劉　洋　王　毅　劉　傲　胡念慈

(1.寶鋼股份中央研究院武漢分院(武鋼有限技術(shù)中心) 　湖北　武漢:430080； 2.寶鋼股份武鋼有限公司冷軋廠設(shè)備部　湖北　武漢:430081)

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)鋼板表面質(zhì)量要求越來(lái)越高[1]，而現(xiàn)有生產(chǎn)工藝已很難再提高板材的表面質(zhì)量[2]。特別是在板坯連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，連鑄坯表面不可避免會(huì)出現(xiàn)橫縱裂紋、皮下針孔、夾渣、凹陷等各種表面缺陷[3]。為獲得高表面質(zhì)量產(chǎn)品，減少產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，需要對(duì)板坯進(jìn)行清理，去除板坯表面可見(jiàn)缺陷[4]，因此鋼坯表面清理技術(shù)的應(yīng)用成為必然[5]。

為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，武鋼有限公司于2014年初從美國(guó)L-TEC公司引進(jìn)了一臺(tái)新一代板坯火焰清理機(jī)。新設(shè)備投用后，有效降低了鑄坯改判和質(zhì)量異議量，效果顯著，但是在運(yùn)行中時(shí)常會(huì)發(fā)生“放炮”的現(xiàn)象，給現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)帶來(lái)了巨大隱患，同時(shí)由于鋼花飛濺也帶來(lái)了輥?zhàn)影?、煙罩積渣和煙罩擋板燒損等問(wèn)題，增加了備件成本。因此開(kāi)展熔渣飛行軌跡研究，解決鋼渣飛濺問(wèn)題，對(duì)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和降低備件費(fèi)用意義重大。

1　板坯火焰清理機(jī)工作原理簡(jiǎn)介

火焰清理機(jī)主要是利用氧氣-燃?xì)鉄峄瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量對(duì)鑄坯進(jìn)行表面清理的一種裝備(如圖1)。

圖1　火焰清理機(jī)工作原理示意圖

1.1　火焰清理機(jī)工作原理

鑄坯首先經(jīng)過(guò)預(yù)熱：

然后通過(guò)化學(xué)反應(yīng)放出大量的熱量使鋼坯熔化形成熔池，之后鑄坯開(kāi)始移動(dòng)進(jìn)行清理，清理時(shí)主要是清理氧氣與鋼坯中的Fe發(fā)生反應(yīng)達(dá)到清理的目的：

1.2　火焰清理機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)介

火焰清理機(jī)主要由清理機(jī)本體、燒嘴、能源介質(zhì)、冷卻裝置和輥道等(如圖2)。

圖2　火焰清理機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)板坯清理過(guò)程如下：板坯通過(guò)輥道運(yùn)輸?shù)交鹧媲懈顧C(jī)清理位之后停止，然后通過(guò)清理機(jī)本體上的兩條軌道將燒嘴移動(dòng)到板坯四周，打開(kāi)能源介質(zhì)利用火焰對(duì)板坯四個(gè)面繼續(xù)熔融清理。在火焰清理機(jī)燒嘴的后方安裝有噴嘴，主要用來(lái)對(duì)清理過(guò)程中產(chǎn)生飛濺的熔渣進(jìn)行快速冷卻，防止熔渣在輥道表面富集或通過(guò)除塵系統(tǒng)抽到燒嘴上方的煙罩當(dāng)中引起火災(zāi)。

2　熔渣運(yùn)動(dòng)軌跡仿真分析

通過(guò)火焰清理機(jī)工作原理和清理過(guò)程分析，在清理機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生“放炮”的原因只可能是高溫未粒化渣塊與常溫水接觸，導(dǎo)致部分水瞬間汽化產(chǎn)生的物理性爆炸。因此只有了解熔渣運(yùn)動(dòng)軌跡，并針對(duì)性開(kāi)發(fā)熔渣快速冷卻裝置才能徹底解決“放炮”問(wèn)題。

2.1　數(shù)學(xué)模型的建立

在利用火焰清理機(jī)燒嘴對(duì)板坯表面進(jìn)行清理的過(guò)程中，由于鋼渣主要隨高速氣體一起運(yùn)動(dòng)，而且鋼渣顆粒較小，因此只需要研究燒嘴氣體的運(yùn)動(dòng)軌跡就可知道熔渣的飛行軌跡。同時(shí)，為了計(jì)算的方便性，在計(jì)算中沒(méi)有耦合氧氣、天然氣和鋼坯的化學(xué)反應(yīng)，僅研究氣體運(yùn)行軌跡，并按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定(如表1)。

