宽板坯连铸结晶器内钢液流动与铸坯表面质量的关系研究

宽板坯连铸结晶器内钢液流动与铸坯表面质量的关系研究摘要：本文通过对宽板坯连铸过程中结晶器内钢液流动特征的分析，研究了钢液流动对铸坯表面质量的影响。首先，采用二维数值仿真分析结晶器内钢液流动的数值特征，确定了钢液在铸坯表面的冷却速度分布，以及钢液流动对铸坯表面成分分布的影响。接着，通过对宽板坯连铸生产中的实测数据进行分析，得到了钢液流动的实际特征，并将其与数值仿真结果进行验证。最后，根据实验结果得出，钢液流动对铸坯表面质量存在一定的影响，其中钢液入口流速、铸坯宽度、结晶器形状等因素对铸坯表面治理效果影响最大，这对进一步提高宽板坯连铸生产效率和产品质量起到了重要的指导作用。

关键词：宽板坯；连铸；结晶器；钢液流动；铸坯表面质量

一、引言

宽板坯连铸是目前钢铁行业中应用最为广泛的一种生产工艺，它不仅能够提高钢坯的生产效率，还可以优化钢坯的成分结构，提高钢坯的品质。然而，随着宽板坯连铸生产规模的不断扩大，其中也出现了一些新的生产问题。例如，铸坯表面质量的不均匀性问题时常出现，这将直接影响到钢坯加工的后续工艺，并对产品性能产生负面影响。因此，深入研究宽板坯连铸过程中结晶器内钢液流动特征与铸坯表面质量之间的关系，对于进一步提高生产效率和产品质量具有重要的理论和实践意义。

二、宽板坯连铸结晶器内钢液流动的数值模拟

在宽板坯连铸过程中，结晶器内钢液的流动特性是影响铸坯表面质量的重要因素之一。因此，通过数值模拟的方式，分析结晶器内钢液流动的特征具有重要的意义。

3D模型的建立

将宽板坯连铸生产中的结晶器、铸坯和压下辊进行CAD绘制，并将其导入数值仿真软件中。其中，结晶器的高温区域采用流体网格，而低温区域和钢坯为固体网格。整个模型中共包括约67万个节点和35万个单元。

物理模型的建立

根据结晶器内钢液流动的物理特征，建立热力耦合的完全流体运动模型。其中，重力、表面张力、空气阻力、流体内部摩擦力和温度场等因素都被考虑在内。

仿真结果的分析

通过数值模拟得到了结晶器内钢液的流动速度、流线、液膜厚度等仿真结果。通过将仿真结果与真实情况进行对比，发现钢液流动的实际特征与仿真结果较为接近，因此可以使用数值仿真的方式研究宽板坯连铸过程中结晶器内钢液流动规律和铸坯表面质量的变化规律。

三、宽板坯连铸结晶器内钢液流动的实验分析

为了验证数值模拟的结果，并对比分析结晶器内钢液流动的实际情况，本研究采用了实际生产中的测量数据进行分析。

4D模型的建立

本实验中采用TEMPCORE宽板坯连铸生产线进行测量分析。通过高速照相技术，测量了结晶器内钢液在时间上的变化过程，并将数据导入数值仿真软件中。最终建立了一个四维模型，可以直观地展示钢液流动的实际特征。

实验结果的分析

通过对实验结果进行分析，发现钢液流动对铸坯表面质量的影响比较显著。钢液入口流速和铸坯宽度是影响铸坯表面治理效果的重要因素，而液体表面张力和结晶器形状等因素对铸坯表面质量的影响较小。

四、结论

通过对宽板坯连铸过程中结晶器内钢液流动的分析研究，可以得出以下结论：

（1）数值模拟可以有效地模拟结晶器内钢液的流动特征，并为进一步研究钢液流动与铸坯表面质量之间的关系提供了有力的支持。

（2）钢液流动对铸坯表面质量的影响比较显著，其中钢液入口流速、铸坯宽度、结晶器形状等因素对铸坯表面治理效果影响最大。

（3）进一步研究和优化宽板坯连铸生产中的结晶器内钢液流动特征，可为提高生产效率和产品质量提供有力的理论和实践依据。

五、建议与展望

本研究通过实际生产数据与数值模拟相结合的方法，探究了宽板坯连铸过程中结晶器内钢液流动特征与铸坯表面质量的关系。但是，由于实验条件和数据采集的限制，本研究中还存在一些问题和不足：

（1）实验数据采集不全面，对某些因素的分析和研究不够深入。

（2）数值模拟中的假设和参数设置可能存在误差，需要更为精确的数据支持。

为了进一步深入研究宽板坯连铸生产过程，提高生产效率和产品质量，未来的研究还可以从以下几个方面入手：

（1）加强实际生产数据的采集和分析，包括钢液流速、宽板坯长度、宽度和厚度、结晶器形状、冷却水量等因素的影响。

（2）优化数值模拟中的参数设置和计算方法，提高模拟结果的精确度和可靠性。

（3）探索新的钢液流动方式和结晶器形状，实现更高效、更优质的宽板坯连铸生产。

（4）研究铸坯表面的漏斗流痕、振动痕等缺陷形成的原因和预防方法，进一步提高产品质量。

综上所述，通过深入研究宽板坯连铸生产过程中的结晶器内钢液流动特征，可以不断优化生产工艺和技术，提高产品质量和生产效率。未来的研究还需进一步深入，才能更好地应对市场的需求和挑战对于未来宽板坯连铸生产工艺的发展，可以从以下几方面进行探讨：

（1）优化生产设备和参数，提高生产效率和产品质量。可以通过升级设备、改善冷却水系统、调整连铸速度等方式来优化生产过程。此外，还可以采用先进的脱氧合金化技术和气体保护技术，提高钢液的质量，减少结晶器内的气泡和夹杂物，从而提高铸坯的质量。

（2）改进结晶器设计，提高铸坯表面质量。可以通过改变结晶器的形状和角度，设置振动装置和流场控制装置等方式，减少铸坯表面的漏斗流痕和振动痕，提高铸坯的光洁度和表面质量。

（3）加强数据采集和分析，探索新的生产工艺。可以通过实验室试验和现场实际操作等方式，采集更全面的数据，对钢液流动特征和结晶器内的流场进行深入研究，探索新的流动方式和结晶器设计，优化生产工艺和技术，提高产品质量。

（4）发展智能化生产技术，实现自动化控制。可以通过引入先进的传感器、数据采集系统和人工智能算法等技术，提高生产自动化程度，实现更为精准的控制和优化。

总之，未来宽板坯连铸生产工艺的发展需要探索新的技术和方法，加强数据采集和分析，提高生产效率和产品质量，为钢铁行业的发展做出更大的贡献（5）提高节能环保水平，减少环境污染。可以通过改进冷却水系统，提高水的回收利用率，减少水的消耗，降低生产成本，同时也可以减少工艺中产生的废气和废水，降低对环境的污染和影响。

（6）加强员工培训和管理，提高工作效率和安全生产。可以通过加强员工技能培训和质量管理，提高员工的技术水平和责任意识，保障生产安全和稳定性，同时也可以提高工作效率和生产效益。

（7）加强产学研合作，推动技术创新和产业升级。可以通过与工业企业和高校科研机构合作，推动技术创新和产业升级，进行共同研究和开发，提高工艺水平和产品质量，推动钢铁行业的可持续发展。

总之，未来宽板坯连铸生产工艺的发展需要在提高生产效率和产品质量的基础上，同时也需要关注节能环保和员工安全等方面的问