2021年, 第40卷, 第6期　刊出日期：2021-12-18

  

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  序言

  王杏娟, 周乐君

  连铸. 2021, 40(6): 1-1.

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连铸工艺
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  漏斗形结晶器液面流场物理试验与数值模拟分析

  朱立光, 张利民, 王杏娟, 张彩军, 韩毅华, 孙立根

  连铸. 2021, 40(6): 2-8.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210106

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  当FTSC薄板坯连铸机生产拉速提高到4～6 m/min时,浸入式水口通钢量增加,结晶器内流场扰动加剧,卷渣率提高,对生产顺行及铸坯质量都将产生重大影响。因此,为了解结晶器液面流场,根据实际生产情况,制作了1∶1的结晶器水物理模型,并通过Fluent软件对结晶器液面流场进行了数值模拟,研究了水口浸入深度及拉速对液面流场的影响。结果表明,在水模型物理试验中,水口浸入深度恒定为130 mm时,拉速在4～6 m/min范围内,结晶器表面流速随着拉速的提高而增大,其最大值范围为0.401～0.693 m/s;在6 m/min恒定拉速下,水口浸入深度在130～190 mm范围内,结晶器表面流速随着水口浸入深度的增加而减小,其最大值范围为0.503～0.690 m/s。在数值模拟中,水口浸入深度恒定为130 mm时,拉速在4～6 m/min范围内,结晶器表面流速随着拉速的提高而增大,其最大值范围为0.50～0.75 m/s;在6 m/min恒定拉速下,水口浸入深度在130～190 mm范围内,结晶器表面流速随着水口深入深度的增加而减小,其最大值范围为0.65～0.75 m/s。结晶器表面流速随着距水口中心距离的增大有先增加后减小的规律。
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  超薄大断面异型坯结晶器非对称流场和温度场的优化

  李四军, 彭永香, 李萍, 宁伟, 杜金科, 付常伟

  连铸. 2021, 40(6): 9-16.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210083

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  建立0.7∶1的水力学试验模型优化水口结构来改善超薄大断面异型坯结晶器流场,并对实际生产工况下结晶器及其二冷段内钢液的三维流场和温度场进行了数值模拟。结果表明,现有直通型水口结晶器内流场分布极不对称,结晶器内各位置响应时间相差较大,造成结晶器内温度、成分等分布不均匀。优化后的三侧孔一底孔型水口浇铸有效地解决了结晶器各位置响应时间较长且不一致的问题,有效改善了单点直通型水口浇注时的严重不对称流场,浇注侧和非浇注侧的温度差异明显缩小,沿拉坯方向的温度变化也较为合理,有利于良好凝固坯壳的形成,为实际生产提供了指导。
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  超高速连铸结晶器内坯壳的传热行为

  张路平, 肖鹏程, 刘增勋, 张朝阳, 朱立光, 张仕骏

  连铸. 2021, 40(6): 17-23.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210097

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  超高速连铸漏斗结晶器内坯壳的生长速率对铸坯表面质量有着显著的影响。基于节点温度继承算法(NTI),运用ANSYS有限元软件建立了结晶器内钢水凝固的三维瞬态导热模型,解析了浇注温度和拉速对薄板坯传热行为的影响。研究表明,随着拉速从4.0提高到6.0 m/min,结晶器出口坯壳最大厚度由26减小到12.8 mm,结晶器出口坯壳表面最高温度从1 209增加到1 305 ℃。而浇注温度从1 550 ℃提高到1 560 ℃对坯壳的表面温度和厚度影响不大。
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  电磁旋流水口对圆坯结晶器液面波动的控制

  石红燕, 吴春雷, 刘利, 田盛林, 刘晓明, 王强

  连铸. 2021, 40(6): 24-28.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210048

