临钢板坯连铸中间包结构优化及钢液流动行为的数值模拟

论文摘要

随着炼钢技术的不断发展,对连铸钢的洁净度以及用户对高质量产品的要求也越来越高。近年来冶金工作者采取了一系列措施来强化和扩大中间包的冶金功能,其作为炼钢流程中重要的冶金反应器,除具有储存、分配钢液的作用外,还具有净化钢液、去除钢中非金属夹杂物的作用;其重要措施之一就是在中间包内设置适当形式的控流装置,使之形成合理的流场,一方面促进夹杂物充分上浮,同时也为钢液温度和成分的均匀化创造有利条件。特别是较小容量的中间包,更需要对其内腔及结构进行优化,如设置挡渣墙、控流装置及坝等对延长平均停留时间和促进夹杂物上浮有明显的冶金效果。本课题以临钢炼钢厂板坯连铸中间包的实际情况为研究对象,采用水力学物理模拟和数值计算相结合的研究方法,确定中间包内控流装置设置的最佳方案。根据相似理论,按照弗鲁德准数相似选择试验模型与原型的几何相似比为0.5建立试验模型并进行水力学模拟试验;同时根据连续性方程和动量方程建立描述中间包内流体流动的数学模型,利用商业软件FLUENT进行数值计算,对中间包流场进行数值模拟,对中间包的内腔结构进行合理优化。研究表明:通过对中间包内钢液流动行为、夹杂物运动轨迹及钢液流线等的模拟,发现物理模拟与数值模拟的试验结果基本吻合。优化后的中间包内采用“稳流器+导流挡墙+坝”控流装置冶金效果明显,钢水流动状况较优化前得到较好改善,钢液流场合理,液面平稳且钢液温度变得更加均匀。其钢液的平均停留时间延长,活塞流体积率增加,夹杂物上浮指数提高。因此,更加有利于钢水的净化,从而实现提高连铸坯质量的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 板坯连铸的发展
• 1.2.1 国外板坯连铸的发展现状
• 1.2.2 国内板坯连铸的发展现状
• 1.3 中间包冶金的发展概况
• 1.4 中间包的作用与功能
• 1.4.1 中间包在连铸生产过程中的地位和作用
• 1.4.2 中间包的冶金功能
• 1.4.3 国内外中间包冶金的相关技术
• 1.5 中间包冶金的研究方法
• 1.5.1 中间包内的物理模拟
• 1.5.2 中间包内的数值模拟
• 1.6 课题的提出
• 1.6.1 提出的背景
• 1.6.2 课题研究的主要内容
• 2 临钢炼钢厂板坯连铸概况
• 2.1 炼钢厂简介
• 2.2 板坯连铸生产工艺流程及连铸机的主要参数
• 2.2.1 板坯连铸生产工艺流程
• 2.2.2 板坯连铸机的主要参数
• 2.3 临钢板坯连铸存在的主要问题
• 3 临钢板坯连铸中间包水力学模型试验研究
• 3.1 试验原理
• 3.2 试验方法
• 3.2.1 刺激一响应试验技术
• 3.2.2 流场显示技术
• 3.2.3 夹杂物的模拟方法
• 3.3 停留时间分布的测定
• 3.4 中间包内钢液流动现象的描述
• 3.5 试验参数的建立
• 3.5.1 模型参数
• 3.5.2 其它参数
• 3.6 试验设备
• 3.7 试验方案和内容
• 3.8 试验结果及分析
• 3.8.1 中间包试验结果的相关内容
• 3.8.2 中间包RTD曲线测定结果和分析
• 3.8.3 正交试验结果及分析
• 3.9 优化试验
• 3.9.1 优化试验方案
• 3.9.2 优化试验的RTD曲线
• 3.9.3 优化试验的结果及分析
• 3.9.4 中间包内流场分析
• 3.10 小结
• 4 中间包内流场数值模拟研究
• 4.1 中间包内钢液流动数值模拟原理
• 4.1.1 基本假设
• 4.1.2 控制方程
• 4.1.3 边界条件
• 4.2 中间包内钢液流动数值模拟方法
• 4.2.1 有限体积法
• 4.2.2 数值模拟软件（FLUENT软件）
• 4.2.3 计算区域及网格划分
• 4.3 数值模拟的内容
• 4.4 中间包内流场数值模拟结果及分析
• 4.4.1 中间包内的速度场特征
• 4.4.2 中间包内的流线特征
• 4.5 小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 硕士研究生学习阶段发表论文