板坯連鑄結晶器內鋼液流動行為與模擬方法研究.pdf

1、隨著高效連鑄技術的發(fā)展,人們對連鑄板坯質量提出了更高的要求。而連鑄結晶器內鋼液流動行為對鑄坯質量起決定性作用,它直接影響結晶器內鋼液的傳熱和夾雜物的上浮,與鑄坯表面及內部質量有著密切關系。因此,深入研究板坯連鑄結晶器內鋼液流動行為對保證連鑄順行和提高鑄坯質量具有重要意義。
　　 本文以某鋼廠新建1＃板坯連鑄機結晶器水口設計和優(yōu)化為出發(fā)點,分析目前結晶器內物理模擬實驗研究方法存在的一些問題,重點研究了在偏流和澆注條件波動時結晶器內

2、流動特征的變化規(guī)律。本文的主要研究成果如下:
　　 為減少結晶器物理模型和實際連鑄生產的差異,提出了考慮結晶器內凝固坯殼和流動質量平衡的物理模擬方法?？紤]結晶器內坯殼后,由于坯殼厚度的逐漸增加使結晶器內壁形成一定的倒錐度,導致上回流區(qū)流股湍動能增大,流股對液面的擾動增強,液面波動增大,表面流速增大。對于斷面厚度較小的情況,若忽略結晶器內坯殼和流動質量平衡,物理模擬得到的液面波動和液面表面流速小于實際情況,可能導致物理模擬實驗結果

3、與實際生產存在一定差別。對于不同寬度和厚度斷面,凝固坯殼的考慮與否對模擬實驗結果影響程度也不相同。
　　 討論不同湍流模型對結晶器內流動傳輸行為模擬結果的影響。修正的低雷諾數(shù)模型適用于高雷諾數(shù)和低雷諾數(shù)區(qū)域的情況,能更好地處理壁面流動問題,從而很好地給出低雷諾數(shù)區(qū)域的模擬結果。利用無量綱化分析兩相區(qū)內流動相對強弱關系,采用切換函數(shù)修正的滲透率模型對兩相區(qū)內流體流動、傳熱和凝固過程進行模擬。結果表明,修正的滲透率模型,在處理兩相區(qū)

4、流動和凝固過程時具有一定優(yōu)勢,在固相率很低時,兩相區(qū)內流動占主導作用,多孔滲透作用較強,在固相率較高時,枝晶網狀結構對流動的阻力迅速增大,使兩相區(qū)內流動傳熱行為模擬更為準確。
　　 對結晶器水口流股流動特征分析,研究得到結晶器內水口流股的變化規(guī)律,分析了水口流股與水口底部形狀和斷面寬度之間的關系,為水口設計和優(yōu)化提供理論依據(jù)。系統(tǒng)地研究了結晶器內的偏流現(xiàn)象,當水口內流速在結晶器寬度方向上不均勻時,結晶器偏流現(xiàn)象明顯;而水口在結晶

5、器厚度方向的流速分布情況對結晶器內偏流現(xiàn)象影響較小。相同工況下高拉速條件容易使偏流現(xiàn)象更為明顯。水口在結晶器寬度方向偏移中心位置時非對稱流動最為明顯,寬度方向的偏移也能產生一定的非對稱流動。分別模擬了水口側孔結瘤面積為10％和20％時結晶器內的流動狀態(tài)變化,隨著水口結瘤面積的增大,結晶器內不對稱流動明顯增強。通過對結晶器內非對稱流動現(xiàn)象的研究,提出采用偏流指數(shù)來定量描述結晶器內非對稱流動現(xiàn)象,對改善偏流現(xiàn)象和提高鑄坯表面質量具有重要指導

6、意義。
　　 研究了結晶器內流動行為隨拉速和澆注溫度波動的變化規(guī)律。模擬結果表明,在拉速突變條件下,液面波動增大,嚴重時容易出現(xiàn)卷渣情況。在拉速逐漸變化條件下,內部湍動能會逐漸得到釋放,對液面產生的擾動作用較小,結晶器內流動狀態(tài)受到一定影響。當澆注溫度增大時,水口流股流動區(qū)域溫度迅速發(fā)生變化,結晶器內的傳熱行為受到一定影響,高溫鋼液容易對結晶器窄面坯殼產生沖刷,影響坯殼生長速度和均勻性。
　　 建立水口設計優(yōu)化方案,通過

7、物理模擬和數(shù)值模擬方法對各斷面結晶器水口進行優(yōu)化設計,分析得到水口結構參數(shù)、連鑄工藝參數(shù)對結晶器內流動狀態(tài)的影響規(guī)律,并對各厚度斷面進行水口優(yōu)選,提出適用于各厚度斷面的水口參數(shù)和相應的工藝參數(shù)。對于230mm厚度斷面,建議選擇2＃水口。根據(jù)現(xiàn)場需要,將160mm厚度和190mm厚度使用水口合并為同一水口,采用B2#水口,并確定了相關的水口工藝參數(shù)。
　　 對生產初期1#連鑄機鑄坯出現(xiàn)的質量問題進行分析,提出合理的改進和優(yōu)化措施。