代平 劉炳俊(山鋼集團(tuán)萊蕪鋼鐵新疆有限公司供應(yīng)部,山東萊蕪 271100)

結(jié)晶器鋼液流場的分析

代平 劉炳俊(山鋼集團(tuán)萊蕪鋼鐵新疆有限公司供應(yīng)部,山東萊蕪 271100)

結(jié)晶器是連鑄機(jī)的心臟,結(jié)晶器冶金是去除夾雜物,改善鋼材質(zhì)量的最后機(jī)會(huì)。在結(jié)晶器中,包含在凝固殼內(nèi)的鋼液流場分布對夾雜物的運(yùn)行行為有很大的影響,而夾雜物的去除效果直接影響到鋼的純凈度與質(zhì)量。此外,結(jié)晶器內(nèi)流場對凝固最重要的初始階段的凝固殼傳熱有重大影響,因而深入了解和控制結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)性為是提高連鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵。對結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)特性的研究已有大量文獻(xiàn)報(bào)道,影響結(jié)晶器鋼液流場的主要因素有:浸入式水口結(jié)構(gòu)參數(shù),浸入深度及拉速等,對于典型的雙側(cè)孔水口,其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括水口內(nèi)徑、出口傾角、出口面積、出口形狀及底部形狀。

結(jié)晶器 流場

1 水口內(nèi)徑對結(jié)晶器流場的影響

從浸入水口噴出的流股并不完全充滿整個(gè)出口截面，射流角并不等于水口的出口傾角，而是比水口傾角更向下些，而浸入水口的內(nèi)徑是影響水口充滿率和射流角的主要因素。

T.Honeyands[1]等研究了在薄板坯連鑄過程中，浸入式水口結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流充滿率及射流傾角的影響表明：在相同條件下，大內(nèi)徑水口射流出口后的噴射角比小內(nèi)徑水口的大。在相同水口長度下，小內(nèi)徑的水口噴出射流速度要明顯大于大內(nèi)徑水口，但是，如果浸入式水口兩側(cè)孔總面積小于水口橫截面積，使流股在出口處受到壓縮，這時(shí)浸入式水口橫截面積對出口流股的影響不明顯。

2 水口側(cè)孔面積對結(jié)晶器液面波動(dòng)的影響

T.Honeyands[1]等還研究了浸入式水口側(cè)孔面積與側(cè)孔有效利用率的關(guān)系，側(cè)孔的有效利用率隨水口側(cè)孔總的面積同水口側(cè)孔截面積之比的增大而減少，側(cè)孔面積對側(cè)孔流股速度的影響，在浸入式水口截面積相同的情況下，隨側(cè)孔面積的增加，側(cè)孔流股的平均速度減少。這表明水口截面積和側(cè)孔總面積是相關(guān)因素。如果浸入式水口的側(cè)孔截面積大，則易引起結(jié)晶器內(nèi)鋼液向水口出口的上部產(chǎn)生回流。出口流股向下的傾角隨出口面積的增大而增大，射流出口平均速度隨側(cè)孔面積的增大而減少。浸入式水口側(cè)孔大小對液面波動(dòng)的影響，可歸因于對兩側(cè)孔射流對稱性的影響，孔徑過大，水口兩側(cè)鋼液流出量易失去平衡；減少孔徑，會(huì)使流場的不均勻得以改善，因此時(shí)會(huì)增加鋼流側(cè)出口阻力，導(dǎo)致水口內(nèi)鋼水靜壓頭增加，迫使兩側(cè)孔鋼流更趨于平衡。但孔徑過小，鋼流的沖擊深度增大，對夾雜物去除不利。

雷洪等[2]對武鋼二煉鋼連鑄結(jié)晶器流場優(yōu)化表明水口浸入深度增大、使用長方形水口等均能有效減少卷渣發(fā)生的可能性。

圖1 出口角度對液面紊動(dòng)能的影響

圖2 水口出孔角度α對結(jié)晶器流暢的影響

3 水口側(cè)孔傾角對結(jié)晶器流場的影響

浸入式水口的出口傾角可分為三類：向上的傾角(θ＞O)，向下的傾角(θ＜O)，水平傾角(θ=O)。

馬范軍等[3]研究了出口傾角為13°、15°、18°、21°時(shí)，對結(jié)晶器液面紊動(dòng)能的影響，如圖1所示，下傾出口角度越大，鋼液面紊動(dòng)能越小，且最大值在液面靠近窄邊區(qū)域，這是因?yàn)楫?dāng)下傾角度增大時(shí)，流股從水口沖出后角度下降，對窄邊的沖擊點(diǎn)下移，在碰到窄邊后反彈向上部分的流股動(dòng)能隨下傾角度增大而減弱，對液面的振動(dòng)減弱，使得液面紊動(dòng)能減少，液面波動(dòng)減小。同時(shí)下傾角度越大，流股碰到窄邊前經(jīng)歷的距離越長，水口出口沖擊壓力衰減越多，沖擊深度越深。