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  在大圆连铸坯生产过程中,过强的结晶器电磁搅拌会造成结晶器液面波动,影响连铸坯的表面和内部质量。将电磁旋流水口技术与结晶器电磁搅拌配合使用,通过调整电磁旋流装置的搅拌方向和电流强度来弱化结晶器电磁搅拌引起的二次流,从而使结晶器液面波动控制在一个较小的范围内。结果显示,当两个电磁装置的搅拌方向相反,电流强度为400 A时,大于±2 mm的液面波动比例由单用结晶器电磁搅拌时的0.62%降至0.13%,在±1 mm～±2 mm范围内的液面波动比例由单用结晶器电磁搅拌时的5.90%降至3.56%。当搅拌方向相同时,对大于±2 mm的液面波动的控制效果不佳。因此,使用与结晶器电磁搅拌方向相反的水口旋流可实现对结晶器液面波动的有效控制。
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  拉速对板坯倒角结晶器钢液流动的影响

  刘斌, 王明林, 张慧, 伍旋, 于樾, 王学兵

  连铸. 2021, 40(6): 29-37.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210121

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  为研究凝固坯壳影响时拉速变化对板坯倒角结晶器内流场和温度场的影响,通过数值模拟和物理模拟研究相结合的方法,建立了板坯倒角结晶器流动、传热及凝固三维数学模型和相似比为1∶1的断面尺寸为1 490 mm×230 mm的板坯倒角结晶器物理模型。数值模拟和物理模拟流场形态及液面相同位置流速结果进行的对比分析表明了数模和水模试验结果趋势的一致性;拉速变化对倒角结晶器内流场及温度场的数值影响明显,但对整体形态影响不大;拉速增大到1.7 m/min时液面流速过快、波动剧烈,极易出现卷渣;拉速增大会强化钢液流股对窄面凝固坯壳的冲击,导致坯壳重熔减薄;在本试验研究范围内以1.5 m/min拉速进行生产能够取得较好的综合效果。
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  水口浸入深度对CSP结晶器内流场的影响

  裴英豪, 朱涛, 王茹玉, 肖超, 王海军

  连铸. 2021, 40(6): 38-43.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210038

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  为了解决高拉速生产条件下CSP板坯表面质量问题,利用数值计算软件FLUENT针对某厂CSP连铸机水口插入深度对结晶器流场及液面波动的影响进行了数值模拟研究。研究结果表明,不同的水口浸入深度结晶器内流场基本相同,增加水口浸入深度对结晶器流场影响不明显,水口浸入深度的大小直接决定了从水口流出的流股撞击结晶器窄面位置的高低,同时得出,当水口浸入深度从300、340增大到380 mm时,液面处最大流速分别为0.180、0.160和0.127 m/s;增大水口浸入深度,结晶器上回流对结晶器液面的扰动将减弱,对应的卷渣次数减少。
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  薄板坯连铸结晶器内钢水凝固传热数值模拟

  冯永平, 郑娜, 唐磊, 谢健

  连铸. 2021, 40(6): 44-47.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210103

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  为研究薄板坯连铸高拉速下结晶器内坯壳生长过程,利用ANSYS有限元模拟软件,建立了CSP薄板坯连铸结晶器内钢水凝固传热数学模型,并通过实际测量得到的凝固坯壳厚度验证了模型的合理性。对结构用钢Q235B钢种,1 500 mm×60 mm规格在结晶器内凝固过程进行了模拟,研究了不同拉速、不同结晶器冷却水量对凝固的影响。研究结果表明,随着拉速降低,坯壳厚度增加;随着结晶器水量增大,坯壳厚度增加,模拟结果与实测结果相符合,为实际生产优化工艺参数提供了理论参考。
铸坯质量
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  高碳钢连铸保护渣的性能

  王万林, 颜雄, 周乐君, 罗豪, 何航, 宋光鑫

  连铸. 2021, 40(6): 48-53.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210114