表1　模型參數(shù)設(shè)定表

2.2　模型網(wǎng)格劃分

為了計(jì)算方便，以6個(gè)燒嘴孔為研究對(duì)象，同時(shí)在燒嘴孔四周建立了一個(gè)2m×1m×0.5m的長(zhǎng)方體作為密閉空間，其中長(zhǎng)方體的下表面為板坯的上表面。為了提高模型建立和計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)長(zhǎng)方形氧氣部分進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，共劃分125674個(gè)網(wǎng)格。

2.3　仿真計(jì)算及結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)(如圖3)，燒嘴氣體(熔渣飛濺)最高速度為310m/s，在離燒嘴出口水平距離0.4m處氣流開(kāi)始加速發(fā)散(最右邊的截面)，而且隨著離燒嘴出口處距離越遠(yuǎn)，其發(fā)散越快。其中離燒嘴出口水平距離0.5m時(shí)發(fā)散高度達(dá)到0.3m，離燒嘴出口水平距離0.6m時(shí)發(fā)散高度達(dá)到0.65m。因此要想解決熔渣飛濺后發(fā)生“放炮”的問(wèn)題，必須在熔渣呈大面積放射狀散開(kāi)之前利用沖渣水對(duì)熔渣進(jìn)行快速冷卻，避免熔渣逃逸。

圖3　燒嘴氣體運(yùn)動(dòng)軌跡圖

從熔渣飛行軌跡來(lái)看，當(dāng)離燒嘴出口處越近，需要沖渣水的高度越低；離燒嘴出口處越遠(yuǎn)，需要沖渣水的高度越高。但如果沖渣水距離燒嘴太近，容易導(dǎo)致熄火或燃燒不暢。為此，綜合考慮兩方面問(wèn)題，最終確定在距離燒嘴出口水平距離0.5m處加裝沖渣水最合適，其高度只要超過(guò)0.3m即可。

3　熔渣快速冷卻裝置開(kāi)發(fā)

基于熔渣飛行軌跡的分析結(jié)果，提出了一種組合式多孔積渣快速冷卻自排裝置，即在高壓水槍前又增加了一組高壓水噴嘴，對(duì)熔渣進(jìn)行阻截。根據(jù)鑄坯上下熔渣特性，采用實(shí)驗(yàn)方式完成了積渣快速冷卻自排裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。即在鑄坯上方采用4個(gè)大型噴嘴(如圖4)，通過(guò)大流量噴嘴中的柱狀水流將積渣快速打擊冷卻，避免熔渣逃逸；為了避免水將熔渣直接沖到鑄坯下方進(jìn)而與輥道發(fā)生粘連，在鑄坯下方采用9個(gè)呈雙排縱向排列的小噴嘴對(duì)積渣進(jìn)行冷卻阻隔，這樣有利于積渣快速脆化，迅速與輥道分離。

圖4　雙層組合式熔渣快速冷卻 自排裝置三維結(jié)構(gòu)示意圖

4　效果分析

利用40小時(shí)的停機(jī)時(shí)間完成了雙層組合式熔渣快速冷卻自排裝置的安裝(如圖5)。該裝置上機(jī)使用后，有效對(duì)清理機(jī)產(chǎn)生的熔渣進(jìn)行粒化和堵截，徹底杜絕了熔渣“放炮”現(xiàn)象的發(fā)生，避免輥?zhàn)影?、煙罩積渣、煙罩擋板燒損等問(wèn)題，解決了生產(chǎn)中的安全隱患。

圖5　雙層組合式熔渣快速冷卻自排裝置實(shí)物圖

5　結(jié)論

(1)利用有限元仿真分析軟件對(duì)火焰清理機(jī)熔渣飛行軌跡進(jìn)行了深入研究，找到了熔渣飛濺這一導(dǎo)致“放炮”的主要原因問(wèn)題；

(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，提出了雙層組合式熔渣快速冷卻自排裝置，并完成了裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

(3)新裝置上機(jī)后，徹底杜絕了熔渣“放炮”現(xiàn)象的發(fā)生，解決了生產(chǎn)中的安全隱患，成效顯著。

[1]吳峰茂.板坯清理方法的優(yōu)化[J].河北冶金,2012,(11):51-53.

[2]倪有金,張穎華,亢小敏,等.火焰清理機(jī)在遷鋼公司汽車(chē)板生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].首鋼科技,2012,(3):33-35.

[3]韓俊,陳濤.火焰清理機(jī)在板坯連鑄生產(chǎn)的應(yīng)用[J].連鑄,2012,(3):38-41.

[4]董金剛,章遠(yuǎn)杰,施春月,等.提升火焰清理機(jī)生產(chǎn)能力的措施及實(shí)踐[J].寶鋼技術(shù),2014:369-372.

[5]張力.鋼坯表面火焰清理設(shè)備及工藝介紹[J].山東工業(yè)技術(shù),2016，(7):1.