（钢铁冶金专业论文）板坯连铸浸入式水口结构及结晶器流场优化研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 板坯连铸浸入式水口结构及结晶器流场优化研究 摘要 结晶器是连铸生产过程中净化钢质的最后一个环节，其钢水流动形态对夹杂 物的排除、保护渣的卷入、凝固坯壳的形成以及铸坯微观结晶组织等都有较大的 影响。因此，有必要对浸入式水口结构及结晶器流场进行优化研究，以改善结晶 器流场，提高铸坯质量。 本研究以相似原理为基础，通过水模拟实验，对某厂浸入式水口结构和结晶 器流场进行了优化研究。 实验结果表明，浸入式水1 2 1 的浸入深度、拉坯速度等操作参数以及浸入式水 口的底部形状、内径大小、出1 2 1 形状和大小等对结晶器流场有着重要影响。此外， 水口的不对中操作对结晶器流场有显著影晌。水口在结晶器宽面偏心恶化了结晶 器内的流场，对铸坯质量有不利影响；水口出口相对于窄面中心偏转后，改变了 结晶器内流体流动方式，减小了液面波动和流股冲击深度，但可能会改变结晶器 内热流分布。 优化后的水口实验结果表明，铸坯断面2 1 0 1 3 0 0 m m 2 在浸入深度1 8 0 m m 及 铸坯断面2 1 0 1 0 0 0 m m 2 在浸入深度2 1 0 m m 时，可在结晶器内获得理想的钢水流动 形态，满足各拉速条件下的浇铸。但应避免长时间在低拉速条件下浇铸，以防止 水口堵塞。 关键词：水模拟；扳坯连铸；结晶器；浸入式水! s l ；流场 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i m i z a t i o no fs u b m e r g e de n t r yn o z z l e s t r u c t u r ea n df l u i df l o wi nt h em o l d a b s t r a c t m o l di st h el a s tm e t a l l u r g yv e s s e lw h i c hm a k e ss t e e lc l e a ni nt h ep r o c e s so f c o n t i n u o u sc a s t i n g t h ef l u i df l o wi nm o l da f f e c t si n c l u s i o nr e m o v i n g ，s l a ge n t r a p m e n t ， s o l i d i f i e ds h e l lf o r m i n ga n ds o l i d i f i c a t i o ns u u c t u r eg r e a t l y s oi ti sn e c e s s a r yt o o p t i m i z et h es e n s t r u c t u r et oi m p r o v et h ef l u i df l o wi nt h em o l ds oa st oi m p r o v et h e q u a l i t yo fs l a b b a s e do ns i m i l a r i t yp r i n c i p l e ，t h es t r u c t u r eo fs e na n df l u i df l o wi nt h es l a bm o l d w e r eo p t i m i z e dw i t hw a t e rm o d e li nt h i sp a p e r t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ei m m e r s i o nd e p t ho fs e n ，c a s t i n gs p e e d a n dt h es t r u c t u r eo fs e nh a di m p o r t a n t l ye f f e c t e do nt h ef l u i df l o wi nt h em o l d i n a d d i t i o n ，w h e nt h es e nd e v i a t e df r o mt h en o r m a lp o s i t i o n ，t h ef l o wf l u i dw a sa f f e c t e d t h ef l u i df l o ww a sd e t e r i o r a t e dw h e nt h es e nw a sd e f l e c t i v ei nw i d t hw a l lo f t h em o l d ， i tw o r s e nt h eq u a l i t yo fs l a b w h i l et h es e no u t l e t sw e r ed e f l e c t i v ei nt h i c k n e s sw a l lo f t h em o l d ，t h em e a nw a v eh e i g h t ，p e n e t r a t i o nd e p t hd e c r e a s e da n dt h ef l o wp a t t e r nw a s c h a n g e d i nt h em o l d t h eh e a tt r a n s f e rm i g h tb ec h a n g e dt o o t h ef l u i df l o ww a so p t i m i z e du n d e rt h ec o n d i t i o no fv a r i o u sc a s t i n gs p e e df o rt h e s l a bs e c t i o n21o 13 0 0 r a m 2w i t hi m m e r s i o nd e p t h18 0 r a ma n dt h es l a bs e c t i o n 2 1 0 1 0 0 0 r m n 2w i t hi m m e r s i o nd e p t h2 1 0 m m i no r d e rt od e c r e a s et h ec h a n c eo f s e n c l o g g i n g ，t h ec o n d