薛月凱，田寶生，王杰文，田鵬，武獻(xiàn)民，霍立橋，王家旺，馮聚和

(1.華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210 ；2.德龍鋼鐵有限公司煉鋼廠，河北 邢臺(tái) 054000；3.唐山鋼鐵國(guó)際工程技術(shù)股份有限公司，河北 唐山 063021)

0 引言

拉速是控制連鑄機(jī)生產(chǎn)能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)為提高鑄機(jī)生產(chǎn)能力，往往需要提高連鑄機(jī)拉速，但拉速提高引起的澆漏及鋼坯質(zhì)量缺陷限制了鑄機(jī)拉速的進(jìn)一步提高[1-3]。結(jié)晶器是連鑄機(jī)的核心部位，由于拉速的改變，結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場(chǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致鑄坯表面及內(nèi)部質(zhì)量問題的產(chǎn)生[4-6]。浸入式水口是鋼液由中間包進(jìn)入結(jié)晶器的導(dǎo)流裝置，浸入式水口的設(shè)計(jì)對(duì)鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)優(yōu)化影響顯著，合理的浸入式水口結(jié)構(gòu)對(duì)于提高鋼坯質(zhì)量、維持生產(chǎn)穩(wěn)定、增加鑄機(jī)產(chǎn)量等方面有重要意義[7，8]。

德龍鋼鐵公司配備2座100 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，850 mm、1 250 mm熱軋中寬帶生產(chǎn)線各1條，主要產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以冷軋料(熱軋卷板)為主(占比85%以上，DC03、加硼SPHC、Q195L等)，許多鋼種不經(jīng)過精煉環(huán)節(jié)，存在轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能過剩，連鑄機(jī)生產(chǎn)能力偏小問題。為進(jìn)一步提高公司產(chǎn)能，優(yōu)化各產(chǎn)線相互匹配能力，德龍鋼鐵公司將200 mm×920 m的850 mm寬帶生產(chǎn)線原有鑄機(jī)拉速1.3 m/min提高至1.6 m/min，但連鑄機(jī)提高拉速后，鋼坯卷渣嚴(yán)重。為解決鑄機(jī)高拉速下產(chǎn)生的產(chǎn)品質(zhì)量問題，利用水模實(shí)驗(yàn)對(duì)浸入式水口的插入深度、角度、側(cè)孔面積進(jìn)行了研究，優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了拉速在1.6 m/min時(shí)連鑄機(jī)能夠穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用結(jié)晶器及水口均由有機(jī)玻璃制成，利用水模擬鋼液，使用CD20W-50礦物質(zhì)機(jī)油模擬卷渣情況，配有激光片光源、高速攝影儀等。模型按照原廠1:1比例制成，上部中間包用有機(jī)玻璃制成的圓柱形容器代替。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 結(jié)晶器水模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

浸入式水口設(shè)計(jì)有側(cè)孔角度12°、15°、18°，側(cè)孔面積有40 mm×75 mm、40 mm×80 mm、40 mm×85 mm，側(cè)孔角度與側(cè)孔面積排列組合，分成9個(gè)水口，其底部也分為凸形和平形底部，與上部水口相互一致。浸入式水口結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 浸入式水口結(jié)構(gòu)圖

采用南京順來達(dá)測(cè)控設(shè)備有限公祠研制的SLD300A型便攜式流速測(cè)算儀，來對(duì)結(jié)晶器水模型流體流速進(jìn)行了測(cè)定。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)浸入式水口的底部形狀、插入深度、角度和側(cè)孔面積進(jìn)行測(cè)量和分析，研究在各種影響因素(工況)下結(jié)晶器流動(dòng)狀態(tài)的變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)方案為：

(1)逐步提高連鑄機(jī)拉速，控制拉速分別為1.3 m/min、1 .45 m/min、1 .6 m/min、1 .67 m/min，研究拉速升高后引起的卷渣問題。

