板坯结晶器流场优化数值与物理模拟研究

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随着连铸技术的迅速发展和市场对钢材质量要求的日益提高,结晶器冶金越来越受到人们的关注。结晶器是连铸生产过程中净化钢质的最后一个环节,其钢水流动状态对夹杂物的排除、保护渣的卷入、凝固坯壳的形成以及铸坯微观凝固组织等都有较大的影响。因此,优化结晶器操作参数及浸入式水口结构对于提高铸坯质量和高效生产具有重要意义。本文以南钢超低头连铸机板坯结晶器为研究对象,分别进行了利用CFD商业软件FLUENT6.2.16的数值模拟研究以及相似比为0.6:1的物理模拟实验,考察了铸坯拉速,浸入式水口结构参数,水口插入深度和水口偏移等参数对结晶器内流场的影响,得出如下结论。(1)数值模拟和水模拟实验结果均表明:若采用现行操作参数及浸入式水口A,提高拉速后将会引起结晶器内流股对窄面冲击强度和向下冲击深度增加,导致液面不稳定并产生严重的卷渣问题。(2)增大浸入式水口插入深度、水口侧孔倾角和水口内径有助于减小液面流速和液面波动,降低卷渣可能性;但同时却增大了向下流股冲击深度,这不利于初生坯壳长大和下回流内夹杂、气泡上浮。(3)浸入式水口偏移结晶器中心会导致结晶器内流场明显不对称,增加液面波动和卷渣的可能性,不利于初生坯壳均匀对称长大,恶化铸坯质量。(4)水模拟实验结果表明,增大浸入式水口的侧孔面积能够明显改善拉速提高条件下的结晶器流场。在水口插入深度200mm时,采用优化水口J能够满足板坯1000×180mm2和1200×180mm2的拉速分别从1.3m/min和1.25m/min提高到1.5m/min和1.45m/min后的生产要求,水口J对应的原型水口参数为:水口内径50mm,出口倾角为18°,出口R=25mm、H=20mm。
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