝距中间包浸入式水口中心距离为1 160 mm,挡坝高度280 mm,挡坝导流孔倾角30°,对应的中间包内模拟钢液平均停留时间为6.23 min,实际的钢液停留时间为8.81min。     

控流装置对中间包钢水流场和洁净度的影响

为研究控流装置对中间包内钢水流场影响,采用水模型和工业验证相结合方法针对某钢厂板坯连铸中间包进行优化。通过对不同控流组合中间包的优化得出,湍流控制器+下挡墙组合最优;通过对下挡墙的位置和高度的优化得出,下挡墙高300mm、距长水口距离1900mm为最佳方案。优化中间包后,钢液在中间包内平均停留时间由304.1s增加至342.1s,死区比例由18.5%降至8.4%。工业试验表明,采用优化后中间包,IF钢铸坯平均氧质量分数降低了16.8%,平均氮质量分数降低12.5%,铸坯10μm以上夹杂占比由8.6%降至6.1%。     

大方坯六流中间包少流浇注时钢液的流动行为

在连铸过程中,由于钢水不足或设备故障,为适应生产节奏,关闭多流中间包单个或多个水口是常见操作。然而,水口的关闭会导致中间包流场发生变化,并进一步影响到中间包内夹杂物的去除效率。为此,针对某钢厂重轨钢用大方坯六流中间包,应用数值模拟的研究方法对关闭不同单个水口时中间包内的钢液流动行为以及夹杂物去除情况进行了研究,得出了最佳关停水口方案,为中间包水口关停的选择提供了必要依据。研究结果表明,当中间包关掉任意一流浇注时,中间包内的死区体积均会略微上升;关闭第一流对于中间包内夹杂物的去除的影响最小,此时10、30、50、70、90 μm的夹杂物去除率分别由正常浇注时的12.4%、39.1%、74.2%、93.3%、95.6%变为14.7%、36.4%、76.4%、85.3%、93.8%。