沙钢宽板坯连铸结晶器内钢液流动行为模拟研究

论文摘要

随着连铸技术的发展,高效连铸已得到了越来越广泛的应用。其核心是在高连浇率、高拉速条件下,生产高质量的铸坯。而实现高效连铸的关键是结晶器内形成合理的钢液流动行为。本文以沙钢新3#宽板坯弧形连铸机结晶器为研究背景,采用数值模拟和物理模拟相结合的方法,分别对220mm,250mm,320mm三个厚度结晶器内的流场、温度场进行了数理模拟研究,以此得出了适应其拉速及断面要求的对应水口及相应工艺参数。研究首先针对沙钢3#连铸机的铸机参数和结晶器特点,初步设计了9个不同的水口。其后,根据相似原理,建立了结晶器水力学物理模型,以液渣层分布、卷渣情况、液面波动、窄边气泡数量和结晶器流场为考察指标,分析了最大拉速条件下,9个水口在不同厚度结晶器中的应用情况。针对每个结晶器,初步选择出2个最优水口作为进一步优化的对象。最后,采用物理模拟和数值模拟相结合的方法,考察各厚度结晶器的初选水口在正常拉速条件下的应用情况,设计出各厚度结晶器的最优水口。研究结果表明:220mm厚度的结晶器在小断面时应优先使用5#水口,大断面时使用8#水口;250mm厚度的结晶器优先使用8#水口,6#水口作为备用水口;对于320mm厚度的结晶器,在拉速小于、等于0.7m/min时,优先采用6#水口,9#水口作为备用水口,拉速大于0.7m/min时,9#水口作为优选水口。实际生产过程中,沙钢220mm厚度结晶器小断面使用了5#水口,大断面使用了6#水口,320mm厚度结晶器采用了6#水口。生产过程中上述水口能够保证浇铸工艺的顺行,没有出现漏钢报警情况;液渣分布均匀,液面波动合理,没有出现卷渣等缺陷,铸坯的裂纹率在沙钢的质量控制范围内。氩气泡运动行为的研究表明:随着拉速的增大,气泡尺寸逐渐减小,气泡的分布从水口附近向结晶器窄边方向扩散;吹氩量的提高会增大气泡的尺寸,但由于气流压力的增大,气泡的分布同样会向结晶器窄边扩散。向结晶器中吹入氩气后,对钢液的流场和温度场有较大的影响。随着吹氩量的增大,流股的冲击深度逐渐减小,窝心高度有所上升;结晶器液面速度和温度的提高表明了氩气吹入后,钢液的上循环流动得到了增强。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 连铸技术发展概况
• 1.2 结晶器及冶金功能
• 1.3 结晶器内浸入式水口研究概述
• 1.3.1 浸入式水口的基本类型
• 1.3.2 浸入式水口结构参数对结晶器流场的影响
• 1.4 结晶器内吹氩工艺的研究
• 1.4.1 结晶器吹氩操作的影响
• 1.4.2 结晶器吹氩的数值模拟
• 1.4.3 结晶器吹氩的物理模拟
• 1.5 课题来源及研究目的
• 2 结晶器内钢液和氩气运动行为的模拟方法
• 2.1 结晶器内钢液和氩气运动行为的物理模拟方法
• 2.1.1 结晶器内水力学物理模拟的原理
• 2.1.2 结晶器保护渣的模拟
• 2.1.3 结晶器液面波动测量
• 2.1.4 吹气的模拟
• 2.1.5 水口流股冲击深度测量
• 2.1.6 结晶器内的流场显示
• 2.2 沙钢3#连铸机结晶器和水口的物理模型建立
• 2.2.1 铸机参数条件
• 2.2.2 水口的初步设计
• 2.2.3 实验模型的建立
• 2.2.4 实验参数的确定
• 2.3 结晶器内钢液和氩气运动行为的数值模拟
• 2.3.1 基本原理
• 2.3.2 基本假设
• 2.3.3 控制方程
• 2.3.4 边界条件
• 2.3.5 沙钢3#连铸机结晶器数学模型的建立和验证
• 2.4 本章小结
• 3 沙钢宽板坯结晶器水口设计物理模拟结果
• 3.1 厚度为220mm 的结晶器水口模拟结果
• 3.1.1 水口初步设计结果分析
• 3.1.2 水口进一步优化结果分析
• 3.2 厚度为250mm 的结晶器水口模拟结果
• 3.2.1 水口初步设计结果分析
• 3.2.2 水口进一步优化结果分析
• 3.3 厚度为320mm 的结晶器水口模拟结果
• 3.3.1 水口初步设计结果分析
• 3.3.3 水口进一步优化结果分析
• 3.4 本章小结
• 4 沙钢宽板坯结晶器水口设计数值模拟结果
• 4.1 厚度220mm 结晶器水口设计
• 4.1.1 小断面条件分析
• 4.1.2 大断面条件分析
• 4.2 厚度250mm 结晶器水口设计
• 4.2.1 小断面条件分析
• 4.2.2 大断面条件分析
• 4.3 厚度320mm 结晶器水口设计
• 4.3.1 小断面条件分析
• 4.3.2 大断面条件分析
• 4.4 本章小结
• 5 工艺参数的设计及水口现场应用
• 5.1 厚度为220mm 的结晶器工艺参数设计
• 5.2 厚度为250mm 的结晶器工艺参数设计
• 5.3 厚度为320mm 的结晶器工艺参数设计
• 5.4 结晶器水口现场应用
• 5.5 本章小结
• 6 结晶器中氩气泡运动行为的研究
• 6.1 研究方法和实验条件
• 6.2 结晶器中氩气泡的尺寸
• 6.3 结晶器中氩气泡的分布
• 6.4 结晶器吹氩对结晶器温度场流场的影响
• 6.5 本章小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士期间发表的论文