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《燕山大学》 2001年
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结晶器内钢水搅拌液固温耦合数值模拟与实验研究

崔小朝  
【摘要】: 高效连铸技术是近年来世界各国钢铁企业竟相追求的目标。随着连铸速度 的提高,通过浸入水口注入结晶器的钢水流速和流量都显著增加,如果控制不 当就会造成弯月面处液面波动剧烈、冲击深度加深、夹杂物气泡不易上浮、卷 渣、裂纹、凝固壳厚度不一、中心组织疏松等缺陷。液态金属通过浸入式水口 从中间包到结晶器,本身具有很大的流动动能,目前人们利用电磁制动技术降 低这部分能量,减轻冲击深度,控制钢液的流动状态。作者通过仔细研究发现, 只要依靠浸入式水口内腔结构形状、出口倾角、浸入深度以及浇注速度就可以 使方坯连铸结晶器内钢水为旋转的涡流流动,把液态金属的流动动能利用起来。 在对结晶器内钢水流场、温度场数值分析和水模型试验研究的基础上,提出一 种全新的搅拌原理——依靠钢水本身具有的流动动能驱动结晶器内的钢水自旋 转搅拌原理,为钢铁冶金企业提供一种独特的X形浸入式水口,取代方坯连铸 结晶器内电磁制动和电磁搅拌,极大地减少设备投资,节省能耗。 连铸过程伴随着液态金属的流动、凝固传热、相态变化等。处理该问题的 复杂性表现在必须同时处理包括质量、动量、能量方程以及湍流模式在内的一 组方程,它们之间的耦合可以通过对流项、源项和热物性参数等发生。本论文 应用SIMPLE法(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations),即 求解压力耦合方程的半隐式法,开发了连铸过程液固温耦合数值模拟软件。应 用该软件对方坯连铸钢液的流动状态、凝固规律和温度场进行耦合数值分析, 对浇注方式、拉坯速度、浇注温度以及搅拌范围对温度场和流场的影响进行了 深入研究,为防止连铸缺陷的产生提供对策。通过自旋转搅拌和电磁搅拌数值 模拟,证明自旋转搅拌更有利于控制钢水的流动状态。 由于异形坯连铸形状本身的复杂性,带来钢液流动、凝固传热和温度场分 布的复杂性。目前关于异形坯连铸的研究集中在设备和现场操作方面。利用所 开发的液固温耦合数值模拟程序,考察浸入式水口倾角、浸入深度、浇注速度、 浇注温度、浸入式水口个数和形式对异形坯连铸钢液流动方式和凝固传热的影 响,为异型坯连铸的工艺设计、浸入式水口设计及流场控施提供了重要依据。 物理模拟不仅可以克服问题的复杂性、高温及测试手段的限制,而且可以 验证数值模拟结果,完善数学模型。本论文采用二十世纪八十年代发展起来的 PIV(Particle Image Velocimetry)技术就结晶器内钢水自旋转搅拌的流动状态和 速度场分布进行了水模型物理模拟,与数值模拟结果基本一致。 连铸坯的质量一直是钢铁企业最为关注的问题。本论文就方坯连铸X形浸 入式水口和漏斗形浸入式水口浇注时,连铸坯的表面质量、低倍组织、高倍组 O 燕山大学工学博士学位论文 一 织、力学性能和断口形貌进行了对比分析,结果发现X形浸入式水口浇注能改 善铸坯内外部质量、减少铸坯缺陷。与结晶器电磁搅拌相比,由于X形浸入式 水口所产生的自旋转搅拌是由内向外搅拌,不会产生负偏析,而且能达到电磁 搅拌同样的效果,可以有效地降低设备投资。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TF777

【引证文献】
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1 石永敬;谢兵;刁江;李玉刚;;板坯连铸旋流浸入式水口水模实验研究[A];2008年全国冶金物理化学学术会议专辑(上册)[C];2008年
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【参考文献】
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9 李宝宽,赫冀成;电磁制动法缩短钢坯过渡段的数值模拟[J];东北大学学报;1997年05期
10 马少武,韩华伟,赫冀成,邸洪双;异径双辊薄带铸轧熔池中钢液流动特性[J];东北大学学报;1999年03期
【共引文献】
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8 王剑;小方坯表面夹渣产生的原因及防止措施[J];鞍钢技术;1999年11期
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10 朱万彤,王阳;鞍钢1700mm中薄板坯连铸机二冷工艺的理论分析[J];鞍钢技术;2003年03期
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4 范佳;孙玉虎;朱开军;;邯钢三炼钢厂小方坯凝固传热过程的计算机模拟[A];河北省2011年炼钢连铸生产技术与学术交流会论文集[C];2011年
5 范佳;朱开军;李玉盘;孙玉虎;李建文;;基于邯钢三炼钢厂小方坯的连铸过程实时温度场预报模型的开发[A];河北省2011年炼钢连铸生产技术与学术交流会论文集[C];2011年
6 赵艳玲;王洪兴;;邯宝板坯角部裂纹产生原因分析及改进措施[A];河北省2011年炼钢连铸生产技术与学术交流会论文集[C];2011年
7 高峰;李玉海;;三种侧送风方式下室内气流组织的数值模拟与分析[A];中国建筑学会建筑热能动力分会第十七届学术交流大会暨第八届理事会第一次全会论文集[C];2011年
8 周思柱;陈翔;吴汉川;祝克强;黄天成;;混砂车搅拌罐流场分析方法[A];非常规油气资源勘探开发装备及应用技术研讨会论文集[C];2011年
9 刘政军;苏允海;;M_7C_3的形态分布对铁基复合层耐磨性能的影响[A];创新沈阳文集(A)[C];2009年
10 崔广礼;田陆;;板坯在结晶器内温度场的有限元分析[A];2011年第九届全国连铸学术会议论文集[C];2011年
