天鋼板坯結(jié)晶器流場物理模擬及連鑄工藝優(yōu)化

以150mm×1600~3250mm寬板坯連鑄結(jié)晶器為研究對象,利用大型商業(yè)軟件ansyscfx10.0建立了1個三維有限體積模型,對結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動進行數(shù)值模擬。研究了拉速、浸入深度、水口傾角、斷面寬度等工藝參數(shù)對結(jié)晶器內(nèi)流場和窄面沖擊壓力的影響。結(jié)果表明:隨著拉速的增大,表面流速和鋼液對窄面的沖擊壓力都顯著增加,采用較大的水口傾角和浸入深度,可以抑制液面波動,減少卷渣。

研究了南京鋼鐵集團公司煉鋼廠1000mm×180mm板坯連鑄結(jié)晶器喂鋁絲的工藝,結(jié)果表明,在鑄坯拉速1.09～1.22m/min、鋁絲喂速15～20m/min、喂鋁量167.26～249.61g/t時,鑄坯al含量均勻,改善了q345q鋼板材的機械性能。

基于現(xiàn)有設(shè)備及工藝條件下，板坯連鑄機在生產(chǎn)過程中極其容易出現(xiàn)結(jié)晶器鋼液面卷渣、翻鋼以及鑄坯表面出夾渣等嚴重現(xiàn)象。本文主要構(gòu)建水模型，分析板坯結(jié)晶器液卷渣現(xiàn)象，探究其卷渣原因，基于控制水口結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工藝參數(shù)下，對卷渣影響因素進行系統(tǒng)分析，進而提出改進措施。

針對不銹鋼板坯結(jié)晶器的特點建立了數(shù)學(xué)模型,考察了浸入式水口的出鋼孔傾角、插入深度、拉速、板坯寬度等對結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場的影響,為實際生產(chǎn)中澆注工藝參數(shù)的確定提供了理論依據(jù),并在其后的生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。

采用開發(fā)的凝固模擬系統(tǒng)對0.07%～0.70%碳鋼1500mm×150mm連鑄板坯凝固過程進行了模擬。研究了化學(xué)成分、結(jié)晶器水量、二冷區(qū)水流密度、拉坯速度和澆注溫度對液相穴深度(l)、液固兩相區(qū)高度(h)、結(jié)晶器出口處和二冷區(qū)出口處的坯殼厚度(s1和s2)的影響。結(jié)果表明,隨鋼中c%由0.07%增至0.70%時,l值由400cm增至540cm,在0.17%c時h有最小值(100cm),s1和s2有最大值(18mm和52mm)。為保證結(jié)晶器出口處的已凝固的坯殼厚度(s1),增大結(jié)晶器冷卻水流量和降低澆注溫度具有明顯的效果

通過數(shù)值模擬研究了304不銹鋼200mm×1550mm板坯結(jié)晶器內(nèi)用原水口時的鋼液流場及鋼-渣界面的特征。結(jié)果表明,原水口的結(jié)晶器流場的上回流過強,鋼-渣界面的不穩(wěn)定,結(jié)晶器窄邊渣液層薄,易發(fā)生卷渣和鋼液裸露;最優(yōu)化水口結(jié)構(gòu)為將原水口v型底部改成凹型、增加水口出口形狀的錐度、向上傾角10°。

通過1∶2薄板坯連鑄水模型實驗,研究了馬鋼70mm×1600mm薄板坯連鑄結(jié)晶器在不同水口結(jié)構(gòu)、不同工藝參數(shù)條件下的流場。結(jié)果表明:在其他條件相同時,出口面積比為2.34、出口傾角為11.5°的5號水口所對應(yīng)的流場優(yōu)于其它水口。

針對萊鋼3#板坯連鑄機結(jié)晶器振動裝置存在的問題,對其進行改造。采用液壓振動裝置來代替四輪偏心式機械振動裝置,建立結(jié)晶器重量及振動單元模型,應(yīng)用ansys對系統(tǒng)的模態(tài)分析及瞬態(tài)分析計算。熱試結(jié)果表明,采用結(jié)晶器液壓振動裝置,可有效改善鑄坯質(zhì)量。

天鋼3號連鑄機結(jié)晶器原為機械振動,其振動不平穩(wěn),維修成本高,影響初生坯殼在結(jié)晶器內(nèi)的脫模及潤滑,鑄坯質(zhì)量也受到影響.對3號連鑄機結(jié)晶器振動方式進行了改造,由原設(shè)計的四偏心式機械振動裝置改為液壓振動.改造后,實現(xiàn)了在線調(diào)控振動波形、振動振幅及振動頻率的目的,鑄機拉速提高,鑄坯振痕深度和鑄坯邊裂發(fā)生率降低,連鑄機生產(chǎn)過程中的振動更加穩(wěn)定,鑄坯質(zhì)量得到進一步提高,在一定程度上也減少了漏鋼事故的發(fā)生幾率.

