板坯连铸结晶器内流场与钢-渣界面波动性数值模拟分析

基于Fluent商用有限元平台,以1 300×200 mm板坯连铸结晶器为研究对象,结合其实际生产工艺,利用VOF方法建模计算,并追踪结晶器内钢-渣界面运动;分析了拉速和水口浸入深度对系统流场和钢-渣界面波动性的影响规律,并通过水模实验验证了仿真模型准确性。同时,结合实际生产情况给出了结晶器钢-渣界面稳定性的控制措施。结果表明,拉速的增加会加剧结晶器弯月面处的界面波动,浸入深度的增加可有效抑制钢-渣界面波动,避免卷渣现象发生;根据数值模拟结果,为获得稳定流场和减少界面波动,建议的工艺匹配值为:拉坯速度1.2 m/min,水口浸入深度280 mm。

夹杂物在Si-Mn镇静钢中钢水-气体和钢-渣界面行为的研究

用共焦扫描激光显微镜（CSLM）观察夹杂物在钢水表面和钢-渣界面的行为，在钢水表面观察到的夹杂物为固态不规则夹杂物和液态球形夹杂物。在毛细凹陷力的作用下，夹杂物以串簇状和团状形态存在，在淬火试样中确定其成分：Al2O3-MnO—SiO2，AlO3-MnO和AlO3微粒。在钢-渣界面可看到串簇状夹杂物，这里的串簇状夹杂物产生一个微弱的排斥力阻止流体流动。夹杂物与炉渣反应后，在形态、尺寸和化学成分上发生了变化。试验后检查界面发现：夹杂物从渣中富集了CaO，SiO2和AlO3。

非球形固态夹杂物穿过钢-渣界面行为研究

为了解释炼钢过程中固态夹杂物比液态夹杂物更易去除的现象,基于分离过程中受力分析,建立了描述八面体和板状夹杂物穿过钢-渣界面行为的数学模型。与传统数学模型相比,本模型考虑了夹杂物周围钢-渣界面变形引起的界面变形阻力。同时,采用该模型研究了各相(钢液、渣和夹杂物)界面张力和顶渣黏度等因素对固态夹杂物穿过钢-渣界面分离行为的影响。结果表明,若忽略固态夹杂物溶解过程,钢液、顶渣和夹杂物体系释放的界面自由能是固态夹杂物穿过钢-渣界面的驱动能,且该动能已足够保证多数固态夹杂物穿过钢-渣界面进入渣层。固态夹杂物溶解过程释放的吉布斯自由能远大于该过程释放的界面自由能,固态夹杂物接触钢-渣界面的瞬间被顶渣吸收去除。

钢-渣界面液态夹杂物分离过程数值模拟

为了揭示精炼钢包内固态夹杂物去除的机理,建立了描述液态夹杂物在钢-渣界面分离的数学模型,提出了计算其在钢-渣界面停留时间的表达式,讨论了影响液态夹杂物在界面处停留时间的因素。结果表明,液态夹杂物尺寸和钢-渣界面张力是影响其在钢-渣界面停留时间的主要因素,而且其在钢-渣界面处的停留时间要远大于固态夹杂物在界面处的分离时间,这是钢包内固态夹杂物更易被去除的主要原因;吹氩钢包内直径小于2μm的液态夹杂物难以穿过钢-渣界面而停留在钢液中。

高钛钢连铸结晶器内钢-渣界面反应行为

为了更好地控制高钛钢在连铸生产过程中的钢-渣界面反应,利用电磁感应炉对w([Ti])为0.05%~1.91%的3个级别高钛钢和传统的CaO-SiO_(2)系保护渣进行钢-渣界面反应试验,进而系统地分析了不同Ti含量对钢-渣界面反应的影响规律。基于双膜理论,考虑组元的质量传输,进而判断钢-渣界面反应的限制性环节,并结合质量守恒定律、化学平衡方程构建钢-渣界面反应动力学模型,揭示钢-渣界面反应机理,对钢-渣界面反应程度进行预测。研究结果表明,钢中w([Ti])为0.05%时,钢-渣界面反应较为微弱。w([Ti])为0.20%、反应达到平衡时,钢中w([Ti])从0.20%降低到0.01%,保护渣中w((SiO_(2)))从31.8%降低到29.1%,且反应达到平衡所需时间为600 s;当w([Ti])增加到1.91%、反应达到平衡时,钢中w([Ti])从1.91%降低到0.05%,保护渣中w((SiO_(2)))从31.77%降低到16.98%,且反应达到平衡所需时间为900 s。这说明钢中w([Ti])的增加明显加剧钢-渣界面反应程度,且延长反应达到平衡时所需时间。钢中Ti、Si以及保护渣中TiO_(2)、SiO_(2)的质量传输均对公式lnw([Ti])_(i)/w([Ti])_(0)与t的斜率有一定影响,说明4者的质量传输均为钢-渣界面反应的限制性环节,且Ti的质量传输对钢-渣界面反应程度的影响最为显著。将动力学模型的计算值与试验测定值对比发现,两者的变化趋势较为一致,说明该模型能够较好地预测钢-渣界面反应程度,进而为高钛钢和保护渣的钢-渣界面反应提供理论指导。

