板坯连铸结晶器流场的数学物理模拟研究

论文摘要

深入了解和控制结晶器内钢液的流动行为是保证高效连铸工艺顺行和提高铸坯质量的关键。因此,人们十分重视钢液在结晶器内流动特征的研究,最普遍的方法就是物理模拟和数值模拟。针对某钢厂板坯连铸结晶器,本文采用物理模拟和数值模拟的方法,研究了不同浸入式水口及连铸参数对结晶器内钢液流动行为的影响。本文运用商业软件FLUENT,依据计算流体动力学理论建立了三维数学模型,计算了不同工艺参数条件下结晶器内的流场和温度场,研究了浸入式水口的浸入深度、浸入式水口的侧孔倾角和拉速对结晶器内钢液的流场和温度场的影响,讨论了不同参数对结晶器内夹杂物去除情况的影响。结晶器物理模拟的主要方法是水力学模拟,本文利用相似原理建立1:1的水模型,采用浪高仪测量结晶器自由液面的波动情况,分析了不同工艺参数对结晶器自由液面波动的影响;采用“刺激——响应”实验技术,测量自由液面不同位置处的电导率值随时间变化的数据,计算出钢液在自由液面不同位置处的平均停留时间,通过加入染色示踪剂观察结晶器内的流场和冲击点的位置,分析了各因素对结晶器流场的影响。通过对结晶器进行物理模拟和数值模拟研究结果表明:随着拉速的增大,结晶器液面波动增大,流股对窄面的冲击强度增大,结晶器自由液面的温度升高,这有利于保护渣的熔化,但也容易使结晶器出口处的坯壳厚度变薄,不利于坯壳的凝固;随着浸入式水口浸入深度和水口侧孔倾角增大,液面波动减小,但上回流区的高温面积减小,容易产生表面质量问题。拉速对结晶器内夹杂物的去除率影响较大,在拉速小于1.6m/min,夹杂物颗粒直径大于350μm时,夹杂物的去除效果较好;对于直径小于100μm的夹杂物颗粒,去除率都小于20%,说明直径较小的夹杂物颗粒在结晶器中很难被去除;当夹杂物颗粒直径大于400μm时,各种情况的去除率都可以达到80%以上,说明结晶器对颗粒直径较大的夹杂物去除效果较好。板坯为1250×230mm2,建议采用的最优工艺参数为:浸入式水口的倾角为向下15°,拉速为1.6-1.8m/min,浸入式水口的浸入深度为180250mm,吹气量为10-20L/min。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 前言
• 1.1 连铸技术的发展
• 1.2 结晶器的作用
• 1.3 板坯结晶器物理模拟的研究现状
• 1.4 板坯结晶器数值模拟的研究现状
• 1.4.1 数值模拟技术
• 1.4.2 板坯结晶器数值模拟的研究现状
• 1.5 本课题的目的和意义
• 1.6 本课题的研究内容
• 2 数值模拟研究理论及方法
• 2.1 计算工具
• 2.1.1 FLUENT 程序的结构
• 2.1.2 FLUENT 可以求解的问题
• 2.2 基本假设
• 2.3 基本控制方程
• 2.4 边界条件
• 2.5 计算方法
• 3 物理模拟的方法与结果
• 3.1 相似理论及结晶器水模型的建立
• 3.2 实验方法
• 3.3 实验设备图
• 3.4 实验结果
• 2时工艺参数的优化'>3.4.1 结晶器截面尺寸为1750×230mm²时工艺参数的优化
• 2时工艺参数的优化'>3.4.2 结晶器截面尺寸为1450×230mm²时工艺参数的优化
• 2时工艺参数的优化'>3.4.3 结晶器截面尺寸为1250×230mm²时工艺参数的优化
• 3.5 本章小结
• 4 数值模拟的结果与分析
• 4.1 结晶器内钢液流场的基本特征
• 4.2 各因素对结晶器内流场的影响
• 4.2.1 拉坯速度对结晶器内流场的影响
• 4.2.2 水口浸入深度对结晶器内流场的影响
• 4.2.3 水口侧孔倾角对结晶器内流场的影响
• 4.3 各因素对结晶器自由液面波动的影响
• 4.3.1 拉坯速度对结晶器自由液面波动的影响
• 4.3.2 水口浸入深度对结晶器自由液面波动的影响
• 4.3.3 水口侧孔倾角对结晶器自由液面波动的影响
• 4.4 各因素对结晶器内温度场的影响
• 4.4.1 拉坯速度对结晶器内温度场的影响
• 4.4.2 水口浸入深度对结晶器内温度场的影响
• 4.4.3 水口侧孔倾角对结晶器内温度场的影响
• 4.5 各因素对结晶器内夹杂物去除的影响
• 4.5.1 结晶器内夹杂物颗粒的运动轨迹
• 4.5.2 不同夹杂物颗粒数量对夹杂物去除的影响
• 4.5.3 不同夹杂物颗粒密度对夹杂物去除的影响
• 4.5.4 不同夹杂物颗粒加入位置对夹杂物去除的影响
• 4.5.5 不同夹杂物颗粒直径对夹杂物去除的影响
• 4.5.6 不同拉速对夹杂物去除的影响
• 4.5.7 不同浸入深度对夹杂物去除的影响
• 4.5.8 不同侧孔倾角对夹杂物去除的影响
• 4.6 数值模拟与水模的对比
• 4.6.1 水模与数模流场的对比
• 4.6.2 不同拉速的情况下水模与数模结果的比较
• 4.6.3 不同浸入深度的情况下水模与数模结果的比较
• 4.7 结晶器内流场和温度场的优化结果
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