天钢板坯结晶器流场物理模拟及连铸工艺优化

以150mm×1600~3250mm宽板坯连铸结晶器为研究对象,利用大型商业软件ansyscfx10.0建立了1个三维有限体积模型,对结晶器内钢液的流动进行数值模拟。研究了拉速、浸入深度、水口倾角、断面宽度等工艺参数对结晶器内流场和窄面冲击压力的影响。结果表明:随着拉速的增大,表面流速和钢液对窄面的冲击压力都显著增加,采用较大的水口倾角和浸入深度,可以抑制液面波动,减少卷渣。

研究了南京钢铁集团公司炼钢厂1000mm×180mm板坯连铸结晶器喂铝丝的工艺,结果表明,在铸坯拉速1.09～1.22m/min、铝丝喂速15～20m/min、喂铝量167.26～249.61g/t时,铸坯al含量均匀,改善了q345q钢板材的机械性能。

基于现有设备及工艺条件下，板坯连铸机在生产过程中极其容易出现结晶器钢液面卷渣、翻钢以及铸坯表面出夹渣等严重现象。本文主要构建水模型，分析板坯结晶器液卷渣现象，探究其卷渣原因，基于控制水口结构参数以及工艺参数下，对卷渣影响因素进行系统分析，进而提出改进措施。

针对不锈钢板坯结晶器的特点建立了数学模型,考察了浸入式水口的出钢孔倾角、插入深度、拉速、板坯宽度等对结晶器内钢液流场的影响,为实际生产中浇注工艺参数的确定提供了理论依据,并在其后的生产中得到了应用。

采用开发的凝固模拟系统对0.07%～0.70%碳钢1500mm×150mm连铸板坯凝固过程进行了模拟。研究了化学成分、结晶器水量、二冷区水流密度、拉坯速度和浇注温度对液相穴深度(l)、液固两相区高度(h)、结晶器出口处和二冷区出口处的坯壳厚度(s1和s2)的影响。结果表明,随钢中c%由0.07%增至0.70%时,l值由400cm增至540cm,在0.17%c时h有最小值(100cm),s1和s2有最大值(18mm和52mm)。为保证结晶器出口处的已凝固的坯壳厚度(s1),增大结晶器冷却水流量和降低浇注温度具有明显的效果

通过数值模拟研究了304不锈钢200mm×1550mm板坯结晶器内用原水口时的钢液流场及钢-渣界面的特征。结果表明,原水口的结晶器流场的上回流过强,钢-渣界面的不稳定,结晶器窄边渣液层薄,易发生卷渣和钢液裸露;最优化水口结构为将原水口v型底部改成凹型、增加水口出口形状的锥度、向上倾角10°。

通过1∶2薄板坯连铸水模型实验,研究了马钢70mm×1600mm薄板坯连铸结晶器在不同水口结构、不同工艺参数条件下的流场。结果表明:在其他条件相同时,出口面积比为2.34、出口倾角为11.5°的5号水口所对应的流场优于其它水口。

针对莱钢3#板坯连铸机结晶器振动装置存在的问题,对其进行改造。采用液压振动装置来代替四轮偏心式机械振动装置,建立结晶器重量及振动单元模型,应用ansys对系统的模态分析及瞬态分析计算。热试结果表明,采用结晶器液压振动装置,可有效改善铸坯质量。

天钢3号连铸机结晶器原为机械振动,其振动不平稳,维修成本高,影响初生坯壳在结晶器内的脱模及润滑,铸坯质量也受到影响.对3号连铸机结晶器振动方式进行了改造,由原设计的四偏心式机械振动装置改为液压振动.改造后,实现了在线调控振动波形、振动振幅及振动频率的目的,铸机拉速提高,铸坯振痕深度和铸坯边裂发生率降低,连铸机生产过程中的振动更加稳定,铸坯质量得到进一步提高,在一定程度上也减少了漏钢事故的发生几率.

国内某厂2台板坯连铸机在生产过程中,发生的粘结漏钢事故全部集中在1号铸机之上。观测发现1号铸机生产的铸坯表面振痕相对更为紊乱,因此结晶器振动状态不良是造成粘结漏钢的主要原因,有必要对其进行检测。设计并制造了一种便携式板坯连铸结晶器振动检测装置,其由数据处理计算机、数据线、加速度传感器组成,同时开发了一套界面友好、操作简便的振动检测系统软件,可对结晶器振动情况进行检测和数据采集,并通过软件快速自动生成关于结晶器振动频率、振幅、偏摆、振动速度、振动位移及轨迹的分析报告,具有装卸简便、稳定可靠、精度高的特点。检测结果表明,1号铸机的结晶器振动偏摆量可达到0.6mm以上,振动速度曲线不符合正弦函数规律。为此,对该铸机的结晶器振动装置进行了改进,粘结漏钢频率由6次/月降低到0~1次/月。

为研究连铸过程中高温区δ铁素体含量对凝固传热的影响,采用商业有限元软件ansys,利用单元生死技术,对316不锈钢板坯的浇注过程进行了模拟。采用2-d模型,分别计算了δ铁素体含量为0、25%、50%、75%及100%时坯壳出口温度、坯壳厚度及表面温度的变化,探讨了坯壳生长及厚度变化规律。结果表明,随着δ铁素体含量升高,坯壳出口温度升高,表面温度变化剧烈,坯壳的出口厚度减薄。

基于湍流模型与多相流模型的耦合,应用液面追踪技术(vof),实现了对不锈钢板坯连铸结晶器内流体流动及钢/渣界面行为的模拟计算,并用水模拟结果进行了对比验证,在此基础上计算出实际的钢/渣界面特征及界面上钢/渣行为.通过分析水口的侧孔形状、出口倾角、水口浸入深度、结晶器宽度以及拉速对钢/渣界面特征及界面上钢/渣行为影响规律,指出了钢/渣界面行为与卷渣是密切相关的,进而探讨了钢/渣界面及卷渣形成的机理.