劉小梅等[4]利用1：2模型研究水口出孔為-20°、-10°、0°、20°時(shí)結(jié)晶器內(nèi)流場，如圖2。出孔角度從向上20°變化到向下20°，下部流股運(yùn)動(dòng)逐漸加強(qiáng)，下回流區(qū)也相應(yīng)加大：上部流股強(qiáng)度逐漸減弱，其回流區(qū)相應(yīng)縮小，液面區(qū)域流動(dòng)減弱，液面趨于穩(wěn)定。

圖3 水口不同出口角度對結(jié)晶器內(nèi)流場的影響

圖4 水口不同出口角度對結(jié)晶器內(nèi)流場的影響軌跡

Yeong-Ho[5]研究了水口側(cè)孔傾角為+15°、+10°、0°、-10°、-15°時(shí)結(jié)晶器內(nèi)流場，如圖3、4。由圖可知側(cè)孔角度從向下15°變化到向上15°時(shí)，鋼液在結(jié)晶器上部向上流動(dòng)的趨勢和水口下面的向上流變得更加強(qiáng)烈，這有利于鋼液中夾雜物的上??；同時(shí)，鋼液流對熔池表面沖擊強(qiáng)度增加，從而加劇表面的波動(dòng)和不穩(wěn)定，造成二次氧化和保護(hù)渣的卷入。

眾多的水模型和數(shù)學(xué)模型研究[3.4.6]表明：當(dāng)水口側(cè)孔傾角為負(fù)值時(shí)，結(jié)晶器流場為穩(wěn)定的四漩渦狀態(tài)：水口側(cè)孔傾角從負(fù)值向正值增加時(shí)，鋼液在結(jié)晶器上部向上流動(dòng)的趨勢和水口下面的向上流變得更加強(qiáng)烈，這利于夾雜物的上浮去除，但鋼流對表面的沖擊隨之加強(qiáng)，液面波動(dòng)加劇，導(dǎo)致鋼水二次氧化和保護(hù)渣的卷入；水口側(cè)孔傾角為0°時(shí)，流股到窄面的位移最短，沖擊速度最大，對坯殼的沖刷最強(qiáng)烈，不利于坯殼的均勻生長；側(cè)孔傾角向下逐漸增大時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)流股對液面的沖擊減少，液面波動(dòng)減小，但可能導(dǎo)致表面和彎月面處鋼液較死，不利于保護(hù)渣的熔化，而且會(huì)使氣泡和夾雜物在結(jié)晶器內(nèi)的沖擊深度過大，易造成氣泡被凝固前沿捕捉形成皮下缺陷，同時(shí)流股與窄面的沖擊點(diǎn)下移，在高拉速時(shí)，易產(chǎn)生拉漏事故。因此根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，對結(jié)晶器水口側(cè)孔傾角進(jìn)行優(yōu)化，以減少卷渣，生產(chǎn)高質(zhì)量鑄坯。

4 水口底部結(jié)構(gòu)對結(jié)晶器流場的影響

浸入式水口的底部結(jié)構(gòu)包括水口側(cè)孔形狀和水口底部形狀。

4.1 水口側(cè)孔形狀對流場的影響

雙側(cè)孔浸入式水口的形狀一般有圓形、橢圓形、和長方形三種。對結(jié)晶器流場影響不大，但影響流股的速度和散射程度。N.Tsukamoto[7]劉等利用1：1水模型試驗(yàn)研究了浸入式水口的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)，得出：相同出口面積時(shí)，方形側(cè)孔的流股噴出速度比圓形側(cè)孔大，流股沖擊深度也大，氫氣泡的沖擊深度較大，但方形側(cè)孔的散射程度小，流股對結(jié)晶器窄面的沖刷小，利于坯殼均勻生長；橢圓形側(cè)孔與圓形側(cè)孔相比，橢圓形側(cè)孔出口的較高部位存在較大的壓力差，水流不穩(wěn)定。

4.2 水口底部結(jié)構(gòu)對流場的影響

浸入式水口的底部形狀大致可分為平底型、凸型、凹型三種。高文芳[8]等利用1：2水模型試驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)際比較，得出凹型水口的流股穿透深度比凸型降低30-40%，偏流及液面形成紊流的情況大有好轉(zhuǎn)，且夾雜物上浮時(shí)間短利于夾雜物去除。對工廠試驗(yàn)鑄坯金相分析，發(fā)現(xiàn)凹型水口與凸型水口相比，鑄坯中夾雜物的總個(gè)數(shù)、平均長度、單位面積個(gè)數(shù)和夾雜物面積百分?jǐn)?shù)均有不同程度降低。同時(shí)利于保護(hù)渣的熔化。但存在開澆時(shí)結(jié)晶器內(nèi)鋼液上翻和水口出口處耐材受浸蝕失效的問題。

