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宽厚板结晶器钢液流动及传热凝固耦合行为数值模拟研究

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宽厚板结晶器钢液流动及传热凝固耦合行为数值模拟研究

作者：黄旭辽宁科技大学

学位级别：硕士

结晶器内的钢液流动、传热、凝固间的耦合行为直接影响钢的纯净度、质量以及坯壳内部的形状,因此,研究结晶器内的钢液流动及传热凝固规律,对于获得良好的铸坯质量、提高连铸生产效率以及洁净钢的生产具有重要意义。本文以宽厚板连铸结... 详细信息

结晶器内的钢液流动、传热、凝固间的耦合行为直接影响钢的纯净度、质量以及坯壳内部的形状,因此,研究结晶器内的钢液流动及传热凝固规律,对于获得良好的铸坯质量、提高连铸生产效率以及洁净钢的生产具有重要意义。本文以宽厚板连铸结晶器为研究对象,采用顺序耦合模拟法,建立了钢液流动及传热凝固耦合三维数学模型,钢液流动采用高雷诺数标准k-ε模型,流动及传热凝固耦合采用低雷诺数湍流和凝固熔化模型,为解决两相区内动力源项和潜热源项综合非线性特征对钢液凝固传热的影响,采用FLUENT中二次开发功能将热浮力和凝固潜热源项加载到求解器当中,并选择更加合理的传热边界条件,从而实现结晶器内钢液两相区流热固耦合过程。本文重点研究了水口结构和连铸工艺参数与结晶器钢液流动的联系,探究了钢液流动及传热凝固耦合行为规律。首先通过求解钢液流动方程,分析结晶器内钢液流场特征,考察水口浸入深度、倾角和拉速等参数对流场的作用。结果表明:铸机拉速影响流场整体流速,水口倾斜度影响回流区大小,水口浸入深度影响冲击深度;拉速为1.0m/min,水口深度为140mm～170mm,倾斜度为-15°～-20°时,流场整体流速较为稳定。基于流动行为的研究,然后将收敛的流动方程计算结果作为传热凝固的初始条件,同时加载热浮力和凝固潜热源项,探讨钢液流动及传热凝固耦合行为。结果表明:距结晶器底部600mm传热受钢液流动影响显著,钢液冲击坯壳速度越大,相应位置凝壳越薄,距结晶器顶端400～800mm区域存在高速冲刷区,要重点监测结晶器600mm以上的区域以防止钢液流动传热抑制初生凝壳生长;宽面坯壳增长最快,角部最慢,出口坯壳分布呈现中间厚边缘薄分布,需要测量边角距窄面40mm处凝壳厚度。最后对比分析拉速和钢液浇注温度等工艺参数对结晶器整体热流分布、铸坯特征点温度场变化与凝固坯壳生长的影响。研究发现,拉速每增加25%,热流平均增加16.3%,出口铸坯温度平均升高45K,坯壳厚度平均减薄3.4mm;过热度每增加15K,热流平均增加6.5%,出口铸坯温度平均升高19K,坯壳减薄3%～4%,说明拉速对铸坯凝固传热的影响比浇注温度更显著。所以,为使坯壳厚度满足冶金原则,拉速应选在0.8～1.0m/min,控制钢液过热度在20～30K。

关键词：宽厚板结晶器钢液流动传热凝固耦合模拟 UDF

单点非平衡异型坯连铸钢液流动、传热、凝固及配水优化数值模拟

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单点非平衡异型坯连铸钢液流动、传热、凝固及配水优化数值模拟

作者：徐宇安徽工业大学

学位级别：硕士

H型钢依靠其良好的力学性能和极佳的承载能力等优点在世界范围内迅速发展,异型坯作为一种近终型连铸坯,使用其轧制H型钢具有轧制工序少、成本低、耗能低、成材率高等特点,是轧制H型钢的最佳原料。异型坯由于其断面结构复杂,连铸时比其... 详细信息

