不锈钢板坯连铸结晶器内钢/渣界面行为模拟及卷渣分析

为研究连铸过程中高温区δ铁素体含量对凝固传热的影响,采用商业有限元软件ansys,利用单元生死技术,对316不锈钢板坯的浇注过程进行了模拟。采用2-d模型,分别计算了δ铁素体含量为0、25%、50%、75%及100%时坯壳出口温度、坯壳厚度及表面温度的变化,探讨了坯壳生长及厚度变化规律。结果表明,随着δ铁素体含量升高,坯壳出口温度升高,表面温度变化剧烈,坯壳的出口厚度减薄。

通过数值模拟研究了304不锈钢200mm×1550mm板坯结晶器内用原水口时的钢液流场及钢-渣界面的特征。结果表明,原水口的结晶器流场的上回流过强,钢-渣界面的不稳定,结晶器窄边渣液层薄,易发生卷渣和钢液裸露;最优化水口结构为将原水口v型底部改成凹型、增加水口出口形状的锥度、向上倾角10°。

1前言结晶器保护渣是一种合成渣，通常用在钢的连续浇铸过程中，特别是板坯的连续浇铸中。浇铸时将保护渣加入到熔池内钢液表面，由于钢液的传热作用，保护渣被熔化并流入到结晶器器壁和凝固坯壳之间的缝隙中。连铸中所使用的结晶器保护渣应满足以下几个要求：

利用数值模拟方法对比分析了不同浸入式水口倾角角度下结晶器内钢水流场和温度场的分布情况。结果表明,在同一结晶器断面宽度和工艺参数条件下,随着水口侧孔倾角角度的增加,侧孔注流在窄面的冲击位置上升,冲击强度减小,钢液面处钢水卷渣和液面裸露的几率增加,钢液面处钢水温度增加。其中,当水口侧孔角度为向上0°和5°时,钢液面处钢水表面流速变化相对较小,说明对于该断面不锈钢板坯,水口侧孔倾角角度在0°～5°范围内时在利于铸坯质量的提高.

采用商业有限元软件的热-力耦合模型,对304不锈钢板坯在结晶器内的坯壳温度及变形进行数值模拟。计算出304不锈钢板坯在结晶器内温度场分布和变形,在此基础上探讨了坯壳生长、收缩的规律。

为研究结晶器内钢液流场,通过对工艺参数的优化,进一步提高铸坯质量,以天津钢铁集团有限公司4#-vai板坯连铸结晶器为原型进行水模试验,通过调节拉速、水口浸入深度,研究了结晶器内流场形态、液面波动、流场冲击深度和保护渣形貌等的变化情况。模拟试验表明,在现有参数和水口尺寸情况下,结晶器流场合理、液面渣层平稳、坯壳厚度均匀,能够满足铸坯质量要求。

由于钢种特点,连铸马氏体不锈钢板坯容易产生裂纹缺陷,影响生产节奏和修磨效率;同时,由于采用通用型保护渣,也无法针对马氏体不锈钢板坯质量问题做出进一步改进。因此,尝试马氏体不锈钢板坯连铸保护渣的国产化研制和使用,通过保护渣碱度、caf等的不同范围与保护渣结晶、黏度性能的关系研究,确定采用高碱度、低黏度、高结晶性的保护渣设计原则,并由此得出了适应马氏体不锈钢板坯连铸的保护渣设计方案。实际使用过程中,板坯纵裂率下降幅度达到30%,证明了马氏体不锈钢连铸板坯保护渣设计和研制的合理性和可行性。

在分析304奥氏体不锈钢凝固特性的基础上,研制开发了板坯连铸304奥氏体不锈钢用td601结晶器保护渣。td601结晶器保护渣有较强的吸附夹杂物的能力,具有较好的稳定性、适用性,能满足生产现场的工艺要求。现场试验,铸坯修磨率降低、成品材质量优级率提高。

