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连铸自动开浇控制模型及薄板坯结晶器内流动与传热研究

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连铸自动开浇控制模型及薄板坯结晶器内流动与传热研究

作者：郭林燕山大学

学位级别：硕士

连铸是现代冶金工业大批量生产钢坯的主要工艺方式,相较于传统的模铸方式具有环保、节能、金属收得率高等多方面的优点,因而获得了广泛的应用。连铸中间包和结晶器是连铸工艺中控制浇注和钢水一次冷却的重要设备。中间包开浇过程的流量... 详细信息

连铸是现代冶金工业大批量生产钢坯的主要工艺方式,相较于传统的模铸方式具有环保、节能、金属收得率高等多方面的优点,因而获得了广泛的应用。连铸中间包和结晶器是连铸工艺中控制浇注和钢水一次冷却的重要设备。中间包开浇过程的流量控制方式对于提高铸坯质量和生产效率,减少溢钢和漏钢等生产事故以及整条连铸生产线的自动化水平具有重要影响。结晶器内的钢液流动和冷却则直接影响着铸坯的质量。因此,开展连铸水口开浇自动控制模型及结晶器内的钢液流场和温度场的研究,对于实现开浇安全和自动化以及提高铸坯质量具有重要意义。本文基于流体力学理论、实验和数值模拟方法,通过理论分析、模型实验和仿真,研究了塞棒控制下的中间包孔口出流规律,建立了水口开浇自动控制模型,给出了开浇塞棒控制曲线;模拟了浇注工艺参数对晶器内钢液的的流动、传热和坯壳凝固的影响。主要工作如下:首先,根据流体力学伯努利方程推导了浸入式水口的流量计算公式,基于相似理论设计了模型实验装置,分别用水和润滑油作为实验流体,实验研究了中间包水头高、塞棒开口度和流体粘度对水口流量的影响,确定了塞棒开口度与流量系数的关系,发现流量系数C与中间包水头高无关,只是水口开口度和流体粘度的函数并随着开口度的增大而增大。其次,采用流体仿真软件建立水模型实验的模拟分析模型,数值模拟模型实验,并将模拟结果与实验结果对照,验证了数值仿真方法的正确性。在此基础上模拟了某厂的实际浇铸过程,确定了其流量系数,结合厂内实际采集数据建立开浇过程自动控制模型,说明数值模拟方法可以应用到各型中间包的流量控制模型的计算中。最后,使用Fluent软件对结晶器内钢水的流动和冷却过程进行了热流耦合模拟,运用VOF模型观测了钢渣界面波动,分析了结晶器内钢液的流动、温度分布和坯壳凝固特征,研究了拉速和水口浸入深度这两项关键工艺参数对结晶器内钢液流动以及凝固传热的影响规律。本研究对连铸自动开浇控制系统设计以及浇注工艺参数优化具有理论指导意义和实用价值。

关键词：连铸自动开浇结晶器控制模型流场温度场

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结晶器液位控制系统的设计与实现(英文)

控制理论与应用 2002年第3期19卷 407-410页

作者：郭戈王伟柴天佑甘肃工业大学电气工程与信息工程学院兰州730050 东北大学自动化研究中心沈阳110006

提出了一种简单有效的结晶器液位智能控制控制方法 ,它包括一个基于模型降阶和内模控制的非线性滑动水口及其液压机构控制器、一个中间包重量前馈控制器和一个结晶器液位模糊预测控制器 .实验和现场使用表明 ,该方法能够准确可靠地应用... 详细信息

提出了一种简单有效的结晶器液位智能控制控制方法 ,它包括一个基于模型降阶和内模控制的非线性滑动水口及其液压机构控制器、一个中间包重量前馈控制器和一个结晶器液位模糊预测控制器 .实验和现场使用表明 ,该方法能够准确可靠地应用于连铸过程控制之中 .

