行波磁场旋转搅拌对板坯结晶器内冶金行为的影响

基于电磁热流体与凝固传输理论建立了无间隙原子(IF)钢板坯连铸的三维耦合数值模型,研究了不同拉速下行波磁场旋转搅拌(EMRS)对2 150 mm×230 mm断面板坯结晶器内电磁场、流场、传热与凝固等冶金行为的影响,提出了行波磁场旋转搅拌对结晶器冶金性能影响的多参量评价方法。结果表明,EMRS作用下搅拌器中心横截面上磁感应强度和电磁力的最小值都出现在铸坯中心且电磁力矢量出现了6个涡心。当拉速从0.84 m/min提高到1.84 m/min时,结晶器内液面速度增大,在搅拌器中心横截面位置处,电磁力的涡数量由6个减少至4个。随着拉速增大,宽面凝固前沿最大冲刷速度、窄面附近最大液面波高及钢液冲击深度均增大,而窄面凝固前沿最大冲刷速度和结晶器出口坯壳厚度随拉速增大而减小。     

基于多场耦合模型的连铸结晶器内钢液凝固行为分析

针对连铸结晶器内钢液的流动、传热、凝固耦合变化问题,应用连续介质力学和能量守恒理论,建立了板坯连铸结晶器内钢液流动、传热和凝固的三维非稳态数学模型。在此基础上,应用COMSOL软件进行数值模拟和分析。将耦合模型计算得到的凝固坯壳厚度与经验公式进行对比验证,总体符合较好。结果表明,结晶器内钢液流动的基本特征与单流场模型相比并没有发生变化。但是,钢液的上、下回流涡心到自由面的距离及流股冲击深度均有所减小。在靠近结晶器窄面的部分区域由于凝固坯壳的形成,不会出现钢液流动现象。由于凝固坯壳的存在,自由面钢液流速变大,自由面钢流波动更加剧烈。由于钢液的强制对流传热,结晶器内部钢液温度并不是由内到外逐渐降低的,而是出现了小幅度的波动。在结晶器出口处钢液温度较低,且分布不均匀,部分区域温度梯度较大。由于钢液的对流作用促进了钢液的热量传递,结晶器出口处窄面、宽面及角部凝固坯壳更厚。     

坯壳导电性对电磁制动结晶器多物理场的影响

采用雷诺时均方法,标准k-ε模型研究电磁制动下凝固坯壳导电性对板坯连铸结晶器内流场和电磁场的影响。计算了3种不同工况,1—忽略凝固坯壳导电性,2—凝固坯壳电导率取定值,该值等于钢液电导率,3—凝固坯壳电导率随温度变化,并对比了3种工况下感应电流、洛伦兹力、焦耳热及速度分布。结果表明,相较于凝固坯壳绝缘的情况,坯壳导电时,上环流减弱,下环流增强,环流涡心区域扩大;洛伦兹力、感应电流密度、焦耳热最大值出现在水口和射流区域,在制动区域内数值较高,随着远离制动区域而迅速衰减;坯壳导电时,数值和分布范围较坯壳绝缘时均有明显提高;电磁制动下坯壳导电性影响显著,因此模拟计算时凝固坏壳的导电性不应被忽略;由于凝固坯壳电导率接近钢液,因此工况2、3差异微小,由凝固坯壳导电引起的流场、感应电流密度分布和焦耳热分布的变化在工况2下变化幅度略大于工况3。     

平行板型薄板坯连铸结晶器中钢液流动、凝固及溶质分布的三维耦合数值模拟

针对薄板坯平行板型连铸结晶器，建立了Fe—C二元合金紊流流动、凝固及溶质传输的三维耦合数学模型；并与水口模拟计算相结合，计算、分析了薄板坯平行板型结晶器内钢液的紊流流动、凝固及溶质分布．计算结果表明，由于薄板坯厚度尺寸限制，钢液液流冲击深度相对传统板坯明显减小，出水口射流对窄壁的冲击减弱，而对铸坯宽面的冲刷加强．出结晶器后，钢液流动变为向下的均匀平推运动．在结晶器出口处，由于钢液流动、凝固及溶质传输的相互作用，使得铸坯宽面靠近窄壁处的凝固壳厚度最薄，并在此处产生溶质分布强烈变化，易导致拉漏缺陷．     