根据现场调研结果,采用物理模拟和数学模拟相结合的方法,系统地研究了浸入式水口单侧结瘤对结晶器内流场、液渣层以及气泡的影响,同时,还考察了不同体积的结瘤物脱落进入结晶器后的运动轨迹。研究结果表明,水口单孔结瘤将导致结晶器两侧流场不对称。相比较于结瘤侧,未结瘤侧流量增加,流股冲击增强,保护渣卷入钢液的几率增大,同时,未结瘤侧的气泡数量增多,气泡穿透深度增大。此外发现,不同体积结瘤物脱落进入结晶器后,粒径较大者更容易上浮至结晶器液面。

归功于达涅利不断的技术革新,比利时阿塞洛米塔尔industeel钢厂成功生产355mm厚度不锈钢连铸板坯。比利时阿塞洛米塔尔industeel钢厂板坯连铸机成功生产全球最厚的不锈钢板坯(355mm)。改造的钢厂设计用来生产特殊钢(如碳锰钢hic-s355,a387铬-钼锅炉用钢,高限弹力钢,不锈钢-奥氏体304-316-双相钢),连铸机设计最大厚度

建立了连铸板坯凝固传热与自由线收缩计算模型。揭示了不锈钢板坯连铸凝固与冷却过程线收缩的一般规律,为铸机基础辊缝锥度曲线的设计提供了合理依据。针对304不锈钢板坯连铸,结合实际生产冷却条件的计算分析表明:连铸过程板坯厚度的自由线收缩在二冷初期较为平缓,二冷后期铸坯凝固末端附近为快速线收缩阶段;目标表面温度下,拉速对板坯厚度线收缩量与线收缩率差异影响显著;板坯断面厚度影响次之,浇铸过热度影响不明显。此外,板坯厚度的线收缩沿宽向分布并不均匀,其中角部附近的线收缩量最大,不同部位的线收缩范围构成了该钢种连铸的辊缝设定操作窗口。

以150mm×1600~3250mm宽板坯连铸结晶器为研究对象,利用大型商业软件ansyscfx10.0建立了1个三维有限体积模型,对结晶器内钢液的流动进行数值模拟。研究了拉速、浸入深度、水口倾角、断面宽度等工艺参数对结晶器内流场和窄面冲击压力的影响。结果表明:随着拉速的增大,表面流速和钢液对窄面的冲击压力都显著增加,采用较大的水口倾角和浸入深度,可以抑制液面波动,减少卷渣。

采用数值模拟的方法,建立了描述某厂结晶器内钢液流动的数学模型;用有限体积法求解,研究了结晶器内的钢液流动行为,详细分析了结晶器浸入式水口(sen)插入深度、侧孔倾角和拉速对结晶器内钢液流场的影响。得出了适合该厂连铸工艺条件的浸入式水口形式和拉坯速度,即水口合理的出口倾角应为向下15°左右;在水口结构一定条件下,水口插入深度140～170mm比较适宜;合理的拉速应控制在1.4～2.0m/min。

采用三维有限元技术,研究了连铸过程中高温区δ铁素体含量对钢水凝固的影响。通过对316不锈钢板坯浇铸过程的模拟,获得了凝固过程中δ铁素体含量对坯壳出口温度、角部温度及坯壳厚度变化的影响规律。研究发现铁素体含量能够极大增加坯壳纵向温度,但对横向温度的梯度的变化影响较小。通过分析横向温度的变化,确定在距角部40mm左右处坯壳最薄。同时,也研究了出口坯壳厚度变化规律,随着δ铁素体含量的增加,出口处坯壳厚度逐渐减小,厚度差逐渐变大。

数值模拟了板坯结晶器内钢液的综合冶金行为。结果表明:钢水的流动状态主要决定于浸入式水口钢水射流形态和强度。在已经给定浸入式水口工作端的条件下,由于水口吐出孔附近存在低压抽引回流区,所以钢水仅从吐出孔下部流出,降低了水口吐出孔的有效利用面积。大断面会使其弯月面的过热度降低;坯壳温度变化主要集中在窄面冲击区域,该区域坯壳温度随铸坯断面增加而降低。断面尺寸为1400mm×230mm和1600mm×230mm的铸坯,结晶器出口处窄面凝固坯壳厚度能达到11.5mm;对于1800mm×230mm断面在结晶器出口处窄面凝固坯壳厚度能达到13.4mm。铸坯宽面坯壳厚度受断面变化的影响很小。