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  为了研究高碳钢保护渣在连铸过程中的匹配性,对典型工业高碳钢保护渣的熔化、润湿、黏度、渣膜分布,以及传热性能进行研究。结果表明,4个高碳钢保护渣的开始熔化温度范围为1 110~1 129 ℃,润湿角范围为30.1°~37.8°,黏度范围为0.210~0.312 Pa·s,转折温度范围为1 046~1 130 ℃,渣膜的液态层比例为14.7%~18.9%。其中,1号高碳钢保护渣熔化温度较低(熔化区间1 110～1 345 ℃)、黏度较低(0.264 Pa·s)、渣膜液态层较高(比例为18.9%)、转折温度(1 059 ℃)和控热能力均适宜,表明该渣在高碳钢连铸结晶器中可以迅速熔化,形成足够的液态渣,并从弯月面渗入渣道,形成均匀的渣膜,从而润滑铸坯,避免黏结漏钢和裂纹等缺陷,保障高碳钢连铸的顺行。
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  氧化硼对保护渣中TiO₂溶解动力学的影响

  周乐君, 杨洋, 王万林, 潘子航

  连铸. 2021, 40(6): 54-58.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210109

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  含钛钢连铸过程中,部分TiO₂夹杂物进入保护渣,导致渣性能恶化,进而影响铸坯质量。采用旋转法,研究了TiO₂在保护渣中的溶解速率与旋转速度、温度、B₂O₃含量等因素的关系。结果表明,TiO₂在保护渣中溶解速率与棒旋转的角速度的平方根成正比;且在温度升高时,TiO₂在保护渣中的溶解速率有明显的上升;在w(B₂O₃)=0～9%时,随着B₂O₃含量上升,TiO₂溶解速率升高,溶解活化能由162.99降至123.95 J/mol,但B₂O₃含量对溶解速率的影响要明显小于温度的影响。以上研究结果较好阐明了TiO₂在保护渣中的溶解机理,为含钛钢连铸过程提供一定的参考。
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  钢渣反应对高钛钢保护渣物化特性的影响

  靳贺斌, 吉俊德, 王时松, 张旭彬, 王强强, 何生平

  连铸. 2021, 40(6): 59-64.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210112

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  针对高钛钢连铸过程中钢渣反应及反应前后保护渣性能变化的问题,以高钛钢连铸保护渣为研究对象,通过实验室钢渣反应研究了钢渣的反应性,并对比了2种不同TiO₂含量的连铸保护渣与高钛钢反应前后组分和性能的变化。试验结果表明,在钢中钛质量分数为0.68%时,保护渣中的TiO₂质量分数由10%增加到15%,钢渣间均存在着钢中钛与保护渣中氧化物组分的反应,但TiO₂含量的增加明显抑制了钢渣反应的进行;钢渣反应前后保护渣熔点、黏度和转折温度略有增加;研究的高钛钢保护渣结晶矿相主要为LiTiO₂和BaTiO₃结晶相,钢渣反应对保护渣的主要结晶矿相种类影响较小。
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  帘线钢小方坯82A铸坯表面和内部缺陷分析

  陈波涛, 王凤康, 曾杰, 王万林, 巨银军

  连铸. 2021, 40(6): 65-70.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210117

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  帘线钢的表面裂纹缺陷和中心偏析是影响铸坯质量的关键因素。采用了铸坯表面宏观缺陷分析、裂纹微观形貌表征、Gleeble高温力学性能、中心偏析等检测手段,对帘线钢82A断面150 mm×150 mm小方坯在稳态和非稳态浇铸条件下,铸坯表面和内部质量缺陷进行了分析。结果表明,铸坯振痕间距为13 mm,角部出现振痕紊乱;非稳态铸坯表面振痕波谷和凹坑处均发现了明显的横裂纹,而稳态样品则未见明显的表面横裂纹。铸坯内部沿着中心缩孔有长约55 mm中心裂纹,铸坯平均中心碳偏析指数达到1.09。根据该钢种的高温力学性能并结合裂纹形貌分析,非稳态下铸坯表面易冷却不均,造成局部温度在弯曲矫直时处于第Ⅲ脆性温度区;内部中心裂纹表面出现明显的液膜,在第Ⅰ脆性区凝固阶段产生。
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  连铸板坯角部纵裂原因分析及控制措施