(2)對(duì)浸入式水口進(jìn)行優(yōu)化。改變浸入式水口的底部形狀，研究平、凸底部結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的影響；控制拉速為1.6 m/min，改變浸入式水口插入深度分別為120 mm、140 mm；控制拉速為1.6 m/min，改變浸入式水口出口角度分別為12°、15°、18°；控制拉速為1.6 m/min，浸入式水口角度為12°，改變其側(cè)孔面積分別為40 mm ×70 mm、40 mm×80 mm、40 mm×85 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

以目前浸入式水口參數(shù)及冶煉操作為基礎(chǔ)，控制水口插入深度120 mm，選取側(cè)孔角度15°和側(cè)孔面積40 ×70 mm2的水口進(jìn)行不同拉速下水模實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同拉速下的水模實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，隨著拉速的提高，沖擊深度由305 mm增大到325 mm，結(jié)晶器內(nèi)流體的湍動(dòng)能和流場(chǎng)的不對(duì)稱性增加，產(chǎn)生旋渦的幾率也隨之增加，鋼液內(nèi)夾雜物因鋼液慣性加大而難以上??；拉速的提升使流股穿透深度增加，結(jié)晶器內(nèi)的高溫區(qū)下移，同時(shí)使己凝固的坯殼減薄甚至可能造成二次熔化，發(fā)生拉漏現(xiàn)象的幾率增大[9]；液面流速由0.097 m/s增大到0.117 m/s，液面波動(dòng)的增大幅度明顯增快。上述因素皆不利于鋼液中夾雜物的去除，統(tǒng)計(jì)表明，5分鐘內(nèi)卷渣幾率由1.3 m/min拉速的16次增加至1.67 m/min拉速的37次，如圖3所示。

圖3 不同拉速下液流卷渣次數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程中觀測(cè)到，當(dāng)拉速為1.3 m/min 時(shí)，結(jié)晶器液面平穩(wěn)，無卷渣現(xiàn)象出現(xiàn)。在拉速為1.67 m/min 時(shí)，結(jié)晶器液面卷渣次數(shù)逐漸增多，在水口附近時(shí)有旋渦產(chǎn)生。為解決上述問題，改變浸入式水口底部形狀、插入深度、角度、側(cè)孔面積等參數(shù)，對(duì)浸入式水口進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1)水口底部形狀

實(shí)驗(yàn)研究了鑄坯在1.6 m/min拉速下，浸入式水口插入深度為120 mm時(shí)，浸入式水口不同底部形狀時(shí)的液流沖擊深度、回流深度、表面流速和液面流速，如表2所示。

表2 平、凸底部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表2中可看出，兩底部的沖擊深度和回流深度大致相同，但平型底部的表面流速為0.106 m/s，大于凸型底部的0.097 m/s，表面流速的大小對(duì)于結(jié)晶器液面的卷渣有很大的影響，表面流速過大會(huì)造成液面比較活躍，液面波動(dòng)較大且液面裸露程度明顯、出現(xiàn)卷渣現(xiàn)象。

分析認(rèn)為，浸入式水口出口角水平時(shí)，射流對(duì)結(jié)晶器窄面坯殼沖刷最大，不利于坯殼冷凝生長(zhǎng)；凸底結(jié)構(gòu)水口射流角依次明顯增大，流股同結(jié)晶器窄面的撞擊點(diǎn)依次下移，結(jié)晶器內(nèi)的回流渦心位置整體下移，結(jié)晶器上部和鋼液面流動(dòng)明顯地減弱，對(duì)于結(jié)晶器表面的穩(wěn)定也有好處[10]。因此使用凸型底部的水口。

(2)水口插入深度

水口插入深度對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)、鋼液流動(dòng)影響較大。需要說明的是，在實(shí)驗(yàn)中水口插入深度是指水口側(cè)孔上沿到結(jié)晶器液面的垂直距離。水模實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同插入深度下的水模實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出，隨著插入深度的增加，結(jié)晶器表面流速降低，由0.103 m/s逐步降低至0.095 3 m/s液面波動(dòng)逐漸減小，流股沖擊深度的增大減小了流股對(duì)結(jié)晶器液面的擾動(dòng)；回流深度隨著插入深度的增加由778 mm增加至790 mm，使得夾雜物上浮時(shí)間充分；統(tǒng)計(jì)5 min內(nèi)的卷渣次數(shù)，水口插入深度由120 mm增加至140 mm，卷渣次數(shù)由32次減少至22次。