水口结构对超宽板坯连铸结晶器内流场和温度场的影响

建立了超宽板坯结晶器两相热流耦合模型,对比计算了4孔和5孔的浸入式水口与传统二分式水口结晶器内钢液流动和温度分布情况,重点比较了采用3种水口结晶器内自由液面波动情况和该处钢液的流动与传热行为以及结晶器出口处钢液温度分布情况。研究表明,对于超宽板坯连铸结晶器,5孔水口和4孔水口结晶器的流动和传热行为都优于传统二分式水口,而且5孔水口结晶器出口处的温度分布更有利于铸坯凝固,改善中心偏析。     

Ar气泡在连铸坯固/液界面处运动行为的物理模拟研究

针对连铸过程中水口吹Ar工艺导致的铸坯缺陷,利用Cu质水冷插针进行物理模拟实验,研究了气泡在连铸坯固/液界面处的运动行为.通过观察气泡在固/液界面的运动行为,研究气泡被铸坯捕获机理.同时,对现场铸坯进行了取样分析,发现弯月面处生长的枝晶是气泡被凝固坯壳捕获的一个重要因素,进而提出生产中采用水口电磁制动和结晶器窄面处电磁搅拌的方法来改善铸坯质量,减少气泡凝入铸坯.     

板坯结晶器电磁制动和吹氩过程的钢/渣界面行为

利用数值模拟方法研究了板坯结晶器电磁制动和吹氩耦合作用下吹氩量,拉速和线圈电流强度等不同工艺参数对钢/渣界面行为的影响规律,分析了结晶器内液面波动指数F与液面波动间的关系.研究表明,在一定拉速和电磁制动条件下,吹氩量增加会加剧钢/渣界面的局部波动,F值随吹氩量增加而增大,弯月面处的液渣厚度与F值呈线性递增关系;在一定吹氩量和电磁制动条件下,拉速增加并没有恶化水口附近的钢/渣界面波动,而使F值增大,弯月面处的液渣厚度与F值呈线性递减关系;在一定拉速和吹氩量条件下,增加线圈电流强度会加剧水口附近的钢/渣界面波动.     

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。     

软接触电磁连铸方坯结晶器的传热分析

概述了钢的软接触电磁连铸技术的发展现状及存在的问题.根据实际生产中软接触电磁连铸的结晶器的设计参数,通过建立凝固传热过程的数学模型,分析了钢液在切缝式软接触结晶器内的凝固过程.计算了结晶器水孔内水的流速、坯壳厚度、坯壳外壁的温度.计算了钢液在结晶器内单位时间放出的总热量和平均热流,并对结晶器各壁温度进行了校验,使软接触电磁连铸结晶器满足实际生产要求.     

板坯连铸机内钢液流动和夹杂物碰撞长大行为

采用数值模拟方法研究了板坯连铸机内钢液流动、夹杂物碰撞聚合行为.由于凝固坯壳的向下运动和上升流股的相互作用,在结晶器窄面附近形成一个角部涡.此角部涡的存在使夹杂物的浓度、数量密度和特征尺寸的分布在结晶器窄面附近产生一个极值.数值模拟结果还表明钢液的对流输运是影响夹杂物分布的重要因素.由于钢液上部回流区的存在,夹杂物分布显现环状特征.在结晶器下部,由于壁面效应和夹杂物碰撞聚合,夹杂物在中心截面上形成"W"形分布,在水平截面上形成"8"字形分布;而在铸坯窄面和水口下方对称面处,夹杂物形成"V"形分布.     

The interfacial behavior of molten steel and liquid slag in a slab continuous casting mold with electromagnetic brake and argon gas injection

利用数值模拟方法研究了板坯结晶器电磁制动和吹氩耦合作用下吹氩量、拉速和线圈电流强度等不同工艺 参数对钢/渣界面行为的影响规律, 分析了结晶器内液面波动指数F与液面波动间的关系. 研究表明, 在一定拉速 和电磁制动条件下, 吹氩量增加会加剧钢/渣界面的局部波动, F值随吹氩量增加而增大, 弯月面处的液渣厚度与F 值呈线性递增关系; 在一定吹氩量和电磁制动条件下, 拉速增加并没有恶化水口附近的钢/渣界面波动, 而使F值 增大, 弯月面处的液渣厚度与$F$值呈线性递减关系; 在一定拉速和吹氩量条件下, 增加线圈电流强度会加剧水口附 近的钢/渣界面波动.     

