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.     

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。     

气幕挡墙对中间包流场和夹杂物去除的影响

为了减轻高钛含量下钢水连铸过程夹杂物产生的不利影响,建立了中间包流场、夹杂物运动及去除模型,考虑了气泡对夹杂物的吸附,重点研究了气幕挡墙及其安装位置对流场和夹杂物的影响。结果表明,小粒径颗粒在钢水带动下跟随性好,且自身浮力小,在无吹气情况下,1～10μm粒径的夹杂物去除率较低。当吹气流量为5 L/min时,Al₂O₃和TiN夹杂物的去除率均明显提高,在粒径范围1～10μm内,Al₂O₃的去除率为21.7%～34.6%,TiN的去除率为22.7%～33.14%。当气幕挡墙位于湍流抑制器和上挡墙之间时,由于钢液形成的回流速度大,夹杂物和气泡碰撞的概率增加,进而被气泡捕获的概率增加,更有利于夹杂物的去除。本研究为高钛钢连铸过程夹杂物去除提供了理论指导。     

五流T型中间包控流装置的优化

采用数值模拟的方法,研究了不同开孔挡墙的控流装置对五流T型中间包内钢液流场、温度场和夹杂物去除率的影响。结果表明:五流T型中间包添加控流装置之后,明显改善了中间包内的流场和温度场,且包内的死区范围减少,促进了钢液成分的均匀;中间包加开孔挡墙且孔向上倾斜45°,30μm的夹杂物去除率提高了11.5%,50μm的夹杂物去除率提高了9.1%,70μm的夹杂物去除率提高了5.8%,提高了钢液的质量。     

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。     

单流中间包底吹氩气去除夹杂物的数值模拟研究

以宝钢特钢提供的单流板坯连铸机的梯形中间包为原型,在中间包结构内部加装吹气装置,运用FLUENT软件进行了气-液两相流动、热传输和夹杂物去除的数值模拟研究。结果表明,当吹气量为0.3 m~3/h,吹气位置距离入口1 700 mm时,中间包内钢水流动状态得到明显改善,钢液流动更加合理,增加了钢液在中间包内的停留时间,促进夹杂物的上浮去除,夹杂物的总去除率为66.9%。     

中间包气幕挡墙的夹杂物行为研究

介绍了中间包气幕挡墙的工作机理,分析了气幕挡墙对中间包内钢水流场和夹杂物的影响,气幕挡墙的位置和吹气量等对其冶金效果会产生显著的影响,认为设计合理的气幕挡墙可以改善中间包内钢水的流场,延长钢水停留时间利于夹杂物的上浮。另外,通过微气泡的吸附作用50μm以下的夹杂物去除概率明显增加。     

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。     

中间包双板多孔挡墙流行控制去除夹杂物效果的模拟研究

为净化钢液、提高夹杂物在中间包内的上浮率,提出一种新型中间包挡墙流动控制形式－双板多孔挡墙流动控制。通过数值模拟方法结合水模型实验,对中间包内流体流动及夹杂物的传输行为进行了分析研究。结果表明,采用多孔挡墙流动控制可以有效地改变中间包内流场分布,促进夹杂物上浮,提高钢水清洁度。     

中间包钢液中夹杂物去除的物理模拟研究

建立了中间包1[∶]3水力学模型,对某厂连铸中间包由28 t扩容至40 t后,进行中间包结构优化。通过分析中间包挡墙、挡坝和覆盖剂作用,研究了中间包结构对夹杂物去除的影响规律。夹杂物去除物理模拟与计算结果均表明：粒子粒度分别为－30～－50、－50～－80、－80～－100、－100～－180和－180～－300目时,在中间包基本结构下,夹杂物去除率分别为97.9%、75.7%、64.0%、60.3%和56.3%,相比于中间包基本结构,挡坝内移1 cm对于各种尺寸的夹杂物的去除率均有提高,各尺寸夹杂物的去除率分别为98.7%、82.3%、66.6%、62.9%、57.4%;用混合油模拟中间包覆盖剂,各尺寸夹杂物的去除率分别为98.9%、87.43%、75.14%、70.0%、63.4%,中间包夹杂物的去除率进一步提高。实际生产过程中,中间包改造后,夹杂物尺寸变小,夹杂物数量明显减小,夹杂物的数量较中间包改造前减少了53%。     

