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钢包内气泡的形成与运动过程的数值模拟

钢铁 2017年第5期52卷 24-30页

作者：王国承周海忱刘发友汪琦辽宁科技大学材料与冶金学院辽宁鞍山114051

以钢包精炼底吹氩气过程中氩气泡为研究对象,运用VOF模型追踪氩气与钢液的界面,在层流条件下三维数值模拟了氩气泡的生成和运动过程。采用Tecplot进行模拟结果的后处理,研究了不同气体流量条件对气泡脱离直径的影响以及气泡的运动特性... 详细信息

以钢包精炼底吹氩气过程中氩气泡为研究对象,运用VOF模型追踪氩气与钢液的界面,在层流条件下三维数值模拟了氩气泡的生成和运动过程。采用Tecplot进行模拟结果的后处理,研究了不同气体流量条件对气泡脱离直径的影响以及气泡的运动特性。模拟结果显示,氩气泡的形成历经膨胀、脱离两个阶段,气泡脱离直径随着气体流量的增加而增加,针对2 mm直径的孔口,其鼓泡流量上限为1.325 L/min。气泡从孔口脱离后历经近似球形、扁平的椭球形、规则的椭球形和不规则的球帽形的形状变化;气体流量越大,气泡的变形程度越剧烈,气泡位于钢包高度中上部位置时,全部呈现近似规则的球形,不随流量的改变而改变。

关键词：钢包氩气泡 VOF 数值模拟

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吹氩流量对结晶器流场影响的插钉工业试验

钢铁 2019年第8期54卷 102-106页

作者：陈威周海忱王胜东张立峰杨文北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼钢作业部河北唐山063200

结晶器吹氩流量对流场分布有明显影响,因此明确吹氩流量对结晶器内流场分布的影响规律对提高铸坯质量有重要意义。通过插钉法工业试验研究了吹氩流量对结晶器内流场分布的影响,并且定量分析了液位波动的变化。结果表明,随着吹氩流量的增... 详细信息

结晶器吹氩流量对流场分布有明显影响,因此明确吹氩流量对结晶器内流场分布的影响规律对提高铸坯质量有重要意义。通过插钉法工业试验研究了吹氩流量对结晶器内流场分布的影响,并且定量分析了液位波动的变化。结果表明,随着吹氩流量的增大,流场形态从双环流逐步转变为复杂流和单环流。结晶器内流场形态从双环流转变为复杂流和单环流的过程中,水口附近速度逐渐增大,液位逐渐升高,弯月面速度分布逐渐转变为从水口流向窄面,液位波动也相应增大。因此,生产过程中应选择合适的吹氩流量,避免产生复杂流和单环流,以提高铸坯质量。

关键词：插钉板试验流态分布液位波动板坯连铸

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浇铸参数对结晶器液面波动影响及其工业应用

钢铁 2022年第7期57卷 86-94页

作者：陈斌李海波季晨曦刘国梁周海忱首钢集团有限公司技术研究院北京100043 绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室北京100043 北京市能源用钢工程技术研究中心北京100043

板坯连铸结晶器液面的波动行为是结晶器内钢液流动、结晶器自身振动以及辊子挤压铸坯内部未凝固的钢液造成液面波动综合作用的结果。结晶器液位波动的稳定性对板坯连铸过程的卷渣行为有直接影响。在工业板坯连铸生产实践中,一般在结晶... 详细信息

板坯连铸结晶器液面的波动行为是结晶器内钢液流动、结晶器自身振动以及辊子挤压铸坯内部未凝固的钢液造成液面波动综合作用的结果。结晶器液位波动的稳定性对板坯连铸过程的卷渣行为有直接影响。在工业板坯连铸生产实践中,一般在结晶器某一区域(比如结晶器中部)利用放射源或涡流传感器检测液位波动来代表该工况下的整体波动水平。利用三维气液两相流动的数学模型研究了浇铸参数对结晶器液位轮廓的影响,浇铸参数包括拉速、吹氩流量、浸入式水口出口角度和浇铸断面。研究结果表明,结晶器不同宽度位置的波动幅值差异较大,且与工艺参数密切相关。液面的波峰与波谷之差随着拉速的增加在窄面附近逐渐增大,随着吹氩流量的增加在水口附近逐渐增大。在水口出口角度15°条件下,水口和窄面附近的液位波动均较大,而在水口出口角度45°条件下,仅在水口附近存在较大的液位波动。研究结果表明,使用板坯连铸常规的15°浸入式水口,当铸坯宽度大于800 mm时,结晶器液面检测需要在水口和窄面附近同时布置液位检测设备,以便更全面反应结晶器的真实液面行为,使液面波动对轧板表面质量指导性增强,有效提高连铸工艺的控制水平。如使用45°浸入式水口可以继续沿用原有的液位检测布置。