以某厂板坯连铸结晶器为原型,采用1∶1的水模型进行模拟实验,研究表明:增加拉速、减小水口的浸入深度、减小水口出口向下的倾角以及增加水口的吹气量均会增加结晶器内钢液的表面流速、增大结晶器内卷渣的倾向,其中拉速的增加对表面流速的影响最大。

以承德钢铁厂板坯连铸结晶器为原型,采用1∶1的水模型进行试验,研究了拉速、浸入式水口出口角度、水口浸入深度、水口底面结构及结晶器断面宽度等工艺参数对板坯结晶器内表面流速的影响。结果表明:拉速对表面流速的影响最大,随着拉速的提高,结晶器内钢液表面流速明显增大,当断面宽度为1650mm,拉速由0.7m/min提高到1.4m/min,表面流速由0.04m/s提高到0.1m/s;波浪面结构的浸入式水口表面流速效果最优。

数值模拟了板坯结晶器内钢液的综合冶金行为。结果表明:钢水的流动状态主要决定于浸入式水口钢水射流形态和强度。在已经给定浸入式水口工作端的条件下,由于水口吐出孔附近存在低压抽引回流区,所以钢水仅从吐出孔下部流出,降低了水口吐出孔的有效利用面积。大断面会使其弯月面的过热度降低;坯壳温度变化主要集中在窄面冲击区域,该区域坯壳温度随铸坯断面增加而降低。断面尺寸为1400mm×230mm和1600mm×230mm的铸坯,结晶器出口处窄面凝固坯壳厚度能达到11.5mm;对于1800mm×230mm断面在结晶器出口处窄面凝固坯壳厚度能达到13.4mm。铸坯宽面坯壳厚度受断面变化的影响很小。

高速连铸低碳钢板坯用结晶器保护渣的开发

介绍板坯连铸机结晶器监控系统(漏钢预报系统)的工艺特点、基本结构和工作原理,通过精确的检测手段,来实现实际生产中的漏钢预报功能,对目前造成系统误报的因素进行分析,提出优化方案,取得好的生产效果。

介绍了承钢板坯连铸机结晶器的铜板优化改造、铜板维修的检测技术、结晶器足辊参数及优化、冷却水质的优化等。并对结晶器改造进行了详细的介绍,并简要介绍了改造后所取得的效果。

基于热电偶实测温度,建立了包晶钢宽厚板坯连铸结晶器有限元传热模型和热流密度非线性估算模型.应用模型反算获得包晶钢宽厚板坯结晶器的热流密度,在与热平衡计算得到的平均热流密度进行比较后,阐述了模型的有效性,并分析了实际生产条件下结晶器铜板的温度分布规律.结晶器宽面和窄面的平均热流密度分别为1.141和1.119mw·m~(-2).温度在靠近结晶器背面呈波浪形分布,最大温差为29.6℃,然而在远离背面位置,温度变化平缓.随距弯月面距离的增加,温度呈降低趋势,然而在距结晶器出口附近出现回温现象.同时宽厚板坯连铸结晶器的热流密度和温度分布均有别于传统板坯连铸.

根据现场调研结果,采用物理模拟和数学模拟相结合的方法,系统地研究了浸入式水口单侧结瘤对结晶器内流场、液渣层以及气泡的影响,同时,还考察了不同体积的结瘤物脱落进入结晶器后的运动轨迹。研究结果表明,水口单孔结瘤将导致结晶器两侧流场不对称。相比较于结瘤侧,未结瘤侧流量增加,流股冲击增强,保护渣卷入钢液的几率增大,同时,未结瘤侧的气泡数量增多,气泡穿透深度增大。此外发现,不同体积结瘤物脱落进入结晶器后,粒径较大者更容易上浮至结晶器液面。

利用数值模拟方法对比分析了不同浸入式水口倾角角度下结晶器内钢水流场和温度场的分布情况。结果表明,在同一结晶器断面宽度和工艺参数条件下,随着水口侧孔倾角角度的增加,侧孔注流在窄面的冲击位置上升,冲击强度减小,钢液面处钢水卷渣和液面裸露的几率增加,钢液面处钢水温度增加。其中,当水口侧孔角度为向上0°和5°时,钢液面处钢水表面流速变化相对较小,说明对于该断面不锈钢板坯,水口侧孔倾角角度在0°～5°范围内时在利于铸坯质量的提高.

应用数值模拟软件对唐钢中薄板坯连铸结晶器及浸入式水口内的钢水流场、温度场进行数值模拟,分析了水口结构、拉速、浸入深度和铸坯断面对流场和温度场的影响,在此基础上确定了水口的最佳结构和浸入深度,并在生产中进行了验证,不但提高了铸坯质量和产量且稳定了连铸生产。