圆坯结晶器电磁搅拌过程三维流场与温度场数值模拟

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。

连铸圆坯结晶器的热流分析

笔者采用专门设计的热流传感器对弧形连铸圆坯结晶器的热流进行在线检测。结果表明:沿结晶器的高度和周向热流的分布是瞬间变化且不均匀的。温度的在线检测不能代替热流的在线检测,后者可更准确和直接地反映结晶器传热和坯壳厚度的均匀性;同时在线检测结晶器的温度和热流有可能对结晶器的设备状态(如结晶器的安装状况和水垢状况)实现在线预测。

钢连铸圆坯结晶器锥度数值模拟优化

基于有限元软件ANSYS,建立了二维连铸圆形结晶器内钢水凝固传热及弹塑性应力有限元瞬态分析模型。从物理现象的本质特征出发,钢坯传热边界采用与气隙相关的热流密度修正函数,建立与温度相关的热物性参数、力学性能和屈服函数。在二次开发的基础上,利用多场间接耦合的方式,对4种圆坯的凝固收缩变形过程进行数值模拟研究。模拟结果显示,钢种、碳含量和拉坯速度对铸坯边界凝固收缩影响显著。在结晶器高度方向上,结晶器锥度为明显的分段抛物线连续曲线,在结晶器出口处,4种圆坯边界凝固收缩量分别达到2.20mm、3.41mm、3.79mm和4.29mm,以铸坯边界的凝固收缩曲线和结晶器基本设计原则为依据,完成抛物线型连续锥度结晶器型腔的统一设计。

马钢圆坯结晶器水口改型流场和温度场的数值模拟

生产实践表明,直通式水口对钢水夹杂物上浮、结晶器液面钢水温度补偿,铸坯初生坯壳的形成等有一定的负面影响。利用CFX5.7.1数值模拟软件研究了采用原直通型水口和侧开孔型水口时结晶器内流场和温度场的分布情况,分析了不同流场和温度场对钢水夹杂物上浮、结晶器液面钢水温度补偿、结晶器液面波动以及对结晶器内初生坯壳的影响。结果表明,采用侧开孔型水口时结晶器内流场和温度场分布更为合理,直通型水口改为侧开孔水口可行。

圆坯结晶器构造分析与改进

针对一种结晶器使用过程中易产生漏水的情况,通过对其构造分析找出漏水原因,采取有效的改进措施给予解决,对同类型结晶器设计制造具有一定的借鉴意义。

电磁搅拌下圆坯结晶器内卷渣现象的物理模拟

以某钢厂φ500mm圆坯连铸结晶器为原型，基于相似原理，建立了1：1的物理模型，通过机械搅拌模拟结晶器电磁搅拌。在模拟电磁搅拌条件下，研究拉速、搅拌强度对结晶器保护渣覆盖剂的影响。试验结果表明，当搅拌强度稳定时，随着拉速的增加，液面波动会越来越剧烈，中心漩涡也会随着拉速增大而增大；当拉速稳定时，随着搅拌转速的增加，渣层波动加剧、水油界面变得活跃、液渣层厚度分布由均匀变为出现中心漩涡、转速大于60r／min时，在壁面附近液渣层厚度为0，会发生裸钢现象，卷渣发生倾向增大。在使用电磁搅拌条件下，圆坯结晶器生产时拉速不超过0．45m／min，搅拌强度为36-48r／min时，钢渣界面活跃，有利于化渣，且不会出现裸钢现象，也不会发生卷渣。

方、圆坯高速连铸结晶器内壁的理想纵断面曲线和锥度曲线

针对结晶器锥度设计必须考虑结晶器的热膨胀和凝固壳的收缩,理想的结晶器应能够完全适应凝固壳的收缩,使凝固壳与结晶器既紧密接触、又不发生干涉的问题,根据方、圆坯结晶器内凝固壳收缩的特性．推导出高速连铸方、圆坯结晶器内壁的纵断面曲线和锥度曲线的设计计算公式。这些公式明确地反映了浇注钢种、冷却条件和拉坯速度的影响。结晶器的纵断面曲线由从结晶器上口至钢液液面附近的直线段和其下部的曲线段相切组成,锥度连续变化,消除钢液液面脉动的影响。在钢液液面附近,结晶器的纵断面曲线非常接近于抛物线。用这些公式为某厂设计的154．5 mm×152．5 mm结晶器,拉坯速度达到了3．1 m/min,超过了设计要求的2．7 m/min。

结晶器电磁搅拌电流对Φ650mm大圆坯内部质量的影响

通过铸坯低倍组织宏观检验方法和金属原位统计分布分析技术，以钢厂生产的35钢（0．35％C）为例，研究了结晶器电磁搅拌电流（200～450A，3Hz）对φ650mm大断面连铸圆坯等轴晶率、致密度和碳偏析度的影响。结果表明，搅拌频率3Hz时，结晶器电磁搅拌电流由200A增加至450A时，等轴晶率由24．2％提高至56．8％，同时铸坯各区域致密度呈现逐渐增大的趋势，其中铸坯中心区域致密度增加明显，由0．8649增至0．9376；随着搅拌电流的增加，铸坯碳偏析度呈现逐渐减轻的趋势。综合考虑各因素，当结晶器电磁搅拌电流为450A，频率为3Hz，铸坯等轴晶比例最大，铸坯内部质量最好。

圆坯结晶器应用电磁搅拌的物理模拟

以某钢厂Φ500mm圆坯连铸结晶器为原型,建立了1∶1的物理模型,通过机械搅拌模拟结晶器电磁搅拌,分析研究了电磁搅拌对结晶器内钢液的流动、夹杂物去除率的影响。试验研究表明:电磁搅拌使结晶器内的钢液有一定的水平切向速度,使搅拌区钢水温度的分布更加均匀,有利于结晶器内保护渣的均匀熔化。电磁搅拌能够把水口冲击的轴向速度变为径向速度,从而大大降低流股的冲击深度,能有效地促进夹杂物的上浮和热区中心的上移。但并不是搅拌强度越大,夹杂物的去除率就越高,试验表明,在相同时间内,当搅拌强度为48r/min左右时,夹杂物的上浮率最高。

圆坯连铸机结晶器的温度数据分析

介绍了圆坯连铸结晶器温度测量系统的组成,详细说明了热电偶应用中的技术措施,如热电偶的选择,测点位置及寿命等。为了消除电磁搅拌(EMS)对测量信号的干扰,系统设计了FIR低通数字滤波器,应用窗函数法对测量信号进行滤波,并对滤波效果进行了分析。该系统应用在电炉厂现场,在不同的EMS电流和频率等条件下,检测到的温度信号均匀、稳定,取得了良好的抗干扰效果。