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。     

不锈钢连铸中间包内夹杂物去除行为数值模拟

针对中间包连铸过程中夹杂物的存在易导致铸坯出现质量缺陷的问题,以不锈钢连铸中间包为研究对象,通过数值模拟方法研究了控流装置、夹杂物密度以及夹杂物尺寸等参数对中间包内夹杂物去除行为的影响规律。研究结果表明,在设置堰坝和湍流控制器中间包内,密度为2 700 kg/m3,粒径为5 μm的夹杂物去除率为63.32%,而150 μm的大尺寸夹杂物去除率可达到89.04%。当夹杂物粒径为10~50 μm,密度为2 700~4 500 kg/m3时,夹杂物密度对夹杂物去除率影响较小。无控流装置中间包时,夹杂物在顶渣层呈以中心纵截面对称的分布;设置堰坝中间包时,挡渣堰坝两侧出现了70 μm以上夹杂物密集区;设置堰坝组合湍流控制器中间包时,夹杂物主要被限制在中间包第一腔室自由液面,研究结果对于进一步发挥不锈钢连铸过程中的中间包冶金功能具有指导意义。     

优化高拉速板坯连铸中间包控流装置的水模型和数值模拟

通过建立模拟高拉速板坯连铸中间包内钢液流动的水模型和数值模拟,研究了挡渣墙、坝和抑湍器等控流装置对中间包内流体流动特性的影响.结果表明,有无冲击板对中间包流动特性的影响不大,抑湍器与单墙双坝的合理搭配对中间包内夹杂物有效去除的流动特性十分重要,否则会起负面影响.提出了一个控流结构优化设计的方案.     

Numerical Simulation of the Growth and Removal of Inclusions in the Molten Steel of a Two-Strand Tundish

In the current article, the growth of inclusions by turbulent collision and their removal in the molten steel of a two-strand tundish was calculated. The fluid flow was coupled with heat transfer and the concentration field of inclusions in the tundish. The weir and dam was effective to control the strong stirring energy within the inlet zone. The collision among inclusions in the inlet zone was far stronger than that in other zones. The rising velocity of 9.2-μm inclusions was far smaller than the flow velocity; thus, small inclusions followed the fluid flow well. The concentration of 4-μm, 5-μm, and 9.2-μm inclusions at the outlet were 9.9 ppm, 9.1 ppm, and 30.2 ppm, respectively. The concentration of other inclusions was within 2.0 ppm–6.0 ppm. The total oxygen of the molten steel at the outlet after reaching the steady state was 38.5 ppm assuming all inclusions were alumina. The removal fraction considering turbulent collision growth was 23.0% more than that without considering collision growth.     

等离子冷床炉冶炼钛合金去除夹杂物的研究

通过熔炼前在原料中加入不同密度的夹杂物,研究了等离子冷床炉去除高、低密度夹杂的效果。研究表明:高密度夹杂物的去除效果与熔体流过的距离、时间和熔池的涡流状况密切相关;较长的熔池暴露时间和较长的流动距离对低密度夹杂物Ti N等的去除十分有利。等离子冷床炉熔炼实现了对合金熔化、精炼、铸造过程的单独处理和调控,在消除各种夹杂物方面表现优异。     

中间包自由表面的数值模拟与物理模拟

应用计算机数值模拟研究了坝高、堰深、坝堰间距以及液面高度对中间包自由表面的影响,并通过水力学模拟验证数值计算结果的正确性,从而为优化设计中间包、减少卷渣的发生提供了有利的依据。     

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。     

连铸单流中间包钢液非稳态流动行为物理模拟

针对非稳态换包过程对钢水洁净度显著恶化问题,基于相似原理,构建了相似比为1∶2的中间包物理模型,对单流中间内钢液非稳态流动行为进行了系统研究。研究结果表明,稳态条件下通过设置尺寸合理的堰坝和湍流控制器可以有效改善中间包内流体的流动状态。非稳态条件下,当钢包换包结束,中间包液位回升过程中,钢液平均停留时间随液位的上升而延长,最长可达497s;死区体积分率随液位回升而逐渐减小,最小降至23.91%。换包过程中液位的降低和回升伴随着流动状态的剧烈波动,最终恶化了非金属夹杂物上浮去除行为。     

电磁过滤钢液中非金属夹杂物的运动速度和去除效率的理论分析

电磁过滤原理是根据非金属夹杂物与熔体导电性的差异,在电磁场作用下非金属夹杂物与熔体的运动规律不同,使非金属夹杂物与熔体分离,经流体力学分析、采用柱塞流及轨线模型研究电磁过滤水平流动钢液中非金属夹杂物的运动速度和去除效率,结果表明,非金属夹杂物的去除效率随着熔体流速（u)和过滤器的高度（2h)的降低而增加;随着电磁力（f)、电磁力作用区长度（x)和非金属夹杂物的粒径（dp)的增加而增加,经分析表明,采用电磁过滤法可有效去除粒径小于10um的非金属夹杂物,该模型可用来设计过滤器的结构和确定电磁过滤工艺参数,为电磁去除钢液中的非金属夹杂物技术的工业应用提供理论基础。