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。     

高拉速薄板坯连铸结晶器钢渣界面波动分析

为应对提高拉速薄板坯结晶器内钢液不稳定行为,以1 520 mm×90 mm薄板坯结晶器为研究对象,利用液面追踪技术VOF方法建模计算,对薄板坯钢渣界面进行了深入研究,实现了对薄板坯连铸结晶器内流体流动及钢/渣界面行为的模拟计算。并结合实际生产工艺,采用1∶1物理模型和数值模拟相互验证,分析了拉坯速度、浸入深度和保护渣黏度种类对结晶器流场及钢渣界面的影响。结果表明,当结晶器钢液面流速为0.20~0.25 m/s,且界面较平稳时,保护渣黏度高于0.237 Pa·s可以适用;当钢液流速为0.25~0.30 m/s,保护渣黏度为0.382 Pa·s时,现场低碳钢卷渣率小于0.5%,表现出良好的抗卷渣能力。     

连铸坯拉速对结晶器卷渣现象的影响

高拉速连铸具有高效、低成本的特点,是未来连铸的发展方向。以常规板坯结晶器为研究对象,采用大涡模拟方法对结晶器内的卷渣现象深入分析。结果表明,在连铸坯拉速较低的情况下,结晶器流场较为稳定,钢液冲击速度较小,上返流速度较小,界面波动幅度不大。在高拉速的情况下,钢液冲击速度增加,渣金界面速度及卷渣数量明显提高。通过界面最大速度分析,建立了一个临界卷渣速度的计算准则,发现不同拉速情况下的临界卷渣速度是不一样的,造成这种现象的原因在于卷渣机理的不同。本模型对控制常规板坯高拉速连铸生产具有一定指导意义。     

结晶器保护渣卷渣临界条件的分析

通过物理模拟对结晶器保护渣的卷渣情况进行了分析研究,得出:低粘度保护渣发生卷渣的临界表面流速为87.7 mm/s,保护渣浸入结晶器液面的临界深度为22 mm;高粘度保护渣发生卷渣的临界表面流速为101.2 mm/s,保护渣的临界浸入深度为25 mm。当表面流速大于对应的临界值,从而使得保护渣的浸入深度超过临界深度时,才可能发生卷渣现象;结晶器卷渣一般发生在距结晶器窄面1/3的位置处。     

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。     

板坯连铸结晶器内非对称流动对渣钢界面的影响

结晶器渣钢界面的控制是板坯连铸操作中的重要环节。为研究渣钢界面的流体动力学行为,建立了“空气保护渣钢液”三相流模型,运用雷诺应力模型和非均相混合模型对结晶器三相流场进行模拟研究,采用等体积分数法确定渣钢界面的形状及位置。浸入式水口对中不良时会导致结晶器内产生非对称流场,研究发现该流场的渣钢界面波动比相同操作参数下对称流场的界面波动要剧烈得多,且非对称流场的渣钢界面会有偏流甚至旋涡出现,对结晶器操作危害很大。     

工艺参数对电渣熔铸熔滴形成过程的影响研究

在电渣熔铸过程中,熔化后的金属液以独立熔滴的方式过渡到渣液下方的铸锭区.熔滴的体积和形成时间都直接影响到电极的熔化率和材料的净化程度等重要指标.建立温度场、流场和电场耦合数学模型,并采用分步法对熔滴的形成过程进行数值模拟研究,获得了在重力、渣液浮力和渣金界面张力等因素作用下的熔滴形成过程,并探讨了不同的工艺条件下熔滴的体积和形成时间的变化规律.     