关键词：智能控制串级控制模糊预测控制结晶器液位控制系统设计

Φ800mm圆坯结晶器内流场和温度场的优化设计研究

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Φ800mm圆坯结晶器内流场和温度场的优化设计研究

作者：王涛辽宁科技大学

学位级别：硕士

随着现代化建设的不断推进,大规格圆坯的需求也越来越强劲。圆坯尺寸的不断增加,质量的缺陷也愈加难以调控。结晶器作为连铸过程中的关键设备,控制着钢液的初期凝固过程,如何优化结晶器内钢液的流动和传热行为成为了许多研究学者共同的... 详细信息

随着现代化建设的不断推进,大规格圆坯的需求也越来越强劲。圆坯尺寸的不断增加,质量的缺陷也愈加难以调控。结晶器作为连铸过程中的关键设备,控制着钢液的初期凝固过程,如何优化结晶器内钢液的流动和传热行为成为了许多研究学者共同的目标。为了进一步改善结晶器内钢液的流动和传热行为,本文将浸入式水口结构和结晶器电磁搅拌的搅拌参数作为研究的切入点,使用有限元软件和有限体积软件构建了大规格圆坯多物理场耦合数学模型。模型构建完成后,对数学模型的准确性进行了验证,确保了后续研究的顺利进行。本文在分析流动和传热的同时,又增加了结晶器出口坯壳厚度极差值、结晶器内回流区的位置、液面波动极差值、结晶器出口切向速度分布等间接因素,作为评判浸入式水口结构和电磁搅拌参数是否合适的标准,以确定优化的浸入式水口结构和电磁搅拌参数。研究结果表明:直筒型水口浇铸时的钢液,由于水口出口开孔向下,在自身重力和浇铸速度的影响下,钢液向下的冲击深度极深,并且在结晶器内形成了大的回流,钢液在回流中动能有所消耗,在流至弯月面附近流速极低,不利于夹杂物的上浮和保护渣的熔化;而采用四侧孔水口进行浇铸时,高温钢液集中在回流区附近,高温区位置有了明显提高,更有利于保护渣的熔化和夹杂物的去除。但钢液射流对初生坯壳的冲击影响坯壳的均匀生长。对四侧孔水口的结构进行优化设计,优化后的结构参数为:水口出口的偏转角度为向下10度、水口出口的形状为横向椭圆形、水口的底部形状为凹底。采用上述水口,坯壳厚度极差值降低了2.57mm,坯壳的均匀性变好;液面波动极差值降低了0.3mm,有利于液面的平稳保持。施加搅拌能够增强结晶器内钢液的流动,促使不同温度的钢液之间的混匀,从而使得高温钢液转为更均匀的分布状态,进而促使高温区上移,弯月面温度提高,有利于保护渣的熔化。不同温度的钢液混匀之后,过热度的消散加快,促进了钢液的凝固过程;旋转的钢液涡流对凝固前沿进行冲刷,从而促进坯壳均匀生长。施加搅拌后能够明显的影响结晶器内钢液的冶金行为,为了获得更为理想的搅拌参数,对结晶器电磁搅拌参数进行优化,相对理想的结晶器电磁搅拌参数为:频率为3Hz、电流强度为375A。采用上述搅拌参数进行搅拌,坯壳厚度极差值最小,液面波动极差值控制在了2mm以内,符合实际生产的要求。

关键词：圆坯浸入式水口电磁搅拌结晶器结构优化

大型板坯连铸结晶器振动装置的动力学行为仿真研究

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大型板坯连铸结晶器振动装置的动力学行为仿真研究

作者：郑泽强内蒙古科技大学

学位级别：硕士

在钢铁工业生产实际中,将合格的钢水经过特殊的冷却装置持续浇注制作成一定规格的铸坯的过程被称为连铸。连铸工艺的采用提高了铸坯的质量和生产效率。连铸设备的“心脏”是结晶器振动装置,其中结晶器振动装置平稳的工作使结晶器按照预... 详细信息

