高速方坯连铸结晶器钢液流动行为的物理模拟研究

发布时间：2020-05-05 18:27

【摘要】：高速连铸是当今小方坯连铸技术发展的重要方向,通过提高拉速不仅能达到减流增效的目的,更是实现小方坯连铸连轧和无头轧制的技术基础。而连铸结晶器内钢液的流动行为是小方坯高拉速连铸能否顺行和影响铸坯质量的关键环节,并且目前国内外对高拉速小方坯连铸结晶器内钢液流动行为的物理模拟研究尚未涉足。因此高拉速小方坯连铸结晶器内钢液流动行为的研究具有重要的意义。本文以某钢厂生产试验的160×160mm×mm断面小方坯连铸结晶器为原型,依据相似原理设计制作1:1水力模型,通过物理模拟方法研究了拉速达3.0~6.5m/min下小方坯连铸结晶器在不同工艺条件下的流动行为。另外,本文还对目前的物理模拟进行了模型的完善,根据坯壳生长规律设计了坯壳模型,并进行了对比研究实验。实验研究过程中,分析了浸入式水口(SEN)内径、SEN插入深度和拉速对结晶器液渣分布、液面波动、冲击深度和流场分布的影响。分别在拉速范围3.0~4.5m/min和5.0~6.5m/min内对SEN内径和插入深度参数进行多轮优化,最终得到不同拉速范围的一套SEN参数和插入深度参数。通过大量的水模实验研究和综合分析,结果表明随拉速增大,上回流到达结晶器表面时间有所减小,结晶器液面活跃性增强,液渣趋于不均匀覆盖,甚至发生卷渣和流体裸露现象,流体冲击深度变大;SEN结构对结晶器的流动状态有很大的影响,增大SEN内径,流场形式基本相同,流股变粗,流体冲击深度有所减小,结晶器液面活跃性基本呈现减小的趋势;SEN插入深度对结晶器的流动也具有一定的影响,随着插入深度增加,流股冲击深度增大,结晶器液面趋于平静,流体到达结晶器液面时间增大。多轮优化得出不同拉速范围下的SEN结构参数和插入深度参数。高拉速下内径为40mm的SEN在插入深度为120mm时的结晶器流动较为合理,液面波动范围为0.49~1.12mm,流股冲击深度为550~580mm;超高拉速下内径为50mm的SEN在插入深度为160mm下的结晶器流动较为合理,液面波动范围为0.75~1.35mm,冲击深度为578~610mm。对载入坯壳后的结晶器流动行为进行水模拟,研究了多个SEN插入深度对结晶器内钢液流动的影响,并与未考虑坯壳的实验结果进行分析。结果表明考虑坯壳前后的结晶器液渣分布和流场分布基本一致,但是考虑凝固现象后,结晶器的液面波动有所增大,增加程度有所差异,最大增长率为27%,说明钢液凝固收缩过程对结晶器表面波动具有一定的影响。
【图文】：

过程图,凝固成型,中钢,过程

图 1.1 连铸过程中钢液凝固成型过程Fig. 1.1 Solidification process of molten steel in continuous casting其中，连铸结晶器因具有强烈的热交换能力，所以被称为连铸机的心在结晶器内部存在钢水的流动和凝固、热量的传输和坯壳应力等复杂的学变化过程，因此钢液、坯壳、保护渣和结晶器构成了一个力学状态和合的复杂体系。在对结晶器内的传输行为的研究中，复杂体系可细分为流、凝固、夹杂物分布、溶质再分配及钢水静压力和热应力引起的应变等对小方坯连铸结晶器，一般采用直通型 SEN 进行浇注，因此方坯凝固过输行为及相关变化过程也与板坯连铸有所差异，如图 1.2 所示。结晶器流动行为主要由 SEN 的结构参数和所使用的生产工艺参数决定[7]。钢注入结晶器，主流股沿原来的路径方向竖直向下流动，其流动速度在结液阻力作用下逐渐减小，直到与拉速相等后保持不变；同时，主流股边液流动方向发生偏移，主流股逐渐变得粗大，，形成喇叭状的边缘分散流分散流碰撞到结晶器壁后流动方向发生改变，一部分钢液向下运动而被

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图 1.2 小方坯结晶器内的传输过程示意图Fig. 1.2 The sketch map of transmission process in billet mold护渣对连铸顺行和连铸坯质量控制至关重要，其在结能[16]：绝热保温、减少钢液热量损失；防止弯月面钢液器铜板之间的摩擦；均匀铸坯与铜板之间的传热；吸部分液渣在弯月面结晶器壁处形成渣圈，其他液渣在与结晶器之间的缝隙，利于坯壳与结晶器之间的传热纹的产生。结晶器的振动有利于脱模和促进液渣进入但是结晶器的振动会导致液面波动和产生振痕，从而钢液的凝固收缩以及缝隙里液渣凝固使得坯壳与结晶了热量的传输。保护渣的流动性和吸收夹杂物的能力化速度则由结晶器表面钢液的温度和活跃性决定。铸过程中，结晶器内的流动和传热行为应较常规拉速湍动能有所增大，结晶器液面波动有所增加，结晶器
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF341.6

【参考文献】