結(jié)晶器鋼水液面流速檢測技術(shù)研究

范正潔,職建軍,徐國棟

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.中央研究院,上海 201999; 2.煉鋼廠,上海 200941)

1 研究背景

結(jié)晶器液面流速是影響卷渣最為關(guān)鍵的因素之一,所以對于連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量和表面缺陷有重要的影響。結(jié)晶器液面附近鋼水流速過快,特別是形成了向窄邊方向的流股會造成保護(hù)渣和氬氣泡的卷入,形成鑄坯的保護(hù)渣和氣泡型缺陷;結(jié)晶器液面附近鋼水流速過慢,鋼水對液面的熱量補(bǔ)充不足,不利于保護(hù)渣熔化,也容易造成鑄坯的表面質(zhì)量問題,更甚者會導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生裂紋及漏鋼。結(jié)晶器液面附近鋼水流速控制在合理的范圍,對于連鑄坯的最終質(zhì)量至關(guān)重要,所以如何準(zhǔn)確有效地測量與優(yōu)化結(jié)晶器液面附近的鋼水流速非常關(guān)鍵。

結(jié)晶器內(nèi)鋼水溫度高達(dá)1 600 ℃,常規(guī)測速裝置和方法都無法對高溫鋼水流速進(jìn)行有效檢測,所以高溫鋼水流速測量一直是煉鋼領(lǐng)域的技術(shù)難題之一。目前檢測高溫鋼水流速方法主要有以下幾種:

(1)卡門渦街法[1]。流體繞流長的圓柱體時發(fā)生邊界層分離,在圓柱體后面出現(xiàn)卡門渦街,通過檢測卡門渦街的頻率來得到鋼水的流速。此方法只能測量液體表面某一點(diǎn)的流速,且無法檢測鋼水流速的方向。

(2)電磁感應(yīng)成像法[2]。該技術(shù)的原理是利用金屬具有高電導(dǎo)率的特性,在外加磁場作用下,流體的運(yùn)動會產(chǎn)生感應(yīng)電流,導(dǎo)致外加磁場發(fā)生變化。通過分析磁場變化與流場的關(guān)系得到流場分布。此方法的主要問題是來自保護(hù)渣的磁性材料會黏附在傳感器上。

(3)釘耙法。將釘子插入到結(jié)晶器液面附近的鋼水中,釘子在流動的鋼水中迎著鋼流的一側(cè)液位會顯著升高,釘子提出后會形成有一定斜坡的凝固坯殼。凝固坯殼斜坡的高度和鋼水流速有對應(yīng)關(guān)系,并由此可以計(jì)算得到鋼水流速值。此方法的主要問題是只能檢測某一個時刻的速度。

本文研究了阻尼法結(jié)晶器鋼水液面流速測量技術(shù),開展測速桿偏轉(zhuǎn)角和鋼水流速換算關(guān)系的理論計(jì)算,并開發(fā)檢測結(jié)晶器液面流速的裝置,在現(xiàn)場開展結(jié)晶器鋼水流速測量的工業(yè)試驗(yàn),此裝置能夠連續(xù)準(zhǔn)確地檢測結(jié)晶器液面鋼水流速。

2 阻尼法結(jié)晶器鋼水流速測量裝置和檢測原理

阻尼法結(jié)晶器鋼水流速測量裝置示意圖見圖1,包括測速棒和測速棒偏轉(zhuǎn)裝置。測速棒的偏轉(zhuǎn)裝置包括測速棒配重﹑偏轉(zhuǎn)軸承外套﹑偏轉(zhuǎn)軸承﹑偏轉(zhuǎn)角度指示板﹑偏轉(zhuǎn)角度指針和測速棒固定螺釘。偏轉(zhuǎn)軸承可滑動地套裝在偏轉(zhuǎn)軸承外套內(nèi)壁上。偏轉(zhuǎn)軸承外套的外表面有一個向外延伸的配重桿,配重桿和測速棒用固定螺絲分別安裝在偏轉(zhuǎn)軸承外套的外表面上,測試棒配重安裝于配重桿上。

圖1 結(jié)晶器鋼水流速測量裝置示意圖

阻尼法測鋼水流速原理是利用鋼水流速與沖擊力的對應(yīng)關(guān)系,以及力矩轉(zhuǎn)動平衡原理來測量鋼水的流速,具體細(xì)節(jié)為將可以水平方向靈活轉(zhuǎn)動的測速棒插入結(jié)晶器鋼液液面下一定深度,測速棒在鋼水沖擊力的作用下將發(fā)生偏轉(zhuǎn),其偏轉(zhuǎn)方向?yàn)殇撍牧鲃臃较?。將測速棒的偏轉(zhuǎn)角度與鋼水流速關(guān)聯(lián)計(jì)算,可以得到鋼水的流速。

鋼液流動對測速棒的沖擊力與測速棒處鋼液的水平流速相關(guān)。在測速棒被沖擊面處,如圖2所示,根據(jù)力矩平衡關(guān)系可知公式(1):

圖2 鋼水流速測量原理

IGsinθ=LFcosθ

(1)

式中:F為鋼水沖擊力;G為重力;I為測速棒重心與支點(diǎn)間的距離;L為測速棒浸入鋼液部分的中心位置與支點(diǎn)間的距離;θ為測速棒的偏轉(zhuǎn)角度。

其中,鋼水沖擊力F如式(2):

(2)

聯(lián)立式(1)、(2),整理可得到鋼水流速與測速棒偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系:

U0=(2IGtanθ/LCDρA)1/2

(3)

