板坯连铸中间包控流装置结构优化及结晶器吹氩数值模拟

摘要

某厂自IF系列高端汽车板投产以来，由于中间包内控流装置安装不合理，结晶器吹氩过程中液面波动过大等问题，连铸过程N、C、O的控制水平与先进水平差距仍较大，因夹杂造成的改判率较高。本文以该厂两流板坯连铸中间包为研究对象利用数值模拟的方法研究了不同控流组合装置以及不同控流参数对中间包内流场、温度场的影响，并通过水模对数模结果进行了验证;同时，利用离散模型和VOF模型建立了反映板坯结晶器吹氩过程钢/渣界面波动的数学模型，分析了吹氩量、拉坯速度和水口浸入深度等不同工艺参数下钢/渣界面波动的行为，为合理选择吹氩过程工艺参数提供了理论依据。研究结果表明:
　　(1)无坝堰的中间包钢液峰值时间和平均停留时间过短，钢液平均停留时间仅307.9s，死区体积分数高达59.4％。设置坝堰组合装置后，中间包内钢液峰值时间和平均停留时间明显增加，中间包内钢液流场和温度场得到明显改善。综合考虑，方案三即坝二和堰二组合的控流装置最为合理，方案三中间包内钢液平均停留时间为487s，比不加坝堰中间包钢液平均停留时间增加了179.1s，死区体积分数为35.8％，下降了23.6％。
　　(2)对选取的方案三的控流参数进行优化，考虑推荐7号实验方案为最佳方案，即坝与堰之间的距离为870mm，堰到长水口之间的距离为1150mm。优化后，中间包内钢液的平均停留时间高达590s，比优化前延长了103s，比无坝堰的中间包延长了282.1s，活塞区体积分数为17.4％，死区体积分数为22.3％。
　　(3)吹氩会显著加剧浸入式水口附近钢液液面的波动情况，而选取合适的拉速能有效缓解水口附近钢/渣界面的波动，同时吹氩有利于减缓结晶器窄面弯月面处的液面波动，可在一定程度上达到稳定液面波动的目的。
　　(4)通过数值模拟，对于该厂230mm×1100mm断面结晶器，最佳吹氩工艺参数为:拉速1.2m/min，吹氩量9L/min，浸入深度120mm，此时结晶器钢/渣界面波动较为稳定，冲击深度较小。

目录

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摘要

第一章 文献综述

1．1 连铸技术的发展

1．2 中间包冶金

1．2．1 中间包的作用

1．2．2 中间包冶金概念

1．2．3 中间包冶金功能

1．3 结晶器冶金

1．3．1 结晶器的作用及要求

1．3．2 结晶器的冶金功能

1．4 中间包及结晶器冶金的研究方法

1．4．1 物理模拟

1．4．2 数学模拟

1．5 中间包及结晶器冶金模拟研究现状

1．5．1 中间包内钢液流场优化研究进展

1．5．2 结晶器钢液流动行为的研究进展

1．6 课题的研究意义和研究内容

1．6．1 研究意义

1．6．2 研究目的及主要内容

第二章 中间包控流装置结构优化数学模型的建立

2．1 数学模型的建立

2．1．1 研究对象

2．1．2 基本假设

2．1．3 基本方程

2．1．4 边界条件

2．1．5 网格划分与求解方法

2．2 RTD曲线分析方法

2．2．1 平均停留时间计算

2．2．2 钢液流动状态计算

2．3 计算方案

第三章 中间包控流装置结构优化的结果与分析

3．1 中间包控流组合装置优化结果与分析

3．1．1 中间包内流场的结果与分析

3．1．2 中间包内温度场的结果与分析

3．1．3 中间包RTD曲线结果分析

3．1．4 数值模拟结果的验证

3．2 中间包控流参数优化的结果与分析

3．3 本章小结

第四章 结晶器吹氩工艺参数优化数学模型的建立

4．1 数学模型的建立

4．1．1 研究对象

4．1．2 基本假设

4．1．3 基本方程

4．1．4 边界条件

4．1．5 网格划分与求解方法

4．2 计算方案

第五章 结晶器吹氩工艺参数优化的模拟结果与分析

5．1 拉坯速度对钢／渣界面行为的影响

5．1．1 拉坯速度对钢／渣界面沿宽面中心线方向速度的影响

5．1．2 拉坯速度对钢／渣界面形状的影响

5．2 水口浸入深度对钢／渣界面行为的影响

5．2．1 水口浸入深度对钢／渣界面沿宽面中心线方向速度的影响

5．2．2 水口浸入深度对钢／渣界面形状的影响

5．3 吹氩对结晶器内钢液流动和钢／渣界面行为的影响

5．3．1 吹氩对结晶器内钢液流动的影响

5．3．2 吹氩对钢／渣界面沿结晶器宽面中心线方向速度的影响

5．3．3 吹氩对钢／渣界面形状的影响

5．4 最佳吹氩工艺参数的确定

5．5 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文