在钢铁工业生产实际中,将合格的钢水经过特殊的冷却装置持续浇注制作成一定规格的铸坯的过程被称为连铸。连铸工艺的采用提高了铸坯的质量和生产效率。连铸设备的“心脏”是结晶器振动装置,其中结晶器振动装置平稳的工作使结晶器按照预定的曲线进行振动才能保证铸坯顺利脱模和生产的运行。某企业连铸车间的结晶器振动装置采用双液压缸驱动,在实际的工厂生产环境中,结晶器振动装置因为一些不确定因素例如:间隙、不同步等导致结晶器振动异常,甚至出现振动装置设备液压缸断活塞杆,使系统的动力学行为变差。因此为探究不同工况下结晶器振动装置动力学行为,找出液压缸断活塞杆原因是本文的主要研究内容,为此本论文拟开展如下研究工作:(1)研究板坯连铸结晶器振动装置的结构及其运动学分析,探讨结晶器振动装置满足振动规律的条件,为振动系统建模仿真提供了基础。用Solid Works对振动系统进行实体建模,完成干涉检查。通过对结晶器的振动位移数据反向求解推导出液压缸的驱动函数,在模型导入ADAMS的同时并在振动机构各部件之间添加约束和接触等条件,最终得到结晶器振动装置的位移数据与某钢厂实际数据进行比较,建立符合实际的振动系统多体动力学模型。对振动系统模型进行仿真,得到结晶器振动装置在工作过程中的位移、速度和受力等情况,研究了结晶器振动装置在不同液压缸驱动速度和不同拉坯速度工况下的动态特性。(2)将振动系统的三维简化模型导入ANSYS Workbench;对整机模型进行简化,然后对关键零件结晶器、摇臂、液压缸、活塞杆等进行材料设置、网格划分、添加约束和载荷等步骤,进行有限元分析;并且对传动系统进行模态分析,得到低阶振型图和各阶振型的固有频率。分析数据得到结晶器振动装置整机在工作过程中的变形和应力分布,验证机构各部件的刚度、强度和稳定性,同时找到液压缸工作状态下应力最大点与实际生产发生故障的位置相对应。本文基于ADAMS和ANSYS联合仿真结合现场调研,探讨了结晶器振动装置整体的动力学行为,模拟分析了不同工况下结晶器振动装置的动态特性,找到了液压缸产生故障的原因,为现场设备的维护使用提供了指导。

关键词：结晶器振动装置动力学分析 ADAMS 有限元分析

结晶器内钢水涡流流动对凝固传热和力学性能的影响

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机械工程学报 2003年第5期39卷 134-138页

作者：崔小朝马崇山刘才史荣于丙强太原重型机械学院工程力学系太原030024 燕山大学

赋予浸入式水口新的功能:在浸入式水口内腔放置X形导流片,使得从中间包进入结晶器的钢水为旋转的涡流流动。通过对165 mm×165 mm方坯连铸结晶器内钢水流动和凝固传热耦合数值分析,证明X形浸入式水口浇注时,冲击深度减轻,温度场分布均... 详细信息

赋予浸入式水口新的功能:在浸入式水口内腔放置X形导流片,使得从中间包进入结晶器的钢水为旋转的涡流流动。通过对165 mm×165 mm方坯连铸结晶器内钢水流动和凝固传热耦合数值分析,证明X形浸入式水口浇注时,冲击深度减轻,温度场分布均匀。工业性试验表明X形浸入式水口浇注时能改善铸坯低倍组织和力学性能。

关键词：方坯连铸结晶器浸入式水口凝固传热力学性能涡流

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结晶器不同振动曲线测试、数据分析和处理

仪器仪表学报 2006年第Z2期27卷 1421-1422,1432页

作者：任学平王秉林杨文志苏凤歧内蒙古科技大学机械工程学院包头014010 包头钢铁(集团)有限责任公司薄板厂包头014010

连铸结晶器的振动通常采用振动机构进行激振,结晶器所产生的振动是位移随时间的变化过程。结晶器在工作过程中,其上不同部位的振动位移曲线是否一致直接关系到铸钢过程的正常工作。本文介绍了一种位移动态实时测试系统和数据处理软件相... 详细信息

连铸结晶器的振动通常采用振动机构进行激振,结晶器所产生的振动是位移随时间的变化过程。结晶器在工作过程中,其上不同部位的振动位移曲线是否一致直接关系到铸钢过程的正常工作。本文介绍了一种位移动态实时测试系统和数据处理软件相结合的实用处理方法,来评价振动机构所产生的两种振动曲线的特性。

关键词：结晶器位移测量数据分析软件

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结晶器铜板温度及变形场的有限元分析

钢铁 2006年第10期41卷 35-38页

作者：龙血松彭向和重庆大学工程力学系重庆400044

以具有不同冷却水槽的连铸结晶器铜板为研究对象,运用有限元软件ABAQUS对不同拉速下连铸结晶器稳态温度分布及热变形场进行了分析。计算结果表明:结晶器铜板冷却水槽结构的合理设计可有效降低其最高温度并改善温度和热变形分布,从而提... 详细信息

以具有不同冷却水槽的连铸结晶器铜板为研究对象,运用有限元软件ABAQUS对不同拉速下连铸结晶器稳态温度分布及热变形场进行了分析。计算结果表明:结晶器铜板冷却水槽结构的合理设计可有效降低其最高温度并改善温度和热变形分布,从而提高生产率、产品质量和结晶器寿命,亦可为结晶器铜板水槽结构的优化提供理论依据。

