气泡的尺寸与分布是影响冶金过程效率与产品质量的重要因素。目前冶金过程中仍然存在着气泡尺寸较大且分布集中这类问题,已严重限制了金属熔体与气泡之间的传热、传质、反应效率及夹杂物去除效果。本文系统综述了冶金过程中气泡微细化与弥散分布的研究进展,重点分析了注气参数控制、强制脱离、长水口吹氩、溶气气浮、机械搅拌、强剪切等方法的机理与应用效果。此外,气泡微细化的本质在于通过增强液相湍流促进气泡破碎,并抑制气泡聚并。由于高温熔体环境中接触式方法的局限性,电磁场非接触式控流技术展现出重要潜力,可通过电磁力诱导金属熔体强湍流,实现气泡的高效微细化与弥散分布,对于提升金属熔体洁净度与冶金效率具有重要意义。

基于国内某厂1.4418马氏体不锈钢320 mm×410 mm大方坯连铸设备条件建立了凝固传热有限差分模型,坯壳厚度和表面温度已得到现场数据验证;采用数值模型分析了不同拉速下1.4418马氏体不锈钢连铸凝固特征和凝固末端压下的合理性,获得最佳拉速为0.45 m/min,并优化设计了两组压下参数,对应的总压下量分别为12 mm和15 mm;根据数值模型设计的优化方案开展了工业试验,在拉矫机额定功率范围内实现了正常生产;其中拉速为0.45 m/min,2~5号拉矫辊设计压下量分别为4、4、4和3 mm的优化方案连铸坯中心质量最好,对应的ø47 mm棒材A级探伤合格率达到97%,满足批量化生产和交货要求。

马氏体时效钢作为典型的超高强度钢,其力学性能易受到夹杂物的影响。本文以00 Ni18Co8Mo5TiAl钢为研究对象,提出在钢液保温过程外部施加恒稳静磁场,以磁阻尼效应调控熔体流动并促进夹杂物聚集与去除。通过工业取样与重熔实验对比,对不同条件下夹杂物的类型、尺寸及数量分布进行了系统研究。研究结果表明:工业样品中夹杂物主要为TiN、TiS以及少量Al₂O₃和复合夹杂物,其中TiN数量密度约为230个/mm²,平均粒径为0.67 μm;TiS数量密度约为220个/mm²,平均粒径为0.9 μm。重熔实验结果显示,施加磁场相比于未施加磁场,样品中夹杂物数量密度由139个/mm²降至96个/mm²,而平均粒径由1.01 μm增大至1.57 μm,其中TiS的数量显著减少。磁场作用下,样品表面Al₂O₃富集更为明显。机理分析表明,静磁场通过抑制熔体对流,稳定气-液界面,延长金属与气氛的作用时间,从而增强了夹杂物的脱除能力;同时磁阻尼效应抑制了溶质扩散,减少了TiS的形核,并促进了奥斯特瓦尔德熟化过程,导致夹杂物数量减少而粒径增大。理论计算进一步表明,TiS与Ti₄C₂S₂均可在钢液中稳定析出,但当S质量分数低于0.002%时,TiS的析出受到显著抑制。

板坯连铸结晶器内的钢水流动和传热状态是决定铸坯质量的关键因素。利用人工智能技术实现对这一复杂多物理场的实时、精确预测与智能调控,对提升高端钢材品质、推动钢铁工业智能化转型具有重要意义。为此,本文首先构建了板坯连铸结晶器电磁搅拌钢液流动-传热-凝固机理模型,并提出了结晶器流场评价标准,分别是钢渣界面卷渣-冻结指数、坯壳均匀性指数和夹杂物去除指数,以期优化电磁搅拌。其次,基于上述模型生成的三维流场-温度场的数据集,利用深度神经网络架构开发了一套预测结晶器内多物理场大模型,实现对结晶器内多物理场的快速预测。结果表明,与传统数值模拟结果相比,大模型对结晶器内流场、温度场等多物理场的预测误差均在10%以内。同时,模型计算速度大幅提升,获取结晶器内多物理场的平均计算时间由原来的24 h大幅缩短至2 s。研究结果可为实现电磁搅拌工艺的在线优化、闭环控制和“数字孪生”系统的构建提供关键技术支撑。