由此,通過測量測速棒在鋼液中的偏轉(zhuǎn)角度,即可推算出測量點(diǎn)的鋼液流速。

3 現(xiàn)場結(jié)晶器鋼水流速測量試驗(yàn)

使用阻尼法流速測量裝置在寶鋼2#連鑄機(jī)結(jié)晶器液面附近測量鋼水流速。2#連鑄機(jī)測量試驗(yàn)工況:結(jié)晶器斷面尺寸為1 200 mm×250 mm,拉速為1.3 m/min,水口傾角為-15°,測量位置結(jié)晶器寬度方向1/4處,吹氬量為25 L/min,電磁攪拌打開。

在檢測結(jié)晶器鋼水流速時,為延長測速棒的持續(xù)時間,將測速棒再套入耐材套管,使得所測鋼水的流速在一個時間段內(nèi)是連續(xù)值。如圖3所示,將測速棒插入到結(jié)晶器寬面1/4處鋼水液面中,浸入鋼水液面以下深度為100 mm,在結(jié)晶器鋼水流股的沖擊下,測速棒產(chǎn)生一個偏轉(zhuǎn)角度。

圖4為試驗(yàn)中結(jié)晶器寬面1/4處測速棒偏轉(zhuǎn)角度合成。共計(jì)測量8組數(shù)據(jù),6組鋼水流向水口方向,所占比例為81.3%,偏轉(zhuǎn)角度在35°～45°之間;2組部分流向窄邊方向,所占比例為18.7%,偏轉(zhuǎn)角度在25°～35°之間。

圖4 結(jié)晶器寬面1/4處測速棒偏轉(zhuǎn)角度

將測速棒檢測的偏轉(zhuǎn)角度通過理論換算公式計(jì)算得到結(jié)晶器寬面1/4處鋼水流速,表1為測速棒偏轉(zhuǎn)角度和鋼水流速換算計(jì)算參數(shù)。

表1 測速棒偏轉(zhuǎn)角度和鋼水流速換算計(jì)算參數(shù)

圖5為對試驗(yàn)中的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行計(jì)算后得到的結(jié)晶器寬面1/4處流速,過濾掉測量時的擾動,流速絕對值大部分在0.3～0.4 m/s之間波動。在結(jié)晶器寬面1/4處鋼水流向改變,產(chǎn)生原因可能是吹氬流量的波動或者水口出流產(chǎn)生的偏流。

圖5 結(jié)晶器寬面1/4處鋼水流速

因?yàn)閷氫?#連鑄機(jī)使用的是結(jié)晶器電磁攪拌裝置,以下試驗(yàn)測量鋼水流速來驗(yàn)證結(jié)晶器電磁攪拌裝置是否在結(jié)晶器表面形成旋轉(zhuǎn)的流動。圖6～圖9是對結(jié)晶器中不同位置流場情況的考察,是3流和4流的測速棒偏轉(zhuǎn)角度和對應(yīng)鋼水流速的測量計(jì)算,圖中紅色圓圈是浸入式水口位置,箭頭方向表示測速棒移動軌跡。從測量結(jié)果來看,不同位置處的鋼液流速不同,最大可達(dá)0.2 m/s,3流的流速變化要大于4流。

圖6 結(jié)晶器寬面3個位置測速棒偏轉(zhuǎn)角度(3流)

圖8 結(jié)晶器寬面3個位置測速棒偏轉(zhuǎn)角度(4流)

圖9 結(jié)晶器寬面3個位置結(jié)晶器鋼水流速(4流)

從測試的結(jié)果來看,在電磁攪拌的作用下,結(jié)晶器液面附近的流場沒有像設(shè)想的那樣,在液面附近旋轉(zhuǎn)起來。因?yàn)樵趦?nèi)弧側(cè)測的結(jié)晶器鋼水流向與外弧側(cè)測的鋼水流向是一致的,鋼水流向都是朝向浸入式水口。這表明,在電磁攪拌的作用下,結(jié)晶器液面附近鋼水流場主流仍然是窄邊向浸入式水口的流動,并沒有在電磁攪拌作用下在液面附近形成貼著結(jié)晶面的旋轉(zhuǎn)流動。

4 結(jié)論

(1)本文自主開發(fā)的鋼水流速測量裝置和技術(shù),可以準(zhǔn)確直觀地測量結(jié)晶器液面附近鋼水的流速,為優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)流場和連鑄工藝參數(shù)提供了有效判定準(zhǔn)則。

(2)結(jié)晶器表面流速的高溫實(shí)際測量結(jié)果表明:結(jié)晶器內(nèi)液面附近的鋼水流向發(fā)生了改變,當(dāng)吹氬流量較大時,結(jié)晶器表面的流動方向由朝向浸入式水口變?yōu)橄蛘叿较颉?/p>

(3)使用耐材棒偏轉(zhuǎn)阻尼法測量結(jié)晶器寬面1/4處鋼水流速,測量數(shù)據(jù)顯示流速的絕對值基本在0.3～0.4 m/s之間波動,其中81.3%時間的流向朝水口方向,部分時間流向窄邊方向,所占比例為18.7%,產(chǎn)生的原因可能是吹氬流量的波動或者水口出流產(chǎn)生的偏流。

(4)在內(nèi)弧側(cè)測的結(jié)晶器鋼水流向與外弧側(cè)測的鋼水流向是一致的,表明在電磁攪拌作用下,結(jié)晶器液面附近鋼水流場主流仍然是鋼水沖擊到窄邊向浸入式水口的流動,并沒有在液面附近形成貼著結(jié)晶面的旋轉(zhuǎn)流動。