板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為與模擬方法研究.pdf

1、隨著高效連鑄技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)連鑄板坯質(zhì)量提出了更高的要求。而連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為對(duì)鑄坯質(zhì)量起決定性作用,它直接影響結(jié)晶器內(nèi)鋼液的傳熱和夾雜物的上浮,與鑄坯表面及內(nèi)部質(zhì)量有著密切關(guān)系。因此,深入研究板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為對(duì)保證連鑄順行和提高鑄坯質(zhì)量具有重要意義。
　　 本文以某鋼廠新建1＃板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器水口設(shè)計(jì)和優(yōu)化為出發(fā)點(diǎn),分析目前結(jié)晶器內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)研究方法存在的一些問題,重點(diǎn)研究了在偏流和澆注條件波動(dòng)時(shí)結(jié)晶器內(nèi)

2、流動(dòng)特征的變化規(guī)律。本文的主要研究成果如下:
　　 為減少結(jié)晶器物理模型和實(shí)際連鑄生產(chǎn)的差異,提出了考慮結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼和流動(dòng)質(zhì)量平衡的物理模擬方法。考慮結(jié)晶器內(nèi)坯殼后,由于坯殼厚度的逐漸增加使結(jié)晶器內(nèi)壁形成一定的倒錐度,導(dǎo)致上回流區(qū)流股湍動(dòng)能增大,流股對(duì)液面的擾動(dòng)增強(qiáng),液面波動(dòng)增大,表面流速增大。對(duì)于斷面厚度較小的情況,若忽略結(jié)晶器內(nèi)坯殼和流動(dòng)質(zhì)量平衡,物理模擬得到的液面波動(dòng)和液面表面流速小于實(shí)際情況,可能導(dǎo)致物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3、與實(shí)際生產(chǎn)存在一定差別。對(duì)于不同寬度和厚度斷面,凝固坯殼的考慮與否對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響程度也不相同。
　　 討論不同湍流模型對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)傳輸行為模擬結(jié)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(dòng)問題,從而很好地給出低雷諾數(shù)區(qū)域的模擬結(jié)果。利用無量綱化分析兩相區(qū)內(nèi)流動(dòng)相對(duì)強(qiáng)弱關(guān)系,采用切換函數(shù)修正的滲透率模型對(duì)兩相區(qū)內(nèi)流體流動(dòng)、傳熱和凝固過程進(jìn)行模擬。結(jié)果表明,修正的滲透率模型,在處理兩相區(qū)

4、流動(dòng)和凝固過程時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì),在固相率很低時(shí),兩相區(qū)內(nèi)流動(dòng)占主導(dǎo)作用,多孔滲透作用較強(qiáng),在固相率較高時(shí),枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)的阻力迅速增大,使兩相區(qū)內(nèi)流動(dòng)傳熱行為模擬更為準(zhǔn)確。
　　 對(duì)結(jié)晶器水口流股流動(dòng)特征分析,研究得到結(jié)晶器內(nèi)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(guān)系,為水口設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。系統(tǒng)地研究了結(jié)晶器內(nèi)的偏流現(xiàn)象,當(dāng)水口內(nèi)流速在結(jié)晶器寬度方向上不均勻時(shí),結(jié)晶器偏流現(xiàn)象明顯;而水口在結(jié)晶

5、器厚度方向的流速分布情況對(duì)結(jié)晶器內(nèi)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(jié)晶器寬度方向偏移中心位置時(shí)非對(duì)稱流動(dòng)最為明顯,寬度方向的偏移也能產(chǎn)生一定的非對(duì)稱流動(dòng)。分別模擬了水口側(cè)孔結(jié)瘤面積為10％和20％時(shí)結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)變化,隨著水口結(jié)瘤面積的增大,結(jié)晶器內(nèi)不對(duì)稱流動(dòng)明顯增強(qiáng)。通過對(duì)結(jié)晶器內(nèi)非對(duì)稱流動(dòng)現(xiàn)象的研究,提出采用偏流指數(shù)來定量描述結(jié)晶器內(nèi)非對(duì)稱流動(dòng)現(xiàn)象,對(duì)改善偏流現(xiàn)象和提高鑄坯表面質(zhì)量具有重要指導(dǎo)

6、意義。
　　 研究了結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)行為隨拉速和澆注溫度波動(dòng)的變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明,在拉速突變條件下,液面波動(dòng)增大,嚴(yán)重時(shí)容易出現(xiàn)卷渣情況。在拉速逐漸變化條件下,內(nèi)部湍動(dòng)能會(huì)逐漸得到釋放,對(duì)液面產(chǎn)生的擾動(dòng)作用較小,結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)受到一定影響。當(dāng)澆注溫度增大時(shí),水口流股流動(dòng)區(qū)域溫度迅速發(fā)生變化,結(jié)晶器內(nèi)的傳熱行為受到一定影響,高溫鋼液容易對(duì)結(jié)晶器窄面坯殼產(chǎn)生沖刷,影響坯殼生長速度和均勻性。
　　 建立水口設(shè)計(jì)優(yōu)化方案,通過

7、物理模擬和數(shù)值模擬方法對(duì)各斷面結(jié)晶器水口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),分析得到水口結(jié)構(gòu)參數(shù)、連鑄工藝參數(shù)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響規(guī)律,并對(duì)各厚度斷面進(jìn)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(yīng)的工藝參數(shù)。對(duì)于230mm厚度斷面,建議選擇2＃水口。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(guān)的水口工藝參數(shù)。
　　 對(duì)生產(chǎn)初期1#連鑄機(jī)鑄坯出現(xiàn)的質(zhì)量問題進(jìn)行分析,提出合理的改進(jìn)和優(yōu)化措施。