提高板坯连铸机拉速可显著提升生产效率,但高拉速下结晶器液面的高速流动极易引发卷渣缺陷。电磁制动系统能有效抑制结晶器液面的高速流动,但该系统投资较大、运行成本较高,常规板坯连铸机大多不具备安装条件。为探究高拉速条件下低成本的结晶器流场调控方法,本文提出一种新设想,即通过插入阻挡棒抑制液面的快速流动。运用数值模拟和物理水模型相结合的方法,建立920 mm×180 mm结晶器模型,以圆柱形耐材棒直径(30、50、70 mm)和插入深度(10、15 cm)为变量,探究了不同阻挡棒参数对结晶器液面流速及波动的调控规律。结果表明:阻挡棒直径对结晶器流场调控起主导作用,70 mm阻挡棒较不插棒工况全域流速下降19.5%,较30 mm阻挡棒(下降6.1%)的降幅提升3.2倍,液面波动降幅则从11%提升到39%,提升3.5倍;插入深度对流场的影响存在阈值效应,仅当直径不小于50 mm时,插入深度增至15 cm可额外降低流速3.2%~5.4%、波动12.8%,小直径棒(30 mm)增加深度的调控效果微弱。本研究中的最优参数组合为直径70 mm+15 cm深度的阻挡棒,此工况下液面最大流速(P2点)降至0.2 m/s(累计降幅17.7%),中心区(P4点)流速降至0.115 m/s(降幅22.8%);射流核心区(P2点)波动值降至0.21 cm(降幅40.0%),卷渣风险区波动稳定在0.21~0.23 cm。

RH中的钢液流动对其脱碳除杂等精炼效率具有重要的影响,目前广泛采用的吹气搅拌技术虽能有效促进钢液循环,但其产生的气泡流难以精确控制,可能导致流动状态不稳定或能量分布不均,限制了精炼效率的进一步提升。因此,为了优化RH内的流动行为,本文对RH上升管处的电磁搅拌器进行了优化模拟。结果表明:铁芯内径需取最小值750 mm,以最大化磁场强度;外径与厚度分别优化为1 500 mm和100 mm,此时磁场性能与材料成本达到平衡;搅拌器定位在距顶部125 mm处可产生最大作用力。当线圈距钢液75 mm时,铁芯的磁场分布最为均匀,无局部磁场聚集区,且钢液的磁场强度达到较高水平;模拟确定110 匝线圈、5 Hz频率及250 A以下电流为最优组合,该组合能产生超过0.04 T的平均磁感应强度,并实现电磁力与渗透深度的最佳匹配。将优化后的电磁场耦合进流场后使得循环流量增加了6.3%,证明了电磁搅拌器的优化效果。本研究明确了一组适用于ø650 mm 时RH上升管的最佳三相六级电磁搅拌器参数。

本文基于低雷诺数k-ε湍流模型,构建了三维电磁流体力学耦合数值模型,研究了结晶器电磁搅拌电流强度与搅拌器安装位置对某钢厂140 mm×140 mm小方坯82B钢连铸结晶器内钢液流动、传热及凝固行为的影响。结果表明,电流强度是决定搅拌强弱的关键因素,电流强度的增加可使钢液主射流冲击深度变浅,切向速度增大,钢液过热在结晶器内更快耗散,凝固坯壳减薄且在结晶器附近因回流对坯壳产生了冲刷作用,出现了坯壳厚度生长的缓慢区。搅拌器安装位置的不同也会改变流场形态,位置越低,主流核心区下移,环流位置与形态同样会发生变化,自由液面波动减小,但过大的出口切向速度可能导致凝固坯壳生长不均。对于该厂高碳钢小方坯连铸生产而言,适当抬高结晶器电磁搅拌安装位置至515 mm且增大搅拌电流强度至额定600 A,其液面波动在可控范围内且可以更加促进过热钢液迅速耗散,同时还可以保障足辊区中心钢液具备一定的过冷度,促进钢液提前形核而提升等轴晶率,有利于改善小方坯中心偏析。