  杨志刚, 徐子谦, 黄伟丽, 东根来, 霍立桥

  连铸. 2021, 40(6): 71-75.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210119

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  针对双流板坯连铸机提拉速至1.4~1.5 m/min后,铸坯角部裂纹发生率升高的问题,通过对纵裂试样进行化学成分分析,对纵裂处进行金相显微镜组织观察、扫描电镜及能谱分析,同时结合水模拟试验对角部裂纹的形成机理进行研究。结果表明,裂纹两侧有大量氧化圆点,纵裂在结晶器内产生;通过对结晶器冷却水水量进行优化、控制合理的结晶器倒锥度及结晶器通钢量等措施,减少了连铸坯角部纵裂现象的发生。
连铸设备
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  板坯结晶器非正弦振动参数优化

  刘志远, 杨全海, 王重君, 白晓卫, 丁宁

  连铸. 2021, 40(6): 76-78.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210102

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  连铸机的高拉速生产是大幅度提高连铸生产效率的最有效措施之一。为了解决连铸机高拉速下铸坯表面质量问题,对原有非正弦振动系统进行优化,优化后振动正滑脱时间延长,使得保护渣消耗提高到0.4~0.6 kg/t,而负滑脱时间和振幅的提高,保证了坯壳的正常脱模和表面质量。
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  板栅连铸结晶器传热模型分析

  冯军, 毕瑜瑜, 王菊艳, 熊金磊, 魏治千, 冶鹏亮

  连铸. 2021, 40(6): 79-84.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210066

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  传热过程决定着板栅连铸结晶器能否连续稳定地生产出合格质量的连铸板栅,根据热力学第一定律和傅里叶定律(热传导定律)对板栅连铸结晶器的热量传递进行了研究。依据板栅连铸结晶器实际结构简化模型,分别建立了冷却油、端盖以及空气稳态复合传热模型,高温铅液、连铸动模外筒以及冷却油的稳态复合传热模型,连铸动模内部冷却油的放热计算模型,进而建立了板栅连铸结晶器传热动态平衡方程;为了指导生产实际,建立了运行过程操作函数。通过板栅连铸结晶器传热过程的分析研究,对提高板栅连铸的连续稳定生产并实现板栅连铸结晶器的全自动温度控制具有一定的指导意义。
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  四流H型感应加热中间包控流装置设计

  袁己百, 马志民, 殷攀, 张华

  连铸. 2021, 40(6): 85-90.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210111

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  针对国内某特钢厂新上的四流H型双通道感应加热中间包,为改善中间包内流体流动状态,设计了倒八字型与V型两种控流装置。应用数值模拟的方法对两种不同控流装置下的中间包流场、RTD曲线、温度场进行了模拟。结果表明,倒八字型控流装置平均停留时间1 469.6 s,死区体积比5.83%,边部水口与中间水口的最大温差3 K;与V型控流装置相比,平均停留时间延长了41.9 s,死区体积相应降低了4.09%,边部水口与中间水口的最大温差减少了2 ℃。湍流抑制器+倒八字型控流装置设计能更好改善四流大方坯H型双通道感应加热中间包流体流动性。
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  基于二冷均匀冷却的方坯连铸机二冷喷淋结构

  刘涛, 陈永峰, 焦魁明, 张洪彪, 左小坦, 赵立

  连铸. 2021, 40(6): 91-97.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210100

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  某厂180 mm方坯连铸机生产的铸坯存在较为严重的角部皮下裂纹问题。通过对铸机建模、数值仿真,得到铸坯凝固过程中的表面中心、角部温度等数据。基于二冷均匀冷却原则,对铸坯二冷喷淋结构进行数值仿真评估与优化,包括铸坯在纵向以及周向上的冷却均匀性分析。依据分析结果提出喷淋结构改造方案,对铸机第10流二冷喷淋结构进行实际改造,进行生产试验。对比未改造(其他流)与改造后(10流)生产的铸坯低倍形貌发现,10流生产的铸坯角部皮下裂纹得到明显改善。