方坯中间包钢水流动状态和传热的研究

论文摘要

随着炼钢技术的不断发展,对连铸钢水的清洁度和铸坯质量的要求也越来越高。中间包作为钢液凝固之前经过的最后一个耐火材料容器,对钢的质量有重要影响。中间包冶金效果与中间包内钢液的流动模式密切相关,合理的中间包流场,对防止钢水二次氧化、延长钢水在中间包内停留时间、促进夹杂物上浮去除等都具有重要的作用。因此,对中间包内钢液的流动模式进行研究和分析,保证钢液流动状态的合理性具有相当重要的理论和实际意义。本论文结合昆钢7#方坯连铸机中间包的实际情况,针对中间包生产时存在的一些质量问题进行了钢水流动和传热的研究。采用物理模拟和数值模拟相结合的方式,根据相似理论,建立试验模型,进行水力学物理模拟试验;同时建立描述中间包内流体的数学模型,采用Fluent商业软件对中间包钢液的流动模式进行数值模拟计算。主要研究了不同中间包内腔结构下,钢液的流动状态,优化中间包的内腔结构参数。然后,在最优的中间包内腔结构下,优化设置单挡墙及多孔挡墙两种控流装置的结构参数,优化不同工况下长水口插入深度。研究结果表明:中间包未进行流动控制时,钢液在中间包内的平均停留时间比较短,夹杂物上浮的机会较小。B方案中间包的内腔尺寸较好,但仍需要对中间包内钢液的流动模式进行一定的控制。单挡墙可以有效防止大包水口流出的钢液直接流向中间包最中心水口,大大减少了钢液对最中心水口的影响。在单挡墙中间包内,2#单挡墙的控流效果最好,使用2#单挡墙可以提高活塞流区体积分数19.0%及降低死区体积分数19.7%。多孔挡墙对中间包注流区湍流的控制最为明显,并且挡墙可以较为均匀地将钢液分配到中间包的各个水口。使用3#多孔挡墙可以提高活塞流区体积分数27.5%及降低死区体积分数29.9%,它对中间包内钢液流动模式的控制效果更好。使用控流装置后,中间包内钢水流动状况得到了不同程度地改善,钢液的平均停留时间延长,活塞流体积分数增加,死区体积分数减小。中间包内钢液的流动模式有利于夹杂物的上浮去除。使用控流装置可以满足不同品种钢的生产需求,最终实现提高铸坯质量的目的。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 中国钢铁工业发展概述
• 1.2 连铸技术概述
• 1.2.1 国外连铸技术的发展
• 1.2.2 我国连铸技术的发展
• 1.3 中间包冶金技术
• 1.3.1 中间包冶金的发展
• 1.3.2 中间包的作用及冶金功能
• 1.3.3 中间包冶金技术的现状
• 1.3.4 高效连铸对中间包冶金技术的要求
• 1.4 中间包冶金技术的发展
• 1.4.1 中间包内部形状、注流对多流浇注的影响
• 1.4.2 中间包内控流装置的功能及其经历的四个时期
• 1.4.3 中间包控流装置的研究现状
• 1.4.4 中间包数值仿真的研究现状
• 1.5 中间包目前普遍存在的问题及改进措施
• 1.5.1 中间包存在的问题
• 1.5.2 中间包的改进措施
• 1.6 课题研究背景、意义及研究内容
• 1.6.1 课题研究背景
• 1.6.2 研究的目的和意义
• 1.6.3 研究的主要内容
• 2 中间包钢液流动行为的数学物理模拟研究方法
• 2.1 冶金过程物理模拟的特点
• 2.2 物理模拟研究
• 2.2.1 物理模拟试验原理
• 2.2.2 物理模拟试验方法
• 2.2.3 中间包优化准则
• 2.3 数学模拟研究
• 2.3.1 计算流体力学概述
• 2.3.2 控制体积法
• 2.3.3 FLUENT软件概述
• 2.3.4 基本假设
• 2.3.5 控制方程
• 2.3.6 边界条件设置
• 3 多流中间包流动状况的物理模拟结果与分析
• 3.1 中间包内腔结构优化
• 3.1.1 优化内腔结构实验方案
• 3.1.2 实验结果及分析
• 3.1.3 中间包流体流动显示
• 3.2 单挡墙结构优化
• 3.2.1 优化单挡墙结构实验方案
• 3.2.2 实验结果及分析
• 3.2.3 中间包流体流动显示
• 3.3 多孔挡墙结构优化
• 3.3.1 优化多孔挡墙结构实验方案
• 3.3.2 实验结果及分析
• 3.3.3 中间包流体流动显示
• 3.4 长水口插入深度优化
• 3.4.1 优化长水口插入深度实验方案
• 3.4.2 实验结果及分析
• 3.5 本章小结
• 4 中间包流场温度场的模拟结果分析
• 4.1 无流动控制时中间包的流场温度场
• 4.2 单挡墙模式时中间包的流场温度场
• 4.3 多孔挡墙模式时中间包的流场温度场
• 4.4 长水口插入深度对中间包流场的影响
• 4.5 本章小结
• 5 不同控流装置时中间包钢液流动模式对比分析
• 5.1 对比控流装置使用效果的研究背景
• 5.2 控流装置对中间包流场影响的物理模拟研究
• 5.2.1 实验方案
• 5.2.2 实验结果及分析
• 5.3 控流装置对中间包流场影响的数值模拟研究
• 5.3.1 1#方案控流装置
• 5.3.2 2#方案控流装置
• 5.3.3 3#方案控流装置
• 5.3.4 4#方案控流装置
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录