针对高拉速条件下薄板坯连铸结晶器内流场及钢-渣界面不稳定的问题,本文以某钢厂FTSC薄板坯结晶器及全幅一段式电磁制动(Ruler-EMBr)系统为研究对象,采用大涡模拟(LES)与多相流体积分数法(VOF)耦合模型进行数值模拟,重点分析拉速为6.0 m/min时,不同磁感应强度对结晶器内流动特性的影响规律。结果表明:电磁制动能有效调控结晶器内流场、提升钢-渣界面稳定性,并防止钢-渣界面升高;当采用Ruler-EMBr系统且磁感应强度为 0.23 T时,钢-渣界面最大速度控制在0.30 m/s以内,最大波高控制在10 mm以内,界面位置控制在±2 mm范围内,钢-渣界面湍动能控制在0.045 J/kg以下,充分验证了Ruler-EMBr系统的流场调控效果。

在全球“双碳”战略背景下,超高速薄板坯连铸技术因其显著的节能减排优势和产品质量优势成为钢铁工业绿色转型的重要方向。然而,高拉速(6~8 m/min)导致钢液流动不稳定、保护渣润滑不足等问题,制约技术发展。电磁制动(EMBr)技术通过施加磁场抑制钢液湍流,但磁场同时作用于保护渣的特性尚未明确。本研究系统探究了超高速薄板坯保护渣的理化性能在磁场作用下的演变规律。研究发现,碱度R=1.67,黏度为0.22 Pa·s,熔点为1 042 ℃,含Na₂O-Li₂O-F助熔体系的薄板坯保护渣具有优异的工艺适配性,满足高拉速对快速熔化和均匀润滑的要求。而在0~90 mT的磁场作用下显著影响保护渣结晶行为:随磁场强度的增加,晶核出现的时间提前,延长结晶区间,抑制晶体生长,并使凝固体积膨胀23%。微观表征表明,磁场促进Ca_0.87Mn_0.19Mg_0.94Si₂O₆相择优生长,占比提升5.2%,并诱导硅酸盐网络从无序向有序转变。水淬实验结合XRD/拉曼光谱证实,磁场通过抑制熔体流动改变溶质传输,进而调控保护渣的凝固收缩特性和微观结构。本研究首次揭示了电磁场环境下超高速连铸保护渣的性能演变机制,为开发适配EMBr技术的保护渣提供了理论依据,对推动超高速连铸技术工业化应用具有重要意义。

气泡的尺寸直接影响着气泡与钢液之间的传热、传质和动量传输过程。冶金生产工艺的复杂性和高温环境限制了常规气泡微细化方法的应用,导致钢液中气泡的尺寸普遍较大,严重限制了冶金工艺的生产效率。基于此,本文提出周期性双向旋转的电磁场以诱发钢液周期性地产生高强度湍流流动,从而对气泡进行微细化作用。利用数值模拟的方法研究了不同磁感应强度电磁场下钢液流动的湍流强度。当磁感应强度增加至240 mT时,钢液的湍流流动可以满足气泡破碎的需求。分析了周期性双向旋转电磁场对钢液湍流流动的影响,并考察了气泡微细化效果。钢液中10 mm以上大气泡的比例降低至3.09%,相比于无电磁场条件减少了27.47%。直径为0.5~1 mm 的气泡数密度占比为40.03%,小于5 mm气泡的比例高达92.10%,相比于无电磁场下提高了80.25%。对比了不同旋转周期电磁场作用下钢液的湍流强度,以及相应的气泡微细化效果,最佳的旋转周期为3~5 s。