关键词：液位轮廓气液两相流数值模拟液位检测板坯连铸结晶器

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热轧卷板表面夹渣缺陷来源分析及控制现状

钢铁 2022年第1期57卷 13-27页

作者：任英李鑫哲袁天祥陈威周海忱张立峰北京科技大学冶金与生态工程学院燕山大学机械工程学院燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室

热轧卷板的表面夹渣缺陷对热轧板的质量及产品性能会产生极其恶劣的影响,会导致产品品级的下降乃至报废等问题,并对产品的服役期限及性能造成一定影响。随着冶炼过程中钢液洁净度的不断提高,夹渣缺陷所造成的质量问题显得尤为严重。而... 详细信息

热轧卷板的表面夹渣缺陷对热轧板的质量及产品性能会产生极其恶劣的影响,会导致产品品级的下降乃至报废等问题,并对产品的服役期限及性能造成一定影响。随着冶炼过程中钢液洁净度的不断提高,夹渣缺陷所造成的质量问题显得尤为严重。而不同生产工艺下表面夹渣缺陷的来源方式略有差异,缺陷的来源主要有精炼过程中钢包渣的卷渣、非稳态浇注时期的钢包下渣、稳态浇注过程中的中间包覆盖剂卷入、结晶器卷渣等。热轧卷板表面夹渣缺陷的控制优化对提高热轧卷板表面质量有重要意义。总结分析了热轧卷板表面夹渣缺陷的来源,包括钢包精炼渣、中间包覆盖剂、结晶器保护渣、耐火材料内衬等。着重总结分析了结晶器内钢液流动、保护渣性质、结晶器弯月面行为等对卷渣机理的影响。同时对国内外关于热轧卷板表面夹渣缺陷控制的方法及措施进行了综述和分析,并提出了指导性意见,在浸入式水口处添加电磁线圈,通过直流磁场直接作用以减弱旋涡;在长水口处加入挡板等提高钢包出口偏心率;改变水口参数以减弱钢液回流所形成的剪切力;改变保护渣性质或施加电磁力来平衡渣-钢界面所需表面张力;优化吹氩流量等连铸工艺参数。

关键词：热轧卷板表面夹渣缺陷卷渣来源连铸控制

RH加钛时机和纯循环时间对IF钢洁净度影响

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中国冶金 2022年第9期32卷 45-51页

作者：温瀚周海忱罗衍昭黄财德赵长亮首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼钢部河北唐山063200 首钢京唐钢铁联合有限责任公司技术中心河北唐山063200

为进一步提升RH精炼的冶炼效率,更好与高拉速连铸相匹配,对RH冶炼IF钢过程中加Ti时机和纯循环时间对夹杂物的影响开展了试验研究。结果表明,钢液中T.O质量分数在加Al 5 min后小于0.0030%;夹杂物的数密度在合金化4~5 min后具有最小值,随... 详细信息

为进一步提升RH精炼的冶炼效率,更好与高拉速连铸相匹配,对RH冶炼IF钢过程中加Ti时机和纯循环时间对夹杂物的影响开展了试验研究。结果表明,钢液中T.O质量分数在加Al 5 min后小于0.0030%;夹杂物的数密度在合金化4~5 min后具有最小值,随后增加纯循环时间,夹杂物的数密度无明显变化。在300 t RH工业生产实践中,Al-Ti间隔时间为2 min、纯循环时间为5 min和Al-Ti间隔3 min、纯循环4 min的处理工艺可以保证钢液中的夹杂物充分上浮去除,夹杂物的数密度为0.7~0.8个/mm^(2),可以实现RH的高效化精炼。在Al-Ti间隔时间大于1 min、纯循环时间大于3 min的操作条件下钢液中未检测到尺寸大于50μm的夹杂物。基于以上工艺优化,IF钢的RH真空处理时间已经降低至20 min。向钢液中加入Al后主要形成Al_(2)O_(3)夹杂物,加入钛铁合金化后钢液中会形成富[Ti]区域,[Ti]将Al_(2)O_(3)还原而生成Al-Ti氧化物。随着[Ti]在钢液内的扩散以及Al-Ti氧化物的生成,钢液中的[Al]将Al-Ti氧化物还原而生成Al_(2)O_(3),最终生成以Al-Ti氧化物为核心、外层由Al_(2)O_(3)包裹的复合夹杂物。

