板坯连铸结晶器内钢液流动行为与模拟方法研究

摘要

随着高效连铸技术的发展,人们对连铸板坯质量提出了更高的要求。而连铸结晶器内钢液流动行为对铸坯质量起决定性作用,它直接影响结晶器内钢液的传热和夹杂物的上浮,与铸坯表面及内部质量有着密切关系。因此,深入研究板坯连铸结晶器内钢液流动行为对保证连铸顺行和提高铸坯质量具有重要意义。
　　 本文以某钢厂新建1＃板坯连铸机结晶器水口设计和优化为出发点,分析目前结晶器内物理模拟实验研究方法存在的一些问题,重点研究了在偏流和浇注条件波动时结晶器内流动特征的变化规律。本文的主要研究成果如下:
　　 为减少结晶器物理模型和实际连铸生产的差异,提出了考虑结晶器内凝固坯壳和流动质量平衡的物理模拟方法。考虑结晶器内坯壳后,由于坯壳厚度的逐渐增加使结晶器内壁形成一定的倒锥度,导致上回流区流股湍动能增大,流股对液面的扰动增强,液面波动增大,表面流速增大。对于断面厚度较小的情况,若忽略结晶器内坯壳和流动质量平衡,物理模拟得到的液面波动和液面表面流速小于实际情况,可能导致物理模拟实验结果与实际生产存在一定差别。对于不同宽度和厚度断面,凝固坯壳的考虑与否对模拟实验结果影响程度也不相同。
　　 讨论不同湍流模型对结晶器内流动传输行为模拟结果的影响。修正的低雷诺数模型适用于高雷诺数和低雷诺数区域的情况,能更好地处理壁面流动问题,从而很好地给出低雷诺数区域的模拟结果。利用无量纲化分析两相区内流动相对强弱关系,采用切换函数修正的渗透率模型对两相区内流体流动、传热和凝固过程进行模拟。结果表明,修正的渗透率模型,在处理两相区流动和凝固过程时具有一定优势,在固相率很低时,两相区内流动占主导作用,多孔渗透作用较强,在固相率较高时,枝晶网状结构对流动的阻力迅速增大,使两相区内流动传热行为模拟更为准确。
　　 对结晶器水口流股流动特征分析,研究得到结晶器内水口流股的变化规律,分析了水口流股与水口底部形状和断面宽度之间的关系,为水口设计和优化提供理论依据。系统地研究了结晶器内的偏流现象,当水口内流速在结晶器宽度方向上不均匀时,结晶器偏流现象明显;而水口在结晶器厚度方向的流速分布情况对结晶器内偏流现象影响较小。相同工况下高拉速条件容易使偏流现象更为明显。水口在结晶器宽度方向偏移中心位置时非对称流动最为明显,宽度方向的偏移也能产生一定的非对称流动。分别模拟了水口侧孔结瘤面积为10％和20％时结晶器内的流动状态变化,随着水口结瘤面积的增大,结晶器内不对称流动明显增强。通过对结晶器内非对称流动现象的研究,提出采用偏流指数来定量描述结晶器内非对称流动现象,对改善偏流现象和提高铸坯表面质量具有重要指导意义。
　　 研究了结晶器内流动行为随拉速和浇注温度波动的变化规律。模拟结果表明,在拉速突变条件下,液面波动增大,严重时容易出现卷渣情况。在拉速逐渐变化条件下,内部湍动能会逐渐得到释放,对液面产生的扰动作用较小,结晶器内流动状态受到一定影响。当浇注温度增大时,水口流股流动区域温度迅速发生变化,结晶器内的传热行为受到一定影响,高温钢液容易对结晶器窄面坯壳产生冲刷,影响坯壳生长速度和均匀性。
　　 建立水口设计优化方案,通过物理模拟和数值模拟方法对各断面结晶器水口进行优化设计,分析得到水口结构参数、连铸工艺参数对结晶器内流动状态的影响规律,并对各厚度断面进行水口优选,提出适用于各厚度断面的水口参数和相应的工艺参数。对于230mm厚度断面,建议选择2＃水口。根据现场需要,将160mm厚度和190mm厚度使用水口合并为同一水口,采用B2#水口,并确定了相关的水口工艺参数。
　　 对生产初期1#连铸机铸坯出现的质量问题进行分析,提出合理的改进和优化措施。生产调整后,铸坯质量统计表明,铸坯凹坑缺陷逐步减小,皮下气孔缺陷和夹渣情况缺陷基本消除,铸坯表面纵裂缺陷得到了有效地控制,铸坯无清理比例达到98％以上,铸坯表面质量明显得到改善。水口实际应用情况表明,对1#铸机各结晶器断面的水口设计和优化是比较合理的,其研究结果在生产现场应用情况良好,达到了水口设计优化的预期目的。