基于热电偶实测温度,建立了包晶钢宽厚板坯连铸结晶器有限元传热模型和热流密度非线性估算模型.应用模型反算获得包晶钢宽厚板坯结晶器的热流密度,在与热平衡计算得到的平均热流密度进行比较后,阐述了模型的有效性,并分析了实际生产条件下结晶器铜板的温度分布规律.结晶器宽面和窄面的平均热流密度分别为1.141和1.119mw·m~(-2).温度在靠近结晶器背面呈波浪形分布,最大温差为29.6℃,然而在远离背面位置,温度变化平缓.随距弯月面距离的增加,温度呈降低趋势,然而在距结晶器出口附近出现回温现象.同时宽厚板坯连铸结晶器的热流密度和温度分布均有别于传统板坯连铸.

利用数值模拟方法对比分析了不同不锈钢板坯宽度下结晶器内钢水流动和温度分布情况。结果表明,在同一浸入式水口结构和工艺参数条件下,随着结晶器宽度的增加,侧孔注流在窄面的冲击位置下降,冲击强度减弱,钢液面处钢水卷渣和液面裸露的几率减小,但液面处钢水温度降低。其中,当铸坯断面大于1360mm时,结晶器内钢水对窄面中心的冲击速度和钢液面处钢水表面流速变化不大。综合表明,该水口浇注不锈钢板坯的适宜宽度范围为1360～1600mm.

在以冶金部科技司副司长那宝魁同志为组长的鉴定领导小组和以上钢三厂王乐基同志为主任委员的鉴定委员会主持下,于1986年2月16～28日在太原召开了冶金部国家技术攻关课题《太钢不锈钢立式板坯连铸机技术鉴定会》,对我国自行设计、制造和安装的第一台不锈钢板坯连铸机通过了技术鉴

采用商业有限元软件的传热模型,对304不锈钢板坯连铸过程中坯壳生长进行了数值模拟,计算了304不锈钢板坯在连铸过程中坯壳生长变化规律。

国内某厂2台板坯连铸机在生产过程中,发生的粘结漏钢事故全部集中在1号铸机之上。观测发现1号铸机生产的铸坯表面振痕相对更为紊乱,因此结晶器振动状态不良是造成粘结漏钢的主要原因,有必要对其进行检测。设计并制造了一种便携式板坯连铸结晶器振动检测装置,其由数据处理计算机、数据线、加速度传感器组成,同时开发了一套界面友好、操作简便的振动检测系统软件,可对结晶器振动情况进行检测和数据采集,并通过软件快速自动生成关于结晶器振动频率、振幅、偏摆、振动速度、振动位移及轨迹的分析报告,具有装卸简便、稳定可靠、精度高的特点。检测结果表明,1号铸机的结晶器振动偏摆量可达到0.6mm以上,振动速度曲线不符合正弦函数规律。为此,对该铸机的结晶器振动装置进行了改进,粘结漏钢频率由6次/月降低到0~1次/月。

太钢立式不锈钢板坯连铸机的研制是“六、五”期间国家科技攻关项目,我院在该项目中承选连铸机力能参数测试研究,其目的是对该连铸机的主要设备——结晶器、结晶器振动装置、二冷装置、托坯装置以及回转出坯装置进行整机测试、检测上述设备的主要技术性能、工作状态,为连铸机的鉴定提出数据,并为国内今后设计同类连铸机提供设计参数和分析计算方法,此外,通过对力能参数和工艺参数互相关系研究,为改善铸坯质量,提高铸坯合格率提供数据。测试是在连铸机热试期间进行的,试验测定的子项目共16项,测试的力参数和电参

主要阐述了承钢提钒钢轧二厂为提高产品质量,降耗增效,提出了结晶器流场存在的问题,围绕着改善结晶器流场的思路,重点从保护浇注、振动、浸入式水口方面入手对结晶器流场进行了优化,在生产中取得了显著效果。