关键词： RH精炼 IF钢加钛时机纯循环时间 Al-Ti-O复合夹杂物

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基于数值模拟的结晶器卷渣在线预测方法

钢铁 2022年第8期57卷 103-110页

作者：周海忱刘国梁李海波邓小旋季晨曦罗衍昭首钢集团有限公司技术研究院北京100043 绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室北京100043 北京市能源用钢工程技术研究中心北京100043

结晶器保护渣卷入到钢液中后容易被生长的凝固坯壳捕获,最终在冷轧板上形成由卷渣引起的表面缺陷,会严重恶化钢产品的质量。结晶器液面卷渣现象受到钢液成分、温度、流动方式和吹氩流量的影响。结晶器表面钢液流速大小是反映钢渣界面是... 详细信息

结晶器保护渣卷入到钢液中后容易被生长的凝固坯壳捕获,最终在冷轧板上形成由卷渣引起的表面缺陷,会严重恶化钢产品的质量。结晶器液面卷渣现象受到钢液成分、温度、流动方式和吹氩流量的影响。结晶器表面钢液流速大小是反映钢渣界面是否发生卷渣的重要参数,但在实际浇铸过程中,不能在线预测不同拉速、吹氩流量和水口浸入深度下结晶器表面钢液的最大速度。提出一种基于板坯连铸结晶器内多相流动数值模拟的结晶器卷渣在线预测方法。首先,建立结晶器内三维多相流动数学模型,模拟不同拉速、吹氩流量和水口浸入深度下的钢液流动行为;其次,对计算得到的表面钢液流速的最大值进行拟合,得到固定浇铸断面下结晶器表面最大流速的预测公式;最后,通过某钢厂的插钉板工业试验验证了所提方法的准确性。研究发现,不同浇铸参数下表面钢液流速沿结晶器宽度方向呈现先增加再减小的变化趋势,在结晶器宽度1/4位置具有最大值。钢液流速在较小和较大拉速下分别在窄面和水口附近具有较大值;在较小和较大吹氩流量下分别在水口和窄面附近具有较大值;随着水口浸入深度增加,钢液流速在水口和窄面附近变化较小。基于拟合的钢液流速公式,通过比较最大钢液流速与钢渣界面发生卷渣的临界流速,实现了结晶器卷渣的在线预报。

关键词：卷渣表面流速数值模拟在线预测板坯连铸结晶器

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基于PSO-BP神经网络的保护渣性能预测

连铸 2024年第6期 83-90页

作者：张聪聪邓小旋刘洋李海波周海忱吉猛首钢集团有限公司技术研究院北京100043 首钢京唐钢铁联合有限责任公司钢轧部河北唐山063200

保护渣是连铸生产中重要的功能材料,为了准确、快速和低成本地获得保护渣的理化性能,基于实验室检测获得的保护渣成分、熔点、熔速和黏度数据,采用BP神经网络结合粒子群优化算法(PSO)建立了保护渣理化性能预测模型。选取13个未进行训练... 详细信息

保护渣是连铸生产中重要的功能材料,为了准确、快速和低成本地获得保护渣的理化性能,基于实验室检测获得的保护渣成分、熔点、熔速和黏度数据,采用BP神经网络结合粒子群优化算法(PSO)建立了保护渣理化性能预测模型。选取13个未进行训练的测试样本检验PSO-BP模型的预测精度,结果表明,与BP神经网络预测模型相比,熔点、熔速和黏度的平均绝对误差MAE分别由8.9℃、4.7 s和0.012 Pa·s降低至8.1℃、2.8 s和0.010 Pa·s,并且单个样本的误差波动降低,整体预测精度提高。基于此模型,研究了单一或多个保护渣成分改变对理化性能的影响,通过控制其它成分不变,当碱度由0.8增加至1.2,黏度值由0.23 Pa·s降低至0.18 Pa·s。此外,展示了Al2O3和MgO单一变量调整以及同时变化对保护渣黏度性能的影响,模型计算结果与实际理论规律相符,表明基于PSO-BP神经网络的保护渣预测模型可应用于保护渣的开发与研究,缩短研发周期,降低成本。

