薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)保護渣卷渣的研究

蔣實

本研究主要是用結(jié)晶器水模來模擬結(jié)晶器內(nèi)流場，研究薄板坯結(jié)晶器內(nèi)卷渣機理，得出其主要卷渣方式為切向卷渣，渦旋卷渣，氬氣沖擊鋼渣界面的卷渣，并考察操作參數(shù)對卷渣的影響，即拉速越大，浸入深度越淺，吹氣量越大，卷渣可能性越大。從而提出避免卷渣的改進措施。

1 研究內(nèi)容

基于相似原理，采用1：1的水模型模擬了薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)液模界面的流場。采用水工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對結(jié)晶器液位波動進行了測量，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)對薄板坯連鑄結(jié)晶器進行了研究。內(nèi)保護渣的卷渣機理，研究各工藝參數(shù)，即吹氣量，浸入深度，拉速等，對保護渣卷入方式及卷入位置的影響，并優(yōu)化相關(guān)工藝參數(shù)。

2 連鑄水力模型基本原理

根據(jù)相似原理，對不可壓縮粘性流體的穩(wěn)定等溫流動，應(yīng)保證模型與實物中的雷諾準數(shù)Re和弗魯?shù)聹蕯?shù)Fr相等，韋伯準數(shù)成比例。采用1：1的水模型，對于動力相似，由于實際結(jié)晶器和所選的水模型中液體流動狀態(tài)均已處在第二自?；瘏^(qū)，故只要保證Fr相等即可實現(xiàn)兩者的動力相似。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 拉速的影響

1）拉速對波高的影響

隨著拉速的增大，在結(jié)晶器寬度方向各個測點的平均波高相應(yīng)的有不同程度的增加，說明拉速越大保護渣表面波動幅度越大，卷渣發(fā)生的可能性越大。

2）拉速對渣層的影響

隨著拉速的增加，保護渣層越來越容易被沖開，出現(xiàn)鋼液面裸露，這是因為隨著拉速的增加，表面流速加快，波動越來越劇烈，由于兩股回流的作用，在彎月面附近形成駐波，對結(jié)晶器渣層產(chǎn)生剪切作用，導(dǎo)致結(jié)晶器渣向中心堆積，經(jīng)過一段時間后，結(jié)晶器狹窄表面附近的渣變薄，導(dǎo)致鋼水暴露表面。

另外，隨著拉速的增大，兩股回流流速逐漸增大，相應(yīng)的剪切力的作用也同時增大，在中間處堆積的厚渣層在剪切力的作用下，卷渣量和卷渣深度逐漸增加，形成了剪切卷渣，一般情況下，當拉拔速度較小時，主要是回流引起的渦旋卷渣，當拉速提高到4.5m/min以上時，保護渣會明顯的向?qū)捗嬷行膮^(qū)堆積，在距中心區(qū)250mm的區(qū)域形成一個厚渣層，它受到回流的剪切作用，液渣以切向進入鋼液流場中，被卷入的保護渣，隨著拉速的增大，很難再浮出到表面渣層，嚴重影響鋼坯質(zhì)量。

3.2 水口浸入深度的影響

1）浸入深度對波高的影響

隨著浸入深度的減小，在結(jié)晶器寬度方向各個測點的平均波高反而都有不同程度的增加，說明浸入深度越小，保護渣表面波動幅度越大，卷渣發(fā)生的可能性越大。

2）浸入深度對渣層的影響

隨著浸入深度的增大，模擬的保護渣層越來越趨于平穩(wěn)，但是當浸入深度小于100mm時，渣層很容易就被沖開，這是因為，在水口浸入深度較小的情況下，水口出口距離模擬保護渣層的距離也較小，從而導(dǎo)致了上回流的強度增加，使兩回流間的切向剪切力增大，使得保護渣向中心堆積，于是經(jīng)過一定時間后，渣面會被沖開。當浸沒深度為100 mm時，結(jié)晶器中心處的寬邊處出現(xiàn)了厚渣層。厚渣層的出現(xiàn)直接導(dǎo)致厚渣層底部切向結(jié)渣，在調(diào)整過程中可發(fā)現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象。隨著浸沒深度的減小，厚渣層是逐漸出現(xiàn)，并且逐漸從渣面向結(jié)晶器中心方向移動。隨著浸入深度的減小，卷渣量逐漸增加，尤其是在實驗的最低浸入深度下，即100mm，會發(fā)生切向卷渣，卷渣量較大，在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)加以避免。

3.3 吹氣量的影響

1）吹氣量對波高的影響

浸入式水口吹入Ar后，由于氣泡的上浮和破裂，對液面產(chǎn)生較大的沖擊和攪動，尤其在水口附近，故吹入Ar時液面波動更劇烈，且Ar流量越大液面波動越大。

2）吹氣量對渣層的影響

無氣時，鋼液沿著側(cè)壁上流到彎月面后，經(jīng)表面水平流動后下落形成上回流，由于兩股流的剪切力使彎月面處的渣層最薄弱。吹氣量由0增至0.3m?/h，鋼液流動狀態(tài)，和鋼渣界面形狀均發(fā)生了明顯變化，射流對窄邊的沖擊點明顯向上移動，鋼液因受氣泡向上浮起后的托舉作用而使界面升高，并沿著上表面逐漸向水口運動，且最終在水口出口附近形成一個較小的回流區(qū)，這導(dǎo)致上回流的渦旋中心從水口與寬面之間移動到水口出口附近，且靠近水口出口附近的液面波動加劇。由于氣泡的上浮作用，抽取了部分在出口附近射流的鋼液滴，從而引起鋼液的彎月面處的流速降低，界面波動相對減弱。

吹氣量的增加顯著改變了鋼液的流動形態(tài)和渣層分布。氣泡浮力越大，向上運動的鋼液越多、造成了結(jié)晶器表面的回流區(qū)幾乎消失，同時氣泡對液面的擾動更為強烈。這種由大量氣泡吹入而造成流動形態(tài)改變的后果是——表面不穩(wěn)定，湍流增加。進而增加的渣進入鋼液的可能性，引起卷渣。但是同時，大的吹氣量也容易使進入鋼液的渣上浮回到渣層中，而控制氣量的大小，使兩者同時兼顧是很重要的。所以為防止浸入式水口粘結(jié)和堵塞，實際生產(chǎn)澆鑄低碳或者超低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼時，通常在中間包水口，滑板或浸入式水口處向鋼液內(nèi)吹氬。而大多數(shù)薄板坯連鑄由于冷卻快，一般不用吹氬。

4 結(jié)論

（1）增大拉速，減小水口浸入深度均會增大表面波動，即增大結(jié)晶器內(nèi)的卷渣傾向。

（2）浸入深度越小，保護渣表面波動幅度越大，卷渣發(fā)生的可能性越大。

（3）隨著水口吹A(chǔ)r通入量的增大，液面的波動會增大，但在結(jié)晶器不同寬度位置上不盡相同，吹A(chǔ)r量視澆鑄鋼種而定。

（作者單位：河南安陽鋼鐵集團有限責任公司第二煉軋廠）