结晶器内连铸坯凝固过程的有限元数值模拟

建立了结晶器内连铸坯凝固过程的有限元数学模型，在坯壳面表面边界条件中引入与气隙相关的传热模型修正平均热流量方程，研究了铸坯角部气隙对坯壳凝固行为的影响，模拟结果表明，铸坯角部形成的气隙流量显著地长低了坯壳表面的换热，使得铸坯偏角区成的为热节区，此热节区是铸坯凹陷，裂纹等缺陷乃至漏钢事故发生的诱因。     

连铸结晶器内铸坯温度场和应力场耦合过程数值模拟

针对碳钢在连铸结晶器内的凝固过程,考虑坯和铜板间接触状态,建立了完全热力耦合的二维热－弹塑性有限元模型,利用ＭＡＲＣ商用软件包在微机上求解,模拟出了连铸结晶器区域热和力学状态,特别是铸坯和结晶器壁界面状态,包括铸坯表面温度,界面热流和气隙分布规律等,本模拟工作可以为优势结晶器锥度,开发高拉速曲面结晶器提供理论依据和技术基础。     

异形坯连铸结晶器内钢水流场温度场耦合数值模拟

运用流体力学分析软件Fluent,对单双水口的500mm×300mm×120 mm异形坯连铸结晶器内钢水在流场温度场耦合作用下的凝固状况进行数值模拟,发现双水口模型可以减轻结晶器上部回流的强度,加快结晶器内钢液的凝固速度,这有助于提高铸坯的质量和提高拉速.     

大方坯连铸跨结晶器电磁搅拌的数值模拟

借助有限元分析软件ANSYS,在电流为600A,频率为2Hz条件下,对大方坯跨结晶器电磁搅拌进行了数值分析·实验结果和模拟结果对比表明,试验结果和数值模拟结果基本相符·重点分析了不同的电流和频率下,铸坯中心磁场强度和节点电磁力的变化规律,结果表明:铸坯中心磁场强度、节点电磁力随电流增大而增加,也随频率增加而增加,在8Hz时达到最大值·     

宽厚板坯连铸结晶器流场、温度场及应力场的耦合数值模拟

利用ProCAST软件对2400 mm×400 mm宽厚板坯结晶器建立三维动态模型,采用移动边界法实现结晶器内流场、温度场及应力场的耦合模拟.结果表明：考虑凝固坯壳的影响,下回流区位置向铸坯中心靠拢,真实反映了钢液在连铸结晶器内的流动情况.自由液面的钢液从窄面流向水口,速度先增大后减小,距水口约0.7 m处,出现最大表面流速,约为0.21 m· s-1.结晶器出口坯壳窄面中心厚度最小且由中心向两侧逐渐增大,最小厚度约为10.4 mm;受流股冲击影响较弱的宽面坯壳与窄面相比生长更均匀,宽面偏角部和中心的坯壳厚度分别为18.9 mm和27.6 mm.铸坯坯壳应力变化趋势与温度基本保持一致,表明初凝坯壳应力主要是热应力.结晶器内铸坯宽窄面上的等效应力均沿着结晶器高度下降方向呈增大趋势,铸坯角部、宽面中心及窄面中心位置的最大应力各约为200、100和25 MPa.     

大方坯凝固坯壳厚度的测定

为确定凝固末端电磁搅拌位置和二冷制度的优化提供可靠的依据,利用"射钉法"对某钢厂大方坯典型钢种42CrMo和GCr15在工作拉速下凝固坯壳的厚度进行了测定。根据凝固理论计算铸坯综合凝固系数,测定出连铸机二冷区域凝固坯壳的厚度及凝固终点的位置,获得了凝固终点位置及凝固系数和拉速的关系。结果表明:铸机拉速0.45～0.5m/min时,42CrMo二冷区综合凝固系数为25.34～26.44mm/min1/2,液相穴长度19～23 m;铸机拉速0.42～0.45 m/min时,GCr15二冷区综合凝固系数为25.24～26.45mm/min1/2,液相穴长度18～21m。同时,验证了二级专家系统的准确性。     