关键词：连铸结晶器冷却水槽系统

基于结晶器参数优化的铜板带水平连铸质量提升研究

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基于结晶器参数优化的铜板带水平连铸质量提升研究

作者：张良利沈阳理工大学

学位级别：硕士

随着科学技术的迅速发展,连铸技术日趋成熟,采用水平连铸的方式生产铜铸坯已经成为铜板带行业内的主流。水平连铸法生产的铸坯质量较好,且生产设备投资少、成本低、生产效率高,配合连续冷轧工艺可实现铜板带材的短流程、高精度、高性能... 详细信息

随着科学技术的迅速发展,连铸技术日趋成熟,采用水平连铸的方式生产铜铸坯已经成为铜板带行业内的主流。水平连铸法生产的铸坯质量较好,且生产设备投资少、成本低、生产效率高,配合连续冷轧工艺可实现铜板带材的短流程、高精度、高性能制备加工。目前我国铜板带市场发展迅速,对产品质量及合格率提出了更高的要求,而铜板带水平连铸坯缺陷与工艺参数稳定性等问题已经成为影响产品质量的主要技术难点。结晶器是水平连铸生产线的重要部件,对于控制铸坯表面质量及内部缺陷起到关键作用,直接影响着最终的产品质量。本文以铜板带坯水平连铸结晶器为研究对象进行建模和模拟研究,分析了冷却水参数、铸造工艺参数、石墨模具性能和结构参数等对结晶器内各壁面温度场、铸坯温度场和组织场的影响规律及内在机制,提出了结晶器结构及工艺参数改善方案,有效提高了铜板带水平连铸坯质量及产品合格率。本文的主要工作内容如下:首先根据生产现场结晶器结构参数进行1:1建模,准确建立了水平连铸过程有限元模型,并通过ANSYS中的FLUENT功能模块对结晶器内的冷却水流场、铸坯温度场进行了“双场”同步耦合模拟分析,对比了冷却水进出口压力变化对结晶器内各接触面温度场以及铸坯温度场的影响规律。其次通过调节铜套下端进水口的直径,提高了铸坯下表面的冷却强度,实现铸坯晶粒细化;通过设计石墨板边部开槽结构,提高了铸坯表面温度分布均匀性,使铸坯结晶线弯曲弧度减小,表面偏析减轻。然后研究了拉速变化对水平连铸坯凝固行为的影响,揭示了不同拉速条件下结晶器内温度场、液穴深度、冷却速率等变化规律,并结合工业试验分析了在不同拉速下铸坯表面及截面组织的演变规律。最后通过数值模拟与工业生产试验探究了不同石墨模具材质及物性参数对铸坯质量的影响,揭示了不同石墨模具密度、导热系数等对界面换热系数和铸坯温度场的影响规律。本文研究内容包含有限元理论模拟分析和生产现场试验验证,研究结果有助于进一步理解铜板坯水平连铸过程结晶器内部冷却铜套与铸坯之间热交换过程及相互作用关系,并可为实际生产过程工艺参数的选取及优化提供一定借鉴。

关键词：水平连铸数值模拟结晶器拉速石墨模具

连铸结晶器内钢液涡流现象的水模型观察和数值模拟

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金属学报 2002年第3期38卷 315-320页

作者：李宝宽李东辉东北大学材料冶金学院热能工程系沈阳110004

利用水模型观察连铸结晶器内导致钢坯质量下降的涡流现象,提出蛇型结构结晶器水模型,撒入黑芝麻以显示结晶器内自由液面流谱,用可调曝光时间的照相机记录涡流图案.实验中观察到较为稳定的单个涡和偶尔出现的两个对称涡现象.在数值模拟中... 详细信息

利用水模型观察连铸结晶器内导致钢坯质量下降的涡流现象,提出蛇型结构结晶器水模型,撒入黑芝麻以显示结晶器内自由液面流谱,用可调曝光时间的照相机记录涡流图案.实验中观察到较为稳定的单个涡和偶尔出现的两个对称涡现象.在数值模拟中,将浸入式水口移离中心位置,从而可产生偏流和涡流.实验与模拟的结果表明:结晶器内三维偏流导致涡流的出现,涡流位于水口较低流速一侧,涡流强度取决于拉速和水口偏离中心的程度.

关键词：连铸结晶器涡流水模型数值模拟炼钢