宽厚板坯连铸结晶器渣道内热行为研究

根据宽厚板坯结晶器内初凝坯壳动态热收缩所确定的渣道宽度、保护渣的液-固状态及厚度分布、铸坯表面和铜板热面的温度分布,以及气隙厚度的动态变化等,建立了结晶器渣道热流计算模型,并在此基础上,通过将该模型嵌入至结合结晶器铜板分析的坯壳凝固过程二维瞬态热/力耦合有限元分析模型,研究分析了国内某钢厂实际宽厚板坯连铸工况下,结晶器内某碳钢凝固过程中结晶器渣道内气隙、保护渣厚度分布,以及热流变化的规律。     

3D NUMERICAL SIMULATION OF FLOW FIELD AND TEMPERATURE FIELD IN A ROUND BILLET CONTINUOUS CASTING MOLD WITH ELECTROMAGNETIC STIRRING

建立了描述圆坯连铸结晶器电磁搅拌过程的三维数学模型. 采用有限元和有限体积结合的方法求解Maxwell方程组和湍流Navier-Stokes方程, 分析了结晶器电磁搅拌过程的磁场、流场、温度场和夹杂物轨迹特征, 并考虑了励磁电磁强度和频率的影响. 研究表明, 磁场模拟结果与现场实测数据一致, 电磁力在圆坯水平截面上呈周向分布. 钢液在结晶器纵截面内形成两对回流区, 且在水平截面内旋转流动; 过热钢液滞留在结晶器上部区域, 铸坯芯部温度迅速降低, 凝固前沿温度梯度提高; 大部分夹杂物积聚到结晶器上部区域旋转运动. 励磁电流强度和频率对结晶器内钢液的流动、温度分布及夹杂物运动均有明显影响.     

静磁场对吹氩结晶器内弯月面行为的影响

用Pb-Sn-Bi液态合金模拟了吹氩和施加静磁场时结晶器内弯月面处的流动现象,观察磁场对吹氩引起的弯月面失稳的抑制作用.结果表明,施加磁场改变了Ar气泡通过弯月面的漂浮分布规律,加强了气泡在水口和窄面之间的漂浮,使Ar气泡在结晶器宽度方向上漂浮分布更均匀,减小了水口附近由于大量气泡上浮对液面的扰动.施加0.5 T磁场能对水口出流以及吹氩所产生的液面波动产生抑制作用.由相似准则推得,应用在实际连铸机上抑制吹氩板坯连铸结晶器内液面波动的合适磁场强度为0.36 T.     

EFFECT OF SEN DESIGN ON SURFACE FLUCTUATION AND SOLIDIFYING SHELL IN SLAB MOLD AND ITS OPTIMIZATION

Turbulent flow and heat transfer coupled with solidification in slab continuous casting mold was studied by numerical simulation method. Volume of fluid （VOF） model is used to solve steel-air two-phase flow problem and enthalpy-porosity scheme is introduced to solve the fluid flow problem involving solidification. Contributions of various nozzle port angles and port widths and heights on the free surface fluctuation and the thickness of solidifying shell in slab mold were particularly investigated, based on which the structure of submerged entry nozzle was optimized. Flow inside the common nozzle port cannot fill the entire outlet area, having a recirculation in the upper portion of the port, which is enlarged for the nozzle port with both larger height and width. Results show that the flow in mold cavity is mainly controlled by the nozzle port angle. The increase of the angle of upper face of the port to shape a roughly streamlined inner-wall improves the effective area fraction of the nozzle, resulting in less jet impingement, weaker free surface turbulence and thicker solidifying steel shell.     

Effect of superheat,mold, and casting materials on the metal/mold interfacial heat transfer during solidification in graphite-lined permanent molds

Heat transfer during the solidification of an Al-Cu-Si alloy (LM4) and commercial pure tin in single steel, graphite, and graphite-lined metallic (composite) molds was investigated. Experiments were carried out at three different superheats. In the case of composite molds, the effect of the thickness of the graphite lining and the outer wall on heat transfer was studied. Temperatures at known locations inside the mold and casting were used to solve the Fourier heat conduction equation inversely to yield the casting/mold interfacial heat flux transients. Increased melt superheats and higher thermal conductivity of the mold material led to an increase in the peak heat flux at the metal/mold interface. Factorial experiments indicated that the mold material had a significant effect on the peak heat flux at the 5% level of significance. The ratio of graphite lining to outer steel wall and superheat had a significant effect on the peak heat flux in significance range varying between 5 and 25%. A heat flux model was proposed to estimate the maximum heat flux transients at different superheat levels of 25 to 75 °C for any metal/mold combinations having a thermal diffusivity ratio (α _R) varying between 0.25 and 6.96. The heat flow models could be used to estimate interfacial heat flux transients from the thermophysical properties of the mold and cast materials and the melt superheat. Metallographic analysis indicated finer microstructures for castings poured at increased melt superheats and cast in high-thermal diffusivity molds.     