N.Tsukamoto[7]等利用1：1水模型試驗(yàn)研究了三種底部結(jié)構(gòu)的水口對射流出口速度的影響。得出凸型水口射流下部的速度較大，會(huì)引起水口上部回流加劇，平底型和凹型水口使回流得到有效抑制。但使用凹型水口后，在用三滑板控制的水口底部回產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流，導(dǎo)致流股出側(cè)孔后偏離窄面方向先到達(dá)寬面。射流噴出后也有一定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)寬面和寬面相撞后，在旋轉(zhuǎn)分力的作用下會(huì)使流股向上走而引起結(jié)晶器內(nèi)鋼液面的波動(dòng)，同時(shí)不利于寬面坯殼的均勻生長。

萬曉光等[9]研究得出：凹型水口，流股在凹槽內(nèi)得到緩沖動(dòng)能減少，但流股中的氣泡對流股的抬升作用加大，使流股對液面的擾動(dòng)加大，彎月面及結(jié)晶器1/4處液面較活，利于保護(hù)渣對夾雜的吸收。

此外，浸入式水口結(jié)構(gòu)還會(huì)影響結(jié)晶器鋼液溫度分布，水口區(qū)域鋼水面溫度低，保護(hù)渣易形成結(jié)殼甚至有凝鋼發(fā)生。

圖5 水口浸入深度對結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)的影響

5 水口浸入深度對結(jié)晶器流場的影響

水口浸入深度對結(jié)晶器內(nèi)的流場、液面波動(dòng)、坯殼的生長、氣泡上升及夾雜物的去除都有顯著影響。

陳永范[10]用1：1水模型試驗(yàn)研究了水口浸入深度對結(jié)晶器流場的影響。比較浸入深度為l00mm、300mm時(shí)結(jié)晶器內(nèi)流場的情況。發(fā)現(xiàn)隨浸入深度的增加，射流的沖擊點(diǎn)下移，上下部兩個(gè)回旋區(qū)的渦心明顯下移，這對夾雜物的上浮不利，流股沖擊深度較大，夾雜和氣泡易被捕捉導(dǎo)致產(chǎn)品表面缺陷增多。

Yeong-Ho[5]研究了0.16m、0.11m、0.06m三種不同的水口浸入深度對流場的影響，如圖5所示，當(dāng)浸入深度較大(0.16m)時(shí)，熔池表面回流范圍大；當(dāng)浸入深度較小(0.06m)時(shí)，熔池表面回流很難觀察到，液面變得不穩(wěn)定，保護(hù)渣容易被卷入鋼液。

綜上所述，水口浸入深度對液面波動(dòng)和流股沖擊深度有重要影響。對具體工藝條件，浸入深度有一合適的范圍，使之既保證表面鋼流及彎月面活躍，又不致使表面波動(dòng)過大，同時(shí)，能控制流股的沖擊深度，利于夾雜和氣泡的上浮及保證坯殼的均勻生長，以獲得高質(zhì)量鑄坯。

6 結(jié)語

保證合適的浸入水口結(jié)構(gòu)和浸入深度是改善結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)狀態(tài)，降低注流沖擊深度，分散注流帶入熱量，促使結(jié)晶器內(nèi)形成均勻坯殼，并促使夾雜物上浮的重要手段。

[1]T．Honeyands et al．Preliminary Molding of Steel Delivery to Thin Slab Caster Mould．Steelmaking Conference Proceedings，1992，75:445～453.

[2]雷洪等.板坯連鑄結(jié)晶器流場優(yōu)化[J].煉鋼,2000,16(3):29-31.

[3]馬范軍等.板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)數(shù)值模擬.鋼鐵研究,2000(1):10～14.

[4]劉小梅等.CSP和ISP結(jié)晶器水試驗(yàn)研究.寶鋼技術(shù),1997(3):11-17.

[5]Yeong-Ho HO et al．Analysis of Molten Flow Steelin Slab Continuous Caster Mold．ISIJ International，1994，34(3):255～264.

[6]賀友多等.舞陽鋼鐵公司板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器的流場和溫度場研究.包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào),1997,16(3):173～179.

[7]N．Tsukamoto et al．Steehnaking Conference Proceedings．1991,74：803.

[8]高文芳,石文光.連鑄中間包瓶式水口的研究和應(yīng)用．煉鋼,1996,(4):24.

[9]萬曉光.板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的研究.碩士學(xué)位論文.北京:北京科技大學(xué)．2000.

[10]陳永范等.大板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)流場實(shí)驗(yàn)研究,煉鋼,1998(2):25～28.