为探究电磁旋流水口技术对板坯连铸结晶器内钢液流动行为的影响,本研究以某钢厂1 450 mm×200 mm板坯结晶器为原型,基于相似准则建立了几何相似比为3∶1的水模型试验系统,并通过在浸入式水口内设置旋流转子来模拟电磁旋流的外场干预效果。系统研究了不同水模型出口流量条件下,水口旋流对结晶器内流体流动轨迹、液面波动及速度分布的影响规律。结果显示,在传统连铸条件下,结晶器内流场呈不对称分布,下返流区存在由下至上的干扰流动,且液面波动随出口流量升高而加剧,水口附近波动幅度大于±2 mm;施加水口旋流后,流场对称性得到显著改善,水口出流流股冲击结晶器窄面的位置上移,有效耗散了下返流动能并抑制了下部涡流,从而使液面波动被稳定控制在±1 mm以内。本研究确定了通过施加水口旋流可实现结晶器流场的有效调控,为电磁旋流水口技术在板坯连铸中的工业应用提供了理论依据。

板坯连铸二冷区冷却制度配置不合理时,会出现铸坯鼓肚滞坯、结晶器液面波动等现象,极端情况下还会造成铸坯纵裂漏钢、夹渣漏钢等生产事故。本文针对国内某厂IF钢板坯高拉速连铸工艺,建立了二维非稳态传热模型,并利用射钉实验结果修正传热模型,分析了工况配水及优化冷却制度下板坯的凝固传热行为。计算结果表明:采用现场热追踪模型计算的配水制度进行生产试验发现,当拉速提高后,板坯二维非稳态传热模型预测的铸坯凝固末端比现场热追踪模型预测的后移,这与实际生产过程中铸坯红热加剧相符,铸坯存在鼓肚风险。为此,在拉速提高后,将二冷5~8区水量提升1.25倍,同时保持9~10区水量不变,可以满足铸坯出拉矫机温度和轻压下区位置要求。

基于有限元模型,将Maxwell中所得到的磁感应强度、焦耳热作为源项导入到Fluent中,研究钢包散热影响下五流四通道感应加热中间包内钢液流场和温度场的变化情况。结果表明:在浇注过程中,无钢包散热影响的中间包3个出水口的温度缓慢下降且下降趋势相同,不同出口的下降温度未超过1 K。钢包散热影响下的中间包3个出水口的温度有较大差别。浇注前期、末期进入中间包的温差接近20 K。感应加热使钢液在钢包内的温度损失得到补偿,但是不同时间段的浇注温差没有明显的改善,且出钢温度低于初始浇注温度最大11 K。浇注过程中改变感应加热功率,不同时间点之间最大温差不超过2 K,不同时间段以及不同出口的温度较为一致。

高强韧弹簧钢的生产是汽车工业轻量化发展趋势中的关键一环。针对目前55SiCrA弹簧钢连铸生产中存在的宏观偏析控制效果不佳的问题,本文基于实际工业生产情况开发了弹簧钢280 mm×280 mm大方坯连铸过程的“流动-传热-电磁-传质”多物理场耦合数值模拟模型。本研究通过工业现场取样验证了模型溶质场计算结果的准确性,并系统研究了浸入式水口结构、浇铸过热度与结晶器电磁搅拌对连铸过程中溶质传输过程的影响。结果表明,水口结构会显著影响钢液流动和溶质传输行为,采用四孔水口能够降低皮下负偏析程度,同时避免负偏析的不对称特征;钢液过热度的增加会延长凝固前沿溶质析出与传输的时间,从而导致皮下负偏析加重;应用电磁搅拌会能够强化钢液湍流,加速钢液热量耗散,有助于减轻原有皮下负偏析,同时凝固前沿的冲刷效果也随之加强,最终在导致凝固糊状区内出现第二负偏析带。