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1 王革;有壁面质量注入通道流体动力学典型问题分析[D];哈尔滨工程大学;2009年
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4 张波;重载组合列车牵引及制动系统的试验与仿真研究[D];中国铁道科学研究院;2009年
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6 刘显茜;生物多孔材料非稳态收缩及其对传热传质影响研究[D];昆明理工大学;2010年
7 梅向阳;真空定向凝固法去除硅中金属杂质和晶体生长控制的研究[D];昆明理工大学;2010年
8 王春建;Mg-Al系合金晶粒细化机理研究[D];昆明理工大学;2010年
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1 张战锋;塞流式厌氧发酵反应器物料流场的CFD模拟[D];华中农业大学;2010年
2 何权富;矿井热参数测算方法研究[D];河南理工大学;2010年
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4 董翠粉;快速凝固Al-Fe-Y/La合金组织和性能的研究[D];河南理工大学;2010年
5 王锦永;FeCoNiCr基多主元合金的定向凝固组织演化及电化学腐蚀行为[D];河南理工大学;2010年
6 王茜;时效处理对快速凝固Cu-Cr合金组织性能的影响[D];河南理工大学;2010年
7 姜丽红;功率超声对流动A356熔体半固态组织的影响研究[D];南昌航空大学;2010年
8 吴小超;稀土元素与凝固速度对AZ31-RE-Sb组织及相组成的影响[D];郑州大学;2010年
9 杨永昌;哈兹列特连铸连轧铝合金板带组织和性能研究[D];郑州大学;2010年
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【同被引文献】
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1 王立来,赵雷;减少厚板坯表面横裂纹的研究[J];鞍钢技术;2004年05期
2 朱立光,王硕明,金山同;连铸结晶器内保护渣渣膜状态的数学模拟[J];北京科技大学学报;1999年01期
3 包燕平,朱建强,蒋伟,张涛,田乃媛,徐宝美;薄板坯连铸结晶器内流场的三维数值模拟[J];北京科技大学学报;2000年05期
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6 张家泉,崔立新,陈志平,陈素琼;板坯连铸结晶器内温度/应力场耦合模型[J];北京科技大学学报;2004年04期
7 黄维通,伊炳希,徐保美,曲英,林宗彩;连铸结晶器内三维流动过程的数值计算方法[J];北京科技大学学报;1994年06期
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10 袁伟霞,高文芳,马勤学,张毓俊,刘东夫,王大宝;连铸板坯表面星状裂纹的形成与控制[J];钢铁研究;1998年05期
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1 戴智华;连铸机结晶器流场和温度场耦合分析及激振系统控制技术研究[D];武汉科技大学;2002年
2 苏振江;六流大方坯连铸中间包和结晶器内钢液行为研究[D];重庆大学;2004年
【二级引证文献】
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1 杨桂芳;基于有限元的连铸圆坯结晶器热力耦合仿真[D];武汉科技大学;2010年
【二级参考文献】
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1 刘小梅,方园,张丕军;CSP和ISP结晶器水模试验研究[J];宝钢技术;1997年03期
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5 杨继进,武振廷;炉底电极形式对直流电弧炉内熔体搅拌的影响[J];东北大学学报;1994年02期
6 雷方,赫冀成,李宝宽;板坯连铸机结晶器内钢液流动的数值分析[J];东北大学学报;1994年04期
7 李宝宽,赫冀成;电磁制动法缩短钢坯过渡段的数值模拟[J];东北大学学报;1997年05期
8 马少武,韩华伟,赫冀成,邸洪双;异径双辊薄带铸轧熔池中钢液流动特性[J];东北大学学报;1999年03期
9 金俊泽;郑贤淑;郭可讱;钟汉;王政;张宗民;;连铸钢坯凝固进程的数值模拟[J];钢铁;1985年05期
10 沈巧珍;严友梅;;小方坯连铸结晶器内钢液三维流场的计算[J];钢铁;1990年09期
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2 王建,杜德信,张波,徐维华;攀钢钢水质量的现状及满足连铸要求的对策[J];钢铁钒钛;1994年03期
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9 万体娅,易本熙;为企业服务 使学会更具活力[J];中国冶金;1997年04期
10 周德光,傅杰,王平,徐君浩,张家福,谢亚庆,李铮,魏果能;电弧炉(EBT)-钢包炉(VD)-连铸生产轴承钢的工艺和质量[J];特殊钢;1998年05期
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1 史华明;夏晓东;;宝钢连铸矢量调速控制装置开发[A];第六届连续铸钢全国学术会议论文集[C];1999年
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8 高永红;炼钢—精炼—连铸生产调度与过程监控系统[D];东北大学;2009年
9 金光;CSP连铸热过程数值模拟[D];西安建筑科技大学;2004年
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