A numerical analysis of fluid flow, heat transfer and solidification in the bending-type square billet continuous casting process

A numerical modeling system was developed which can simulate the transport phenomena of a bending type square billet continuous casting process. Fluid flow and heat transfer were analyzed with a 3-dimensional finite volume method (FVM) with the aid of an effective heat capacity algorithm for the solidification. For a complex geometry of the bending type billet caster, a body-fitted-coordinate (BFC) system was employed. The bent structure of the caster allows a recirculating flow to develop in the upper and outer-radius region and the main stream to shift toward inner radius. This causes the thinner solid shell in the inner radius region than in the outer one. Besides standard operation conditions, we have analyzed the results when casting speed, caster shape, and tundish superheat changes. Lower casting speed makes the solid shell thicker by reducing heat flux from the mold. In the vertical caster, solid shell thickness are more uniform than that in the bending-type in entire region. When superheat increases by 5°C, solid shell thickness at the mold exit becomes thinner by 1 mm.     

高碳钢连铸保护渣的性能

为了研究高碳钢保护渣在连铸过程中的匹配性,对典型工业高碳钢保护渣的熔化、润湿、黏度、渣膜分布,以及传热性能进行研究。结果表明,4个高碳钢保护渣的开始熔化温度范围为1 110~1 129 ℃,润湿角范围为30.1°~37.8°,黏度范围为0.210~0.312 Pa·s,转折温度范围为1 046~1 130 ℃,渣膜的液态层比例为14.7%~18.9%。其中,1号高碳钢保护渣熔化温度较低(熔化区间1 110～1 345 ℃)、黏度较低(0.264 Pa·s)、渣膜液态层较高(比例为18.9%)、转折温度(1 059 ℃)和控热能力均适宜,表明该渣在高碳钢连铸结晶器中可以迅速熔化,形成足够的液态渣,并从弯月面渗入渣道,形成均匀的渣膜,从而润滑铸坯,避免黏结漏钢和裂纹等缺陷,保障高碳钢连铸的顺行。     

吹氩板坯连铸结晶器内钢/渣界面行为的数值模拟

利用VOF方法和Lagrange两相流模型描述了吹氩结晶器内钢/渣界面行为,并用水模型实验检验了数值模拟结果.在此基础上考察了吹氩量、拉速、结晶器宽度、水口浸入深度及气泡尺寸对钢/渣界面卷混的影响规律.结果表明:拉速为1.8 m/min时,增大吹氩量,结晶器的上回流区逐渐消失,气泡对界面的扰动则不断加剧;吹氩量一定时,拉速由1.2 m/min增至2.2 m/min的过程中,气泡的冲击深度增加,氩气泡对钢液流型和界面形状的影响减弱;增加水口浸入深度对抑制吹氩下界面波动作用明显,而结晶器宽度对此影响较小;气泡尺寸显著影响钢/渣界面行为.     

结晶器保护渣的润滑与传热控制功能剖析

对保护渣渣膜在润滑与控制传热两个方面的功能发挥进行了剖析,如黏-温曲线、转折温度,渣膜结晶状态和析出相进行了研究,并指出渣膜的转折温度、结晶率对润滑功能发挥起主要作用;而渣膜的闭孔率、表面粗糙度、枪晶石比例对控制传热功能具有关键性的影响。同时,对3种典型保护渣的渣膜凝固特性进行了研究,讨论了与钢种特性和连铸工艺相适应的保护渣基本性能参数,如碱度、熔点、黏度、转折温度、烧结性能、渣膜中气体等对发挥润滑与控制传热两个功能的影响。提出了保护渣管理方面需要重点控制的内容,如保护渣全水含量高低,生产过程中更换不同性能保护渣对传热与润滑的持续影响,液渣池深度的合理值等。