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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。


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