國內(nèi)某廠2臺板坯連鑄機在生產(chǎn)過程中,發(fā)生的粘結(jié)漏鋼事故全部集中在1號鑄機之上。觀測發(fā)現(xiàn)1號鑄機生產(chǎn)的鑄坯表面振痕相對更為紊亂,因此結(jié)晶器振動狀態(tài)不良是造成粘結(jié)漏鋼的主要原因,有必要對其進行檢測。設(shè)計并制造了一種便攜式板坯連鑄結(jié)晶器振動檢測裝置,其由數(shù)據(jù)處理計算機、數(shù)據(jù)線、加速度傳感器組成,同時開發(fā)了一套界面友好、操作簡便的振動檢測系統(tǒng)軟件,可對結(jié)晶器振動情況進行檢測和數(shù)據(jù)采集,并通過軟件快速自動生成關(guān)于結(jié)晶器振動頻率、振幅、偏擺、振動速度、振動位移及軌跡的分析報告,具有裝卸簡便、穩(wěn)定可靠、精度高的特點。檢測結(jié)果表明,1號鑄機的結(jié)晶器振動偏擺量可達到0.6mm以上,振動速度曲線不符合正弦函數(shù)規(guī)律。為此,對該鑄機的結(jié)晶器振動裝置進行了改進,粘結(jié)漏鋼頻率由6次/月降低到0~1次/月。

為研究連鑄過程中高溫區(qū)δ鐵素體含量對凝固傳熱的影響,采用商業(yè)有限元軟件ansys,利用單元生死技術(shù),對316不銹鋼板坯的澆注過程進行了模擬。采用2-d模型,分別計算了δ鐵素體含量為0、25%、50%、75%及100%時坯殼出口溫度、坯殼厚度及表面溫度的變化,探討了坯殼生長及厚度變化規(guī)律。結(jié)果表明,隨著δ鐵素體含量升高,坯殼出口溫度升高,表面溫度變化劇烈,坯殼的出口厚度減薄。

基于湍流模型與多相流模型的耦合,應(yīng)用液面追蹤技術(shù)(vof),實現(xiàn)了對不銹鋼板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)流體流動及鋼/渣界面行為的模擬計算,并用水模擬結(jié)果進行了對比驗證,在此基礎(chǔ)上計算出實際的鋼/渣界面特征及界面上鋼/渣行為.通過分析水口的側(cè)孔形狀、出口傾角、水口浸入深度、結(jié)晶器寬度以及拉速對鋼/渣界面特征及界面上鋼/渣行為影響規(guī)律,指出了鋼/渣界面行為與卷渣是密切相關(guān)的,進而探討了鋼/渣界面及卷渣形成的機理.

以某廠板坯連鑄結(jié)晶器為原型,采用1∶1的水模型進行模擬實驗,研究表明:增加拉速、減小水口的浸入深度、減小水口出口向下的傾角以及增加水口的吹氣量均會增加結(jié)晶器內(nèi)鋼液的表面流速、增大結(jié)晶器內(nèi)卷渣的傾向,其中拉速的增加對表面流速的影響最大。

以承德鋼鐵廠板坯連鑄結(jié)晶器為原型,采用1∶1的水模型進行試驗,研究了拉速、浸入式水口出口角度、水口浸入深度、水口底面結(jié)構(gòu)及結(jié)晶器斷面寬度等工藝參數(shù)對板坯結(jié)晶器內(nèi)表面流速的影響。結(jié)果表明:拉速對表面流速的影響最大,隨著拉速的提高,結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面流速明顯增大,當(dāng)斷面寬度為1650mm,拉速由0.7m/min提高到1.4m/min,表面流速由0.04m/s提高到0.1m/s;波浪面結(jié)構(gòu)的浸入式水口表面流速效果最優(yōu)。

數(shù)值模擬了板坯結(jié)晶器內(nèi)鋼液的綜合冶金行為。結(jié)果表明:鋼水的流動狀態(tài)主要決定于浸入式水口鋼水射流形態(tài)和強度。在已經(jīng)給定浸入式水口工作端的條件下,由于水口吐出孔附近存在低壓抽引回流區(qū),所以鋼水僅從吐出孔下部流出,降低了水口吐出孔的有效利用面積。大斷面會使其彎月面的過熱度降低;坯殼溫度變化主要集中在窄面沖擊區(qū)域,該區(qū)域坯殼溫度隨鑄坯斷面增加而降低。斷面尺寸為1400mm×230mm和1600mm×230mm的鑄坯,結(jié)晶器出口處窄面凝固坯殼厚度能達到11.5mm;對于1800mm×230mm斷面在結(jié)晶器出口處窄面凝固坯殼厚度能達到13.4mm。鑄坯寬面坯殼厚度受斷面變化的影響很小。