大方坯连铸过程凝固规律

通过建立425mm×320mm连铸大方坯二维凝固传热数学模型,模拟了凝固坯壳的长大过程,并通过窄面射钉实验对数学模型进行了验证,精确得到了任意位置处大方坯凝固坯壳的厚度分布情况及最终凝固终点的位置,发现经典的凝固平方根定律对于连铸大方坯的凝壳长大进程不再适用．回归宽面中心坯壳厚度与凝固时间平方根的关系式发现,结晶器弯月面至二冷区出口,近似为线性关系,符合平方根定律,二冷区出口至凝固终点,二者为非线性关系,不再符合平方根定律．     

大方坯连铸结晶器电磁搅拌三维电磁场的数值模拟

借助ANSYS有限元分析软件对240mm×280mm大方坯结晶器电磁搅拌磁场进行了数值模拟,系统研究了电磁搅拌参数对结晶器内磁场和电磁力的影响规律.结果表明:磁场在结晶器电磁搅拌器内产生的旋转电磁力在水平截面上形成一对力偶,驱使钢液顺时针旋转;结晶器高度方向上磁场分布呈"两端小中间大"分布特征.数值计算的磁感应强度与实测结果基本吻合.提出了杭钢大方坯45#钢电磁搅拌优化后的工艺参数为电流350A和频率3Hz,实验表明在此工艺参数下铸坯质量得到显著提高.     

沟槽内壁结晶器铸坯初期凝固过程

以初期凝固坯壳为研究对象,在结晶器内壁纵向划分沟槽,建立数学模型,计算划分沟槽与不划分沟槽结晶器内铸坯的温度场和应力场,研究沟槽内壁结晶器对铸坯初期凝固过程的影响。结果表明,沟槽内壁结晶器可显著改善铸坯传热,降低坯壳应力并使其均匀分布。     

合金钢大方坯连铸结晶器用SEN的优化

采用物理模拟的方法,对合金钢大方坯连铸结晶器用的浸入式水口(SEN)进行研究,结果发现,原四孔SEN倒吸现象严重.优化试验显示,将SEN的平底改为凹底并缩小面积比,可提高出孔的充满度,减弱倒吸现象.在试验条件下,SEN的结构参数和工艺参数对液面波动影响不大;出口面积比对冲击压力、到达液面时间、混均时间、冲击深度等影响不大;底型对冲击压力的影响最大;出孔倾角对冲击深度、混均时间和到达液面时间的影响最显著;插入深度可以进行调节.     

注流方式对大方坯连铸结晶器内钢水流动与温度状态影响

依据改变水口侧孔射流方向来控制结晶器内钢流流动状态的思想,设计了一种大方坯连铸结晶器新型四分切向水口.对不同类型水口(直通式、四分径向以及四分切向水口)浇注条件下大方坯连铸结晶器内钢水流动形态和温度分布状况进行了流体动力学比较研究.结果表明,新型四分切向水口不仅可以使结晶器内钢水形成上、下两个回流,并能够产生较强的水平旋流.该水平旋流能降低钢水的冲击深度,抑制钢液面波动,促进夹杂物上浮,还具有促进钢水过热耗散的效果.与四分径向水口相比,新型四分切向水口能减弱射流对初生坯壳的冲击,均匀横截面坯壳厚度.此外,该旋流状态使热中心上移,自由液面附近钢水的温度可提高2～6℃,改善化渣条件.     

基于反算热流的结晶器内流动--传热--凝固耦合模拟

基于Navier-Stokes动量方程和湍流低雷诺数k-ε方程,综合考虑能量守恒和钢液凝固与糊状区对流动过程的影响,建立了描述结晶器内钢液流动、传热及凝固过程的三维耦合数学模型。以实测温度和结晶器反问题模型计算出的热流为边界条件,模拟计算了结晶器内钢水的流动、传热和凝固行为。钢液流动决定结晶器内的温度和热流分布,铸坯凝固受钢液流动和结晶器热流双重因素的影响。建立的模型以及由此得到的铸坯凝固非均匀特征可为进一步考察浇铸过程中纵裂和其他表面缺陷提供借鉴和参考。     

Non-uniform heat transfer behavior during shell solidification in a wide and thick slab continuous casting mold

By employing a two-dimensional transient thermo-mechanical coupled finite element model for simulating shell heat transfer behaviors within a slab continuous casting mold, we predicted the evolution of shell deformation and the thermal behaviors, including the mold flux film dynamical distribution, the air gap formation, as well as the shell temperature field and the growth of carbon steel solidification, in a 2120 mm × 266 mm slab continuous casting mold. The results show that the shell server deformation occurs in the off-corners in the middle and lower parts of the mold and thus causes the thick mold flux film and air gap to distribute primarily in the regions of 0–140 mm and 0–124 mm and 0–18 mm and 0–10 mm, respectively, from the corners of the wide and narrow faces of the shell under typical casting conditions. As a result, the hot spots, which result from the thick mold flux film filling the shell/mold gap, form in the regions of 20–100 mm from the corners of the wide and narrow faces of the shell and tend to expand as the shell moves downward.     