H型钢依靠其良好的力学性能和极佳的承载能力等优点在世界范围内迅速发展,异型坯作为一种近终型连铸坯,使用其轧制H型钢具有轧制工序少、成本低、耗能低、成材率高等特点,是轧制H型钢的最佳原料。异型坯由于其断面结构复杂,连铸时比其它常规铸坯更容易出现质量问题。目前国内外对于双点平衡浇注的研究较为深入,但由于浇注条件、以及成本控制和冶炼钢种等原因,浇注方式由原来的双水口平衡浇注方式变成单水口非平衡浇注,但对于单点非平衡浇注的研究几乎空白,深入研究单点非平衡浇注异型坯钢的流动、传热、凝固的规律以及对水表的优化,具有十分重要的学术和应用价值。本文以莱钢超薄异型坯BB2(750mm×370mm×90mm)断面为研究对象,深入讨论工艺参数对异型坯连铸过程中钢液的流动、传热、凝固的影响,同时针对单点非平衡浇注过程的原水表进行优化。主要研究工作和结论如下:(1)分析了单点非平衡浇注异型坯结晶器内的流场、温度场以及坯壳凝固规律。采用直通型单水口浇注时,钢液在结晶器内翼缘两侧、腹板位置形成三个回流区,且注流的冲击深度较深,自由液面流速较小;水口侧窄面中心以及内外弧R角位置温度较高,铸坯表面温度分布不均匀;铸坯的凝固坯壳生长也不一致,腹板位置的钢液凝固优先于窄面翼缘两侧,在水口侧窄面中心和水口侧R角位置坯壳厚度较薄,容易拉漏。(2)详细分析了工艺参数(水口浸入深度、拉速、过热度)对异型坯结晶器内流场、温度场以及坯壳生长的影响。结果表明,当水口浸入深度为50～60mm,拉速为0.8m/min～0.95m/min,过热度为20℃左右时,结晶器内的流场、温度场以及坯壳生长较为合理,能有效提高铸坯的产量和质量,以及工艺的顺行。(3)对异型坯结晶器和二冷段进行了数值模拟,研究了对称水量以及非对称水量对铸坯表面温度和坯壳厚度的变化规律。研究表明,在对称水量条件下,异型坯的窄面中心两侧温度和坯壳厚度沿拉坯方向变化明显不一致。通过调节结晶器段两侧的冷却水,当结晶器段窄面水口侧和非水口侧水量分别为1000L/min、900L/min时,能有效改善窄面中心两侧沿拉坯方向温度和坯壳厚度的不一致问题。在结晶器段窄面水口侧和非水口侧水量分别为1000L/min、900L/min保持不变的情况下,二冷二段到五段靠近水口侧窄面水量增大20%,能有效改善铸坯窄面中心两侧沿拉坯方向的温差和坯壳厚度差值。对比对称冷却,铸坯窄面中心两侧沿拉坯方向温度差值由原来的25～110K之间下降到10～50K之间,降低到50%以下,铸坯窄面中心两侧沿拉坯方向坯壳厚度差值在出结晶器后由原来的3.3～7.4mm之间下降到0.4～3.8mm之间,降低了50%左右,改善效果明显。

关键词：异型坯结晶器流场传热凝固配水优化

电磁制动下CSP结晶器内流动与传热特性研究

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热科学与技术 2024年第1期23卷 15-23页

作者：许琳裴群武李楠徐鹤源杨硕潘宏刚姚彦桃沈阳工程学院能源与动力学院辽宁沈阳110136 沈阳仪表科学研究院有限公司辽宁沈阳110043 辽宁石油化工大学环境与安全工程学院辽宁抚顺113001

以薄板坯连铸连轧(compact strip production, CSP)漏斗形结晶器为研究对象,利用建立的三维多场数学模型,研究全幅一段电磁制动作用下电磁参数对CSP漏斗形结晶器内钢液流动、传热及凝固行为的影响。结果表明:施加全幅一段电磁制动后,水... 详细信息

以薄板坯连铸连轧(compact strip production, CSP)漏斗形结晶器为研究对象,利用建立的三维多场数学模型,研究全幅一段电磁制动作用下电磁参数对CSP漏斗形结晶器内钢液流动、传热及凝固行为的影响。结果表明:施加全幅一段电磁制动后,水平磁极产生的电磁力可提高弯月面附近区域钢液温度分布的均匀性,促进表面化渣。当全幅一段电磁制动施加的磁感应强度达到0.30 T时,CSP薄板坯连铸结晶器钢液的流动控制效果与传热效果较好。而当磁感应强度继续增加至0.50 T时,水平磁极产生的电磁力对结晶器内水口出流的钢液流动抑制过强,反而导致上回流钢液流速增加,钢液热量传递速度加快,上回流区钢液温度分布均匀性有所降低。

关键词：电磁制动 CSP结晶器钢液流动传热凝固

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薄板坯连铸结晶器内流动传热行为的研究

钢铁 2006年第5期41卷 24-28页

作者：张慧赵连刚陶红标刘爱强李烈军钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心北京100081 鞍山科技大学科技处辽宁鞍山114044 广州钢铁集团公司技术中心广东广州510381

基于珠钢CSP薄板坯连铸机设备工艺条件和所采用扁平浸入式水口结构,结合铜板测温导出的热流密度分布进行了漏斗形结晶器内钢水流动、自由液面以及传热凝固等冶金现象的综合描述和数值分析。结晶器熔池中以两个上旋涡为主的钢水循环流动... 详细信息