高速連鑄低碳鋼板坯用結(jié)晶器保護渣的開發(fā)

介紹板坯連鑄機結(jié)晶器監(jiān)控系統(tǒng)(漏鋼預(yù)報系統(tǒng))的工藝特點、基本結(jié)構(gòu)和工作原理,通過精確的檢測手段,來實現(xiàn)實際生產(chǎn)中的漏鋼預(yù)報功能,對目前造成系統(tǒng)誤報的因素進行分析,提出優(yōu)化方案,取得好的生產(chǎn)效果。

介紹了承鋼板坯連鑄機結(jié)晶器的銅板優(yōu)化改造、銅板維修的檢測技術(shù)、結(jié)晶器足輥參數(shù)及優(yōu)化、冷卻水質(zhì)的優(yōu)化等。并對結(jié)晶器改造進行了詳細的介紹,并簡要介紹了改造后所取得的效果。

基于熱電偶實測溫度,建立了包晶鋼寬厚板坯連鑄結(jié)晶器有限元傳熱模型和熱流密度非線性估算模型.應(yīng)用模型反算獲得包晶鋼寬厚板坯結(jié)晶器的熱流密度,在與熱平衡計算得到的平均熱流密度進行比較后,闡述了模型的有效性,并分析了實際生產(chǎn)條件下結(jié)晶器銅板的溫度分布規(guī)律.結(jié)晶器寬面和窄面的平均熱流密度分別為1.141和1.119mw·m~(-2).溫度在靠近結(jié)晶器背面呈波浪形分布,最大溫差為29.6℃,然而在遠離背面位置,溫度變化平緩.隨距彎月面距離的增加,溫度呈降低趨勢,然而在距結(jié)晶器出口附近出現(xiàn)回溫現(xiàn)象.同時寬厚板坯連鑄結(jié)晶器的熱流密度和溫度分布均有別于傳統(tǒng)板坯連鑄.

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果,采用物理模擬和數(shù)學(xué)模擬相結(jié)合的方法,系統(tǒng)地研究了浸入式水口單側(cè)結(jié)瘤對結(jié)晶器內(nèi)流場、液渣層以及氣泡的影響,同時,還考察了不同體積的結(jié)瘤物脫落進入結(jié)晶器后的運動軌跡。研究結(jié)果表明,水口單孔結(jié)瘤將導(dǎo)致結(jié)晶器兩側(cè)流場不對稱。相比較于結(jié)瘤側(cè),未結(jié)瘤側(cè)流量增加,流股沖擊增強,保護渣卷入鋼液的幾率增大,同時,未結(jié)瘤側(cè)的氣泡數(shù)量增多,氣泡穿透深度增大。此外發(fā)現(xiàn),不同體積結(jié)瘤物脫落進入結(jié)晶器后,粒徑較大者更容易上浮至結(jié)晶器液面。

利用數(shù)值模擬方法對比分析了不同浸入式水口傾角角度下結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場和溫度場的分布情況。結(jié)果表明,在同一結(jié)晶器斷面寬度和工藝參數(shù)條件下,隨著水口側(cè)孔傾角角度的增加,側(cè)孔注流在窄面的沖擊位置上升,沖擊強度減小,鋼液面處鋼水卷渣和液面裸露的幾率增加,鋼液面處鋼水溫度增加。其中,當(dāng)水口側(cè)孔角度為向上0°和5°時,鋼液面處鋼水表面流速變化相對較小,說明對于該斷面不銹鋼板坯,水口側(cè)孔傾角角度在0°～5°范圍內(nèi)時在利于鑄坯質(zhì)量的提高.

應(yīng)用數(shù)值模擬軟件對唐鋼中薄板坯連鑄結(jié)晶器及浸入式水口內(nèi)的鋼水流場、溫度場進行數(shù)值模擬,分析了水口結(jié)構(gòu)、拉速、浸入深度和鑄坯斷面對流場和溫度場的影響,在此基礎(chǔ)上確定了水口的最佳結(jié)構(gòu)和浸入深度,并在生產(chǎn)中進行了驗證,不但提高了鑄坯質(zhì)量和產(chǎn)量且穩(wěn)定了連鑄生產(chǎn)。