由此可知，隨著浸入式水口插入深度的增加，可促進(jìn)鋼液中夾雜物的上浮，達(dá)到提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的目的。但沖擊深度不宜過深，以免使鋼液熱能下移，導(dǎo)致連鑄澆漏事故發(fā)生。通過提高水口插入深度至140 mm，有效地減少了連鑄工序拉速提高后的卷渣事故。

(3)水口側(cè)孔傾角

水口側(cè)孔噴角是影響連鑄工序鋼液卷渣的重要因素之一，實(shí)驗(yàn)條件為拉速1.6m/min，水口插入深度140 mm，研究水口側(cè)孔傾角對(duì)連鑄鋼液卷渣的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同側(cè)孔角度下的水模實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表4中可看出，當(dāng)側(cè)孔角度由12°提升至18°時(shí)，液流沖擊深度由293 mm提高至325 mm；隨著插入深度的增加，液流液面流速逐步降低，由0.103 m/s逐步降低至0.091 m/s，液面波動(dòng)幅度變小，卷渣幾率降低。5 min內(nèi)的卷渣次數(shù)統(tǒng)計(jì)表明，卷渣次數(shù)由28次降低至23次。因此，通過增大側(cè)孔噴角可有效地降低鋼液卷渣幾率。

(4)水口側(cè)孔面積

實(shí)驗(yàn)條件為拉速1.6 m/min，水口側(cè)孔噴角18°，插入深度為140 mm，研究水口側(cè)孔面積對(duì)連鑄鋼液卷渣的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 不同側(cè)孔面積下的水模實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表5中可以看出，隨著側(cè)孔面積的增大，結(jié)晶器液面流速由0.097 m/s降低至0.085 m/s，結(jié)晶器液面趨于平穩(wěn)。分析認(rèn)為，對(duì)于側(cè)孔面積偏小的水口，側(cè)孔面積增大后，在同樣的拉速條件下，水口內(nèi)的流速減小，水口出口流股分散，出口速度也隨之減小。出口流股與窄面撞擊后，上回流動(dòng)能小，對(duì)液面的擾動(dòng)減弱，使液面波動(dòng)減小，即液面流速也減小。但側(cè)孔面積過大，水口兩側(cè)鋼液流出量易失去平衡，還會(huì)發(fā)生回流的現(xiàn)象，導(dǎo)致卷渣幾率升高，因此水口側(cè)孔面積應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，此處側(cè)孔面積選取為40×80 mm2。

3 應(yīng)用效果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)連鑄機(jī)拉速由1.3 m/min提高至1.6 m/min后，需要對(duì)浸入式水口結(jié)構(gòu)及插入深度進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)。優(yōu)化后，浸入式水口底部采用凸型結(jié)構(gòu)，插入深度由120 mm調(diào)整到140 mm，水口側(cè)孔傾角由15°調(diào)整至18°，水口側(cè)孔面積由40×70 mm2調(diào)整為40×80 mm2。優(yōu)化后，熱軋中寬帶生產(chǎn)線在拉速為1.6 m/min生產(chǎn)時(shí)質(zhì)量穩(wěn)定，澆漏事故得以控制。

4 結(jié)論

(1)水模實(shí)驗(yàn)表明，隨著拉速的提高造成結(jié)晶器內(nèi)夾雜物難以上浮，5 min內(nèi)卷渣幾率由拉速1.3 m/min時(shí)的16次增加至拉速為1.67 m/min 的37次；同時(shí)，拉速的提升增加了拉漏現(xiàn)象的發(fā)生幾率。

(2)通過水模實(shí)驗(yàn)確定采用底部為凸型結(jié)構(gòu)的浸入式水口，調(diào)整浸入式水口插入深度為140 mm；浸入式水口合理的參數(shù)為側(cè)孔角度18°，側(cè)孔面積40×80 mm2；水口優(yōu)化后，在實(shí)際連鑄生產(chǎn)過程中，拉速在1.6 m/min時(shí)能夠保證穩(wěn)定生產(chǎn)。