基于珠钢CSP薄板坯连铸机设备工艺条件和所采用扁平浸入式水口结构,结合铜板测温导出的热流密度分布进行了漏斗形结晶器内钢水流动、自由液面以及传热凝固等冶金现象的综合描述和数值分析。结晶器熔池中以两个上旋涡为主的钢水循环流动局限在漏斗形结晶器内,上旋涡流股冲击和离开熔池液面分别对液面起伏波动有所贡献,弯月面下距窄边100 mm范围内有二次涡形成。除水口下方两侧存在两个具有明显过热的高温区外,熔池中绝大部分钢水的温度在液相线附近保持恒定,铸坯表面温度分布和坯壳发育过程均反映出水口高温射流的影响,铸坯表面最高温区位于熔池液面下方靠近结晶器窄边的地方。

关键词：薄板坯流体流动传热凝固

磁场作用下连铸结晶器内钢液流动与传热行为的数值研究

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磁场作用下连铸结晶器内钢液流动与传热行为的数值研究

作者：张可牧天津大学

学位级别：硕士

结晶器作为连铸工艺的最后一道工序,其内部钢液流态是影响铸坯产品质量的重要因素之一,利用电磁制动技术控制不同工况条件下结晶器内钢液流动及铸坯凝固,以提高温度分布均匀性并促进坯壳均匀生长是当前主要的技术手段。但这一电磁制动... 详细信息

结晶器作为连铸工艺的最后一道工序,其内部钢液流态是影响铸坯产品质量的重要因素之一,利用电磁制动技术控制不同工况条件下结晶器内钢液流动及铸坯凝固,以提高温度分布均匀性并促进坯壳均匀生长是当前主要的技术手段。但这一电磁制动过程属于涉及磁场、流场及温度场的多物理场强耦合作用过程,是至关重要的但又较难分析的问题。因此,为了探究磁场作用下结晶器内钢液的流动与传热行为,本文针对全幅一段电磁制动结晶器内三维电磁场分布、钢液射流流动特性以及钢液传热凝固行为进行了数值模拟研究,并分析讨论磁感应强度、磁极位置及水口侧孔倾角对结晶器内钢液流动与传热行为的影响。本文主要研究结果如下:(1)全幅一段电磁制动装置水平磁极所产生的稳恒磁场呈“跑道型”分布,其磁场强度由水平磁极中心逐渐向周围梯度递减,在远离磁场作用区域的结晶器自由液面与结晶器出口位置处的磁感应强度降低至0.02 T左右;(2)当施加的磁感应强度达到0.3 T时,水平磁极产生的电磁力不仅显著抑制主体段紊动射流向结晶器窄面方向扩散,而且有效弥补磁感应强度小于0.2 T条件下结晶器内上回流区钢液控流不足的缺点,使钢液表面流速最大值降低至0.197 m·s;(3)当水平磁极位置位于H=225 mm时,水平磁极产生的电磁力可有效控制结晶器内上回流钢液对自由液面的冲击,抑制钢液射流向结晶器窄侧壁扩散,进而降低钢液表面流速,防止表面卷渣,促进窄面凝固坯壳均匀生长,防止窄面坯壳过薄而与结晶器之间产生粘连。论文研究结果为优化电磁制动的冶金效果提供理论参考依据。

关键词：连铸工艺电磁制动凝固坯壳钢液流动传热凝固

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连铸结晶器过程综合冶金行为的数值模拟

钢铁研究学报 2007年第5期19卷 29-33页

作者：赵连刚张慧辽宁科技大学材料科学与工程学院辽宁鞍山114044 钢铁研究总院连铸中心北京100081

结合连铸机设备工艺条件和所采用浸入式水口结构进行了结晶器内钢水流动、自由液面以及传热凝固等冶金现象的综合描述和数值分析。结果表明:浸入式水口通过控制钢水射流形态和强度可以显著影响结晶器熔池液面的起伏波动;上旋涡流股由液... 详细信息

结合连铸机设备工艺条件和所采用浸入式水口结构进行了结晶器内钢水流动、自由液面以及传热凝固等冶金现象的综合描述和数值分析。结果表明:浸入式水口通过控制钢水射流形态和强度可以显著影响结晶器熔池液面的起伏波动;上旋涡流股由液面返回时的抽引作用是波动起伏的主要原因,波谷处的液面流速最大;除钢水射流及其邻近钢水外,结晶器熔池中绝大部分钢水都因强烈对流和湍流扩散而保持其温度在液相线上恒定,研究条件下的熔池液面钢水最大过热度可达2 K以上,但此时的液面最大波高差和最大流速分别为9 mm和0.36m/s。