钢包静置过程中传热现象的数值模拟

研究钢包静置过程中温度变化规律对控制钢液温度及后续连铸工艺有重要影响。利用ANSYS软件,建立三维钢包传热模型进行瞬态模拟,讨论了4%、6%和8%精炼渣厚度对钢包速度场、温度场以及钢包耐火材料壁温度分布的影响。计算过程采用两相流(钢液-精炼渣)模型,将精炼渣黏度设置为与温度有关的函数,渣-气自由表面和耐火材料表面施加对流和辐射混合边界条件。结果表明,增加渣层厚度可以有效减缓钢液速度场循环,起到保温作用,但会加剧钢液温度分层。钢液的散热功率主要集中在侧壁及钢渣界面,占总量的90%左右。渣层厚度由4%增加至6%,钢渣界面散热功率降低17.42%,继续增加至8%时,又降低了19.96%。     

不锈钢方坯连铸结晶器内钢渣界面行为的数值模拟研究

不锈钢方坯生产初期由于卷入保护渣而导致连铸坯内部出现大颗粒夹杂物,影响产品质量。卷渣与钢渣界面行为有较大关系,因此通过Fluent软件对不锈钢方坯浸入式水口在不同插入深度下的结晶器内钢液流场、钢渣界面行为进行了数值模拟。模拟结果显示：水口插入深度小于110 mm时,钢渣界面被严重破坏,结晶器保护渣会卷入钢液;水口插入深度大于130 mm时,钢渣界面处钢液速度过小,附近钢液的质量和热量更新速度慢,从而导致其温度较低,不利于保护渣均匀熔化。综合考虑后,现场生产时结晶器浸入式水口插入深度确定为（120±5） mm,显著提高了不锈钢方坯质量。     

电磁搅拌对液态夹杂物聚并及去除行为的影响规律

高拉速连铸具有高效、低成本的特点,是未来连铸的发展方向。以常规板坯结晶器为研究对象,基于大涡模拟理论及欧拉-拉格朗日方法,对CSP结晶器内的多相流动及夹杂物碰撞聚并及去除行为展开深入分析。结果表明,电磁搅拌加剧了钢液在结晶器中的湍流强度,并促使更多夹杂物聚并上浮至渣金界面。并且,由于水平方向流速较大,钢液射流被限制在了电磁搅拌区域,显著降低了钢液射流深度,有利于夹杂物上浮。此外,由于电磁力的存在加剧了渣金界面波动,容易造成卷渣,因此,电磁搅拌对夹杂物的去除影响是双向的,既会提升内生夹杂物去除率,也会增加外来夹杂物的卷入风险。本模型对控制CSP结晶器连铸过程具有一定指导意义。     

高拉速吹氩板坯连铸结晶器内的卷渣机理研究

基于相似理论,利用物理模型研究了高拉速吹氩条件下结晶器内的卷渣行为,考察了工艺操作参数对结晶器内液面波动和卷渣行为的影响．研究结果表明：在结晶器水口吹气条件下,大气泡对渣层的卷混是引起卷渣的主要方式,其次是漩涡卷渣,通常认为的剪切卷渣则不易发生．此外,本研究还对各种卷渣行为进行了分析,揭示其内在机理,提出了避免卷渣的措施．     

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。     

直通型水口浸入深度对220 mm×260 mm方坯结晶器流场影响

结晶器内钢液流动状态会直接影响铸坯的质量,不合理的流场会导致液面流速过大,弯月面波动过大,造成卷渣。采用几何相似1：1水模型和Fluent流体力学软件研究了220 mm×260 mm方坯结晶器直通型水口浇注下,不同浸入深度对结晶器液面波动、表面流速、流场分布、冲击深度、保护渣覆盖的影响。结果表明：直通型水口流股集中,冲击深度较大,液面波动均匀,波动受浸入深度和拉速的影响较小。保护渣渣层覆盖良好,渣层均匀,出现卷渣的可能性较小。综合考虑冲击深度,保护渣活跃程度,结晶器电磁搅拌的影响,现场合适的浸入深度为80～100 mm。     

高拉速板坯连铸结晶器内钢/渣界面行为的数值模拟

用数值模拟方法研究了高拉速下拉速、水口出口角度、浸入深度、铸坯宽度和保护渣黏度对钢/渣界面行为的影响规律,并利用水模型实验进行了验证.研究表明,在一定拉速下,增加水口浸入深度和向下的张角能有效抑制钢/渣界面波动;熔渣黏度对钢/渣界面形状几乎没有影响,而界面速度随熔渣黏度的增加而减小.