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。

钢−渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展

钢中夹杂物的去除一直是洁净钢研究的热点,对于提高钢材质量、保障产品性能具有重要意义.钢液中夹杂物主要通过上浮至顶渣被吸收而去除,这个过程可细分为夹杂物在钢液中长大上浮、在钢-渣界面穿越分离、在熔渣中被吸附溶解3个步骤.钢-渣两相的物性差异及界面特性导致不符合条件的夹杂物无法穿过界面与钢液分离,这使得该步骤成为夹杂物去除的决定性环节,且由于钢-渣两相周围快速的物性过渡、并行的物理化学现象以及高温、不透明等特性影响,使该步骤研究难度增大.近年来,随着数值模拟技术和高温实验设备的进步,夹杂物穿越钢-渣界面行为的研究取得了一些进展.经典的受力分析模型能够对夹杂物界面行为进行半定量的预测,且对于渣系优化等具有一定的指导作用;计算流体动力学(CFD)模型在研究夹杂物界面现象方面具有优势,但研究尚处于初期,未来有望适用于更大的尺度范围、更多的行为场景和相态;水模型与数值模型相结合是一种有效的研究界面行为的方法,随着实验技术进步,可进一步对微观尺度的界面行为进行研究;高温共聚焦原位观察是研究界面行为最为直接的方法,对于探究夹杂物界面行为极有帮助,有望通过设备改进,更加完整、深入地揭示夹杂物去除的关键机理.

低硫钢连铸过程结晶器内渣-钢间硫的迁移

试验了低硫高碳钢U71Mn（0．65％～0．73％C，0．006％～0．009％S）、U75V（0．73％～0．76％C，0．004％～0．008％S）和低硫低碳20钢（0．20％～0．22％C，0．005％～0．008％S）与含0．008％～0．011％S的连铸结晶器保护渣之间硫的迁移。结果表明，高碳钢连铸时，结晶器内保护渣中硫含量从0．008％增至0．010％～0．011％，但低碳钢连铸时，保护渣中硫含量从原始的0．011％降至0．009％，因此在连铸低碳钢时，应采用低初始硫含量的保护渣。

1873K下CaF_(2)-MgO-CaO-Al_(2)O_(3)-SiO2渣系对H13模具钢的脱氧研究

本文根据热力学和动力学理论,结合实验室实验,研究了1873 K下CaF_(2)-MgO-Al_(2)O_(3)-CaO-SiO2渣系成分对H13工具钢脱氧极限的影响。理论计算结果与实验结果基本一致。研究结果表明,[Si]-[O]反应为脱氧控制反应,随着炉渣碱度的增大,脱氧极限降低。当碱度为2.0时,脱氧极限最低。在碱度为2.0且CaF_(2)含量大于50%的条件下,脱氧极限小于10×10^(−6),且该值不受炉渣中Al2O3和CaF2的含量的影响。氧在金属相中的传质过程是脱氧反应的限制性环节,因此,脱氧反应速率不受渣系成分的影响。基于上述结果,设计了优化的炉渣成分,即51.5%CaF_(2),20.3%MgO,16.2%Al_(2)O_(3),8.2%CaO和3.8%SiO_(2)。在此成分条件下,H13钢中的全氧含量可以从25×10^(−6)降低到6×10^(−6)。

固/液态夹杂物穿过钢渣界面的分离机理

对液态和固态夹杂物穿过钢-渣界面的分离过程进行了物理模拟实验,研究了钢包内固态夹杂物比液态夹杂物易被去除的原因.结果表明,固态夹杂物不被钢液润湿,在界面张力的作用下,固态夹杂物与界面之间的钢液在极短的时间内被排尽,导致固体夹杂物瞬间进入渣层.液态夹杂物易被钢液润湿,界面张力使液态夹杂物与界面之间的钢液不能排尽,形成液膜.液膜内的钢液在压力作用下排尽,导致液膜破裂,液态夹杂物瞬间进入渣层.实际液态夹杂物停留在钢-渣界面处的时间明显长于固态夹杂物穿过钢-渣界面所需时间.

连铸过程渣钢界面反应特点及其影响

分析连铸过程中的渣-钢界面反应的特点,并结合锡钢连铸情况,提出界面反应对连铸过程的负面影响。

铝镇静钢中夹杂物形态对其去除的影响

为了研究夹杂物形态对其去除的影响,采用工业试验研究分析了钢中夹杂物的种类与全氧质量分数的关系,并通过水模型试验研究了夹杂物在钢-渣界面的去除行为,讨论了固态夹杂物和液态夹杂物的去除行为差异。试验结果表明,在RH精炼前对钢液进行钙处理会严重限制RH去除夹杂物的能力,因而这种方法并不适合于对全氧要求严格的钢种;夹杂物的形态对其在钢-渣界面的分离有重要的影响,相比固态夹杂物,液态夹杂物在钢-渣界面的分离需要更长的时间,在其未彻底分离之前很有可能会被钢液流动再次带回钢中,因而更难去除。为了获得更低的全氧质量分数,在铝镇静钢的精炼过程最好能使夹杂物保持固态并且与钢液不浸润。

底吹搅拌对复吹转炉脱磷工艺的作用分析

在分析讨论复吹转炉冶炼过程脱磷反应规律、常规转炉冶炼过程脱磷弊端的基础上,探讨了转炉冶炼过程脱磷时机选择与合理控制机制。基于转炉脱磷热力学与动力学条件分析得出,底吹搅拌能兼顾渣-钢界面搅拌和控制脱磷温度,是提高脱磷效率的主要动力学手段。通过水模试验模拟渣-钢之间的传质现象得出,转炉底吹元件数量和底吹强度的不同组合与渣-钢界面间的有效传质存在合适的匹配关系,随着转炉底吹强度增加,底吹元件个数应适当增加。转炉长寿命复吹效果不但取决于合理的供气元件选型、数量、布置及供气模式,更要依靠科学的底吹维护工艺制度。