本文研究不同频率行波磁场(TMF)对Al-7% Si二元合金的凝固过程、微观组织细化和力学性能的影响。采用电磁铸造装置制备合金凝固样品。使用磁-流-热多场耦合模型对熔体凝固过程进行数值模拟,计算了在TMF下处理的Al-7% Si合金熔体内部的强制对流和液相分布。结果表明,在 75 A 12 Hz-TMF下,Al-7% Si合金熔体内部的流场峰值速度达0.023 m/s。在强制对流和焦耳热的共同作用下,8 Hz-TMF处理的样品凝固组织的平均一次枝晶臂间距(DAS)最小,达到127.8 μm。与此同时,极限拉伸强度和断后伸长率从100.8 MPa、6.9%(自然凝固,NMF)提高到113.7 MPa、8.3%。当TMF频率升高至12 Hz时,熔体内部产生的焦耳热逐渐增加,致使凝固过程中温度梯度降低,从而减缓铸件凝固速度,并且凝固组织细化效果有所降低,平均DAS增加至140.3 μm,力学性能亦随之降低。结果证明,TMF 诱导的熔体对流和焦耳热是凝固组织细化及力学性能提高的主要原因。

方坯连铸开浇阶段的引锭头拉脱漏钢事故是制约钢铁生产连续性与设备安全性的关键瓶颈,其根源在于传统引锭工艺中引锭头设计、冷料参数、辅助装置及监测调控的系统性缺陷。针对此问题,本文提出集成引锭头多维度创新设计、冷料智能化精准调控、新型辅助装置研发、智能监测与自适应调节的一体化塞引锭工艺方案。工业实践验证表明:该方案使月均引锭头拉脱漏钢事故次数从8次降至2次,结晶器月均过钢量提升32.8%,拉矫电机电流波动幅度降低40%;通过智能监测与自适应调控,实现开浇过程从“经验驱动的被动应对”到“数据驱动的主动防控”的转变,为方坯连铸高效、安全生产提供了全流程技术支撑。

为改善GCr15轴承钢连铸坯中心偏析及缩孔问题。某厂融合传热学原理、钢种特性及拉矫装备的空间结构特征,采用有限差分法建立了大方坯凝固传热模型。基于此模型的准确性,开发出GCr15轴承钢凝固末端压下技术,成功在1 200 mm均等间距密排的七机架拉矫系统中实现总压下量22 mm的安全稳定生产。该技术的应用使高碳钢连铸坯中心碳偏析指数稳定控制在0.95～1.05区间,碳极差不大于0.08％的铸坯比例提升至98.4％,中心缩孔不大于0.5级的铸坯比例高达99.95％。铸坯内部质量突破性提升,该厂成功采用低压缩比工艺轧制大规格棒材,其内部质量经GB/T4162标准AA级超声波探伤合格率超过99.95％。

本文研究了铸流电磁搅拌位置对ø800 mm圆坯连铸过程中钢液流动和传热行为的影响。结果表明,搅拌位置对钢液凝固过程中的流动状态、流动方向、搅拌体积、冷却速度有重要影响。在铸流区内,搅拌位置下移使得钢液径向流动方向与凝固前沿的夹角从30°减小到0°,钢液纵向流动轨迹的螺旋夹角从30°扩大到55°。凝固前沿处的搅拌速度从0.008 m/s减小到0.003 6 m/s,钢液向芯部的流动趋势减弱。其中,当搅拌器位于CET区中上部时,钢液流动稳定性显著提升。在凝固前沿处的搅拌速度为0.005 6 m/s,钢液有效搅拌体积最大,为0.045 3 m³,具有向芯部流动的趋势。在传热方面,钢液在搅拌区域内的热量散失较快,当搅拌器在CET区中上部时,有利于提高等轴晶率并加快铸坯凝固速率。铸流电磁搅拌位置在CET区中上部的搅拌效果最佳,为电磁搅拌工艺优化提供了重要的指导意义。