关键词：板坯连铸浸入式水口自由液面传热凝固数值仿真

电磁连铸过程FTSR结晶器多相传输行为的研究

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钢铁钒钛 2023年第4期44卷 125-134页

作者：许琳裴群武李阳韩泽峰杨硕王建宇沈阳工程学院省级洁净燃烧发电与供热技术重点实验室辽宁沈阳110136 东北大学冶金学院辽宁沈阳110819 沈阳仪表科学研究院有限公司辽宁沈阳110043 钒钛资源综合利用国家重点实验室四川攀枝花617000

为研究薄板坯连铸全幅一段电磁制动冶金效果,以漏斗形FTSR结晶器为研究对象,利用建立的三维多场数学模型,模拟全幅一段电磁制动作用下电磁参数变化对FTSR结晶器钢液流动、传热凝固及夹杂物迁移行为的影响。结果表明,施加全幅一段电磁制... 详细信息

为研究薄板坯连铸全幅一段电磁制动冶金效果,以漏斗形FTSR结晶器为研究对象,利用建立的三维多场数学模型,模拟全幅一段电磁制动作用下电磁参数变化对FTSR结晶器钢液流动、传热凝固及夹杂物迁移行为的影响。结果表明,施加全幅一段电磁制动后,结晶器内钢液温度分布的均匀性提高,钢液流股对熔池的穿透深度减小,这不仅利于下回流钢液夹带的夹杂物上浮去除,还促使上回流钢液将热量输送到弯月面区,避免弯月面处熔渣凝固而形成渣圈。此外,通过适当增加磁感应强度,可降低钢液表面流速,控制上吐出孔处液面波动。当磁感应强度达到0.3 T时,钢液表面最大流速降低至0.27 m/s,上吐出孔处液面峰值降低至7.3 mm。

关键词：连铸 FTSR结晶器电磁制动钢液流动传热凝固夹杂物迁移

电磁制动条件下板坯结晶器内钢液冶金行为的数值模拟

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钢铁钒钛 2011年第4期32卷 36-41页

作者：倪升起彭世恒宝钢分公司上海201900 钢铁研究总院先进钢铁流程及材料国家重点实验室北京100081

用数值模拟方法研究了有无电磁制动时结晶器内钢液的冶金行为。结果表明:应用电磁制动使结晶器内钢液的速度得到很强的抑制,自由液面最大速度从0.17 m/s减小到0.02 m/s;铸坯内部局部区域钢液温度升高,表面坯壳温度降低;窄面和铸坯角部... 详细信息

用数值模拟方法研究了有无电磁制动时结晶器内钢液的冶金行为。结果表明:应用电磁制动使结晶器内钢液的速度得到很强的抑制,自由液面最大速度从0.17 m/s减小到0.02 m/s;铸坯内部局部区域钢液温度升高,表面坯壳温度降低;窄面和铸坯角部坯壳有些变厚,宽面坯壳厚度稍稍变薄。

关键词：电磁制动结晶器铸坯流动传热凝固数值模拟

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不同拉速对薄板坯凝固过程及组织的影响

炼钢 2022年第1期38卷 56-62页

作者：陈伟常新年杨改彦王博李耀马国金华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210 河北省现代冶金技术重点实验室高品质钢连铸工程技术创新中心河北唐山063009 华北理工大学迁安学院河北唐山064400 首钢京唐钢铁联合有限责任公司河北唐山063200

针对薄板坯在凝固过程中容易出现铸坯裂纹、疏松、缩孔等质量问题,以某厂生产的高拉速薄板坯为研究对象,通过建立传热凝固有限元和元胞自动机相结合的CAFE模型,基于ProCAST平台开展凝固传热全过程数值计算,探究不同拉速下的结晶器末端... 详细信息

针对薄板坯在凝固过程中容易出现铸坯裂纹、疏松、缩孔等质量问题,以某厂生产的高拉速薄板坯为研究对象,通过建立传热凝固有限元和元胞自动机相结合的CAFE模型,基于ProCAST平台开展凝固传热全过程数值计算,探究不同拉速下的结晶器末端坯壳生长情况、不同拉速对凝固传热过程的温度场和三维凝固组织的影响。结果表明,在不同的拉速下,坯壳在结晶器内不同高度处的厚度差异逐步分化,越是接近结晶器下口,坯壳减薄越发明显。拉速每增加0.2 m/min,结晶器末端的坯壳厚度减薄约0.2 mm,凝固末端液相穴的长度增加0.3 m。拉速提高时,铸坯横截面上晶粒总数目会随之减少,平均晶粒面积也呈现出减少的趋势。

关键词：高拉速薄板坯传热凝固 CAFE 温度场凝固组织