基于 PIV 技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究

利用粒子图像测速技术,以200 mm×2040 mm板坯连铸结晶器为原型,建立1：4水模型进行实验,对结晶器内钢液流动形态、流速及各流态所占比例、液面波动、以水口为中心结晶器两侧对称点速度随时间的变化、水口两侧液面水平流速、水口两侧对称位置液面至结晶器底部垂直方向速度和钢液对两侧窄面的冲击深度进行系统地研究和分析,并对比拉速的影响.研究表明,粒子图像测速技术不仅可以测量结晶器内流场流速,还可以对流场对称性进行全方位、多角度定量分析,为研究连铸参数变化,比如拉速、水口结构和水口浸入深度,对板坯连铸结晶器内钢液流动及对称性的影响提供一种较为精确的方法和思路.通过分析得出,在本实验条件下拉速0.5 m·min-1优于0.6 m·min-1.     

连铸结晶器中凝固壳厚度的计算及验证

基于流动场与温度场非耦合假定，建立了连铸结晶器中三维凝固壳厚度分布的计算方法，合理地解决了非耦合计算时流动场与温度场计算域的衔接问题．提出了铸坯表面换热系数的确定方法．用所建立的方法应用于实际板坯连铸过程，进行了其结晶器中三维温度场的数值计算，获得了三维凝固壳厚度分布．对实际板坯漏钢时形成的坯壳厚度进行测定，结果验证了本文的模型正确，处理方法可行     

水平连铸灰铁矩形截面型材凝固过程数值模拟

以５０ｍｍ×９０ｍｍ水平连铸灰铁型材为对象利用直接差分法在反算结晶器内表面热流边界的条件下，并基于型材表面热流等于结晶器相应部位热流的基础上［１］，进行了同时计及轴向传热的三维凝固的数值模拟。将模拟结果与实际结晶前缘相比较，证明模拟结果与实际相吻合。     

CSP结晶器内钢液流动及凝固的数值模拟

应用数值模拟方法,建立CSP漏斗型结晶器内钢液流动及凝固传热耦合模型。针对结晶器内铸坯角部受到强冷的特点,对结晶器内热流密度采用修正方程进行计算,分析热流密度修正系数对铸坯凝固坯壳表面温度计算精度的影响。通过比较不同拉坯速率下结晶器内钢液凝固的特点,研究凝固坯壳对结晶器内钢液流动行为的影响。结果表明,采用热流密度修正系数后,铸坯凝固坯壳角部温度的计算值与实际情况更相符;提高拉坯速率可使铸坯凝固坯壳厚度减小;拉坯速率较大时凝固坯壳厚度随铸坯距弯月面距离的增大基本呈线性增长,拉坯速率为3m/min时,凝固坯壳在生长过程中厚度的增长有短暂的停滞现象;凝固坯壳对钢液流动的影响较大,主要是由钢液有效流动区域减少及两相区额外动量阻损造成的。     

Simulation of the continuous casting process in a mold of free-cutting steel 38MnVS based on a MiLE method

A new method called mixed Lagrangian and Eulerian (MiLE) method was used to simulate the continuous casting process in a mold of free-cutting steel 38MnVS. The simulation results are basically in agreement with experimental data in the literature, achieving the three-dimensional visualization of temperature distribution, melt flow, shell thickness, and stress distribution of blooms in a mold. It is shown that the flow velocity of steel melt becomes smaller gradually as the casting proceeds. When the flow reaches a certain depth, two types of flow patterns can be observed in the upper zone of the mold. The first flow pattern is to flow downwards, and the second one is to flow upwards to the meniscus. The corner temperature is higher, and the thickness is thinner than those in the mid-face. The effective stress in the corner area is much bigger than that in the mid-face, indicating that the corner area is the dangerous zone of cracking.