关键词：保护渣理化性能成分 PSO-BP神经网络预测

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汽车板连铸结晶器偏流流场监测及控制现状

钢铁 2024年第11期59卷 21-33,64页

作者：罗衍昭赵长亮季晨曦刘延强周海忱黄财德李海波首钢集团有限公司技术研究院北京100041 绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室北京100043 北京市能源用钢工程技术研究中心北京100043 首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼钢部河北唐山063200

在汽车制造业的快速发展背景下,对冷轧板和镀锌板等产品的要求不断提高,市场期望实现“零缺陷”的质量水平。在高等级汽车用钢连铸过程中,水口堵塞问题及其对最终产品质量的潜在影响,已成为该领域亟待解决的重点。以超低碳汽车板为研究... 详细信息

在汽车制造业的快速发展背景下,对冷轧板和镀锌板等产品的要求不断提高,市场期望实现“零缺陷”的质量水平。在高等级汽车用钢连铸过程中,水口堵塞问题及其对最终产品质量的潜在影响,已成为该领域亟待解决的重点。以超低碳汽车板为研究对象,综合分析了国内外结晶器流场实时监测技术进展及偏流控制措施,为高品质汽车板稳定生产提供理论与实践支持。针对连铸过程中结晶器内偏流流场的问题,探讨了量化评估方法,如通过计算水口堵塞系数和对称指数S,为预测和控制铸坯质量提供了科学依据。此外,还介绍了利用热电偶温差和光纤传感器进行温度测量的实时监测技术,为连续铸钢过程中的质量监控和工艺优化开辟了新途径。为有效控制结晶器内偏流现象,详述了多种先进控制技术,包括电磁控制、水口通电技术以及电磁旋流水口等技术,这些技术通过调节钢液在结晶器内的流动分布,有效抑制了流场偏流。进一步展望未来,强调了外加电场在调控钢液中夹杂物行为、提高钢水洁净度方面的广阔应用前景。此外,指明了探索外加电磁场技术在增强浸入式水口防堵塞与优化结晶器流场方面的潜在价值,将对实现更高效、更高质量的汽车用钢生产具有深远意义。

关键词：连铸偏流流场汽车板防堵塞结晶器

高锰高强IF钢转炉-连铸过程中夹杂物演变与控制

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炼钢 2023年第3期39卷 73-78页

作者：贾刘兵罗衍昭董文亮周海忱季晨曦温瀚首钢京唐钢铁联合有限责任公司技术中心河北唐山063210 首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼钢部河北唐山063210

为了摸索高锰高强IF钢钢液洁净度及夹杂物演变规律,采用Thermofisher Explorer 4全自动夹杂物分析仪对转炉-连铸过程中夹杂物进行分析和研究。结果表明:高锰高强IF钢RH结束、中间包和铸坯中全氧含量依次降低,铸坯全氧随着宽度方向由边... 详细信息

为了摸索高锰高强IF钢钢液洁净度及夹杂物演变规律,采用Thermofisher Explorer 4全自动夹杂物分析仪对转炉-连铸过程中夹杂物进行分析和研究。结果表明:高锰高强IF钢RH结束、中间包和铸坯中全氧含量依次降低,铸坯全氧随着宽度方向由边部向中心位置移动而逐渐增加。高锰高强IF钢RH进站时主要夹杂物为椭球状或球状含有P_(2)O_(5)的FeO-MnO夹杂,加铝脱氧后主要夹杂物转变为Al_(2)O_(3)夹杂,RH结束、中间包Al_(2)O_(3)主要类型为小型块状和不规则形状。铸坯中主要夹杂物为块状、棒状、不规则形状Al_(2)O_(3),尺寸多在10μm以下,边部位置TiN、MnS析出物较少,中心位置MnS析出物进一步增加,也存在少量TiN析出。热力学计算普通IF钢、高锰高强IF钢TiN析出温度分别为1745、1589 K,MnS析出温度分别为1450、1675 K。通过增加铝钛间隔时间、降低脱氧前氧、进行钢包渣改质,高锰高强IF钢钢液洁净度得到显著改善。

关键词：夹杂物高锰高强IF钢演变转炉