板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動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)鋼液流動行為對鑄坯質(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)鋼液流動行為對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＃板坯連鑄機結(jié)晶器水口設(shè)計和優(yōu)化為出發(fā)點,分析目前結(jié)晶器內(nèi)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(jié)晶器內(nèi)

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(jié)晶器物理模型和實際連鑄生產(chǎn)的差異,提出了考慮結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼和流動質(zhì)量平衡的物理模擬方法?？紤]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(jié)晶器內(nèi)坯殼和流動質(zhì)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(dǎo)致物理模擬實驗結(jié)果

3、與實際生產(chǎn)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(jié)果影響程度也不相同。
　　 討論不同湍流模型對結(jié)晶器內(nèi)流動傳輸行為模擬結(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)流動相對強弱關(guān)系,采用切換函數(shù)修正的滲透率模型對兩相區(qū)內(nèi)流體流動、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(nèi)流動占主導(dǎo)作用,多孔滲透作用較強,在固相率較高時,枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對流動的阻力迅速增大,使兩相區(qū)內(nèi)流動傳熱行為模擬更為準(zhǔn)確。
　　 對結(jié)晶器水口流股流動特征分析,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,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非對稱流動最為明顯,寬度方向的偏移也能產(chǎn)生一定的非對稱流動。分別模擬了水口側(cè)孔結(jié)瘤面積為10％和20％時結(jié)晶器內(nèi)的流動狀態(tài)變化,隨著水口結(jié)瘤面積的增大,結(jié)晶器內(nèi)不對稱流動明顯增強。通過對結(jié)晶器內(nèi)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(jié)晶器內(nèi)非對稱流動現(xiàn)象,對改善偏流現(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)流動行為隨拉速和澆注溫度波動的變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明,在拉速突變條件下,液面波動增大,嚴(yán)重時容易出現(xiàn)卷渣情況。在拉速逐漸變化條件下,內(nèi)部湍動能會逐漸得到釋放,對液面產(chǎn)生的擾動作用較小,結(jié)晶器內(nèi)流動狀態(tài)受到一定影響。當(dāng)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(jié)晶器內(nèi)的傳熱行為受到一定影響,高溫鋼液容易對結(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(jié)晶器水口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,分析得到水口結(jié)構(gòu)參數(shù)、連鑄工藝參數(shù)對結(jié)晶器內(nèi)流動狀態(tài)的影響規(guī)律,并對各厚度斷面進(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(guān)的水口工藝參數(shù)。
　　 對生產(chǎn)初期1#連鑄機鑄坯出現(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。