i t i o nw h i c hc a s t i n gs p e e dw a sl o wf o rl o n gt i m es h o u l db ea v o i d e d k e y w o r d s ：w a t e rm o d e l ；s t a bc o n t i n u o u sc a s t i n g ；m o l d ；s u b m e r g e de n t r yn o z z l e ( s e n ) ； f 】u i df l o w i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论 文中取霉导的研究成果除加以标注和致i 身 的地方外，不包含其他人 己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 茸参丈刁 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使 用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同 意。) 学位论文作者签名 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论帚一早焉 下匕 1 1 引言 近年来，中国钢铁工业取得了长足的发展，已成为世界上最大的钢铁生产、 进口和消费国，为国民经济持续、稳定、健康的发展做出了重要贡献。进入2 1 世 纪，中因钢铁工业获得快速发展。2 0 0 4 年中圈产钢2 7 亿吨，比上年增加5 0 4 6 万 吨，同比增长2 2 7 。这不仅使中国钢产量连续9 年位居世界第一，也使中国成为 世界上第一个钢产量突破2 亿吨的国家。但是，我国钢铁行业目前的结构性矛盾 仍然比较突出，一些高技术含量，高附加值的产品仍需从国外大量进口【l “。 今后几年、十几年，是中国钢铁工业充满发展机遇和挑战的时期。我国要实 现“不仅是钢铁大国，还要是钢铁强国”的战略目标，进一步发展高效连铸技术 显得尤为重要。 1 2 连续铸造技术的概况及发展趋势 1 2 1 连续铸造技术的概况 液态金属连续铸造的概念早在1 9 世纪中叶就已提出。1 8 4 0 年s e l l e r s 在美国 申请了连续铸造铅管的专利。1 8 4 6 年b e s s e m e r 采用水冷、旋转双辊式连铸机生产 了锡板、铅板和玻璃板。随后，移动结晶器连续浇注的概念和垂直浇注的立式连 铸法也相继提出。1 9 3 3 年连续铸造的先驱者德国人j u n g h a n s 采用立式带振动结晶 器的连铸机，首先浇注铜铝合金获得成功，使有色合金的连续铸造早在2 0 世纪3 0 年代就应用于生产。4 0 年代，j u n g h a n s 又建成第一台浇注钢液的试验连铸机。当 时就已经开始研究振动的水冷结晶器、浸入式水口和保护浇注等技术，为现代连 铸机奠定了基础。随后相继在美国、英国、奥地利、日本等国建成了中间性试验 连铸机。在2 0 世纪5 0 年代，连续铸造技术仍处于工业试验阶段。6 0 年代，连续 铸造进入了工业应用阶段，许多连铸设备相继问世。7 0 年代，连续铸造技术在能 源紧张的压力下得到了迅猛的发展。8 0 年代，连续铸造技术成为成熟的技术在冶 金工业中得到了广泛采用。9 0 年代，连续铸造技术又掀起了一场新的变革，许多 东北大学硕士学位论文第一章绪论 新的连铸技术被先后提出，部分已处于开发试生产阶段【5 培】。 在连续铸造的早、中期发展过程中，连铸设备和技术的同益完善和成熟，是与 许多新技术的出现分不开的【2 】。其中具有代表性的技术有：( 1 ) 中间包快速更换技 术；( 2 ) 采用钢包回转台实现多炉连浇技术；( 3 ) 结晶器在线调宽技术；( 4 ) 多点弯曲 和矫直技术；( 5 ) 结晶器液面控制和漏钢预报技术；( 6 ) 无氧化浇注技术；( 7 ) 压缩浇 注技术；( 8 ) 轻压下技术；( 9 ) 计算机自动控制技术；( 1 0 ) 气雾冷却、电磁搅拌应用 等。 1 2 2 连铸技术的发展趋势 常规连续铸造技术在钢铁制造方面已经全面取代了模铸，成为占统治地位的 材料生产技术。目前，就总的成品钢材生产来讲，世界上大部分国家的连铸比已 超过9 0 。2 0 世纪9 0 年代后，连续铸造技术的发展出现了一些新的动向，主要表 现在如下几个方面： f 1 ) 高效连铸 高效连铸是指以高拉坯速度为核心的生产率显著高于常规连续铸造的技术。 高效连铸技术的特点体现在“五高”上：高拉速、高品质无缺陷( 特别是无表面缺 陷1 、高温铸坯、高浇速率、高作业率。高效连铸的核心技术是结晶器技术，德国 康卡斯特公司采用凸面结晶器技术( c m t ) ，不仅将铸造速度提高了5 0 1 0 0 ，而 且能在高速下连铸特殊钢；奥钢联和达涅利公司推出的凹面结晶器技术，也表现 出高速连铸的潜力。高效连铸的主要难题是，在高的铸造速度下，铸坯凝固壳减 薄，坯壳与结晶器壁摩擦力增大，易引起漏钢事故；同时，由于浇注速度增大， 恶化了熔池内夹杂物去除条件，铸坯易产生内部缺陷。因此，改善钢水的品质是 实现高效连铸的关键，目前主要从物流管制、钢包、中间包、二次水冷、连续矫 真、低过热度浇注等环节进行改进，并取得了一定的效果【9 j 。 f 2 ) 近终形连铸 近终形连铸是指直接生产出接近产品最终尺寸和形状的连续铸造方式【lo 】。其 目的是减少中间加工工序，节约能源，减少贮存和缩短生产时间，提高生产效率。 近终形连铸最早是开发连铸薄板和薄带技术，随后带动了连铸连轧工艺的开发， 最近几年异形坯的连铸或连铸连轧技术异军突起。目前，最引人注目的是连铸连 # i , ( t s c c d r l 技术。通过不断的探索和改造，已有几种薄中厚板坯连铸连轧工艺 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 新的连铸技术被先后提出，部分已处于开发试生产阶段1 5 i 。 在连续铸造的早、中期发展过程中，连铸设备和技术的日盏完善和成熟，是与 许多新技术的出现分不开的j 。其中只有代表性的技术有：( 1 ) 中间包快速更换技 术：( 2 ) 采用钢包回转台实现多炉连浇技术；( 3 ) 结晶器在线调宽技术；( 4 ) 多点弯盐 和矫直技术；( 5 ) 结晶器液面控制和漏钢预报技术；( 6 ) 无氧化浇注技术；( 7 ) 压缩浇 注技术；( 8 ) 轻压下技术；( 9 ) 计算机自动控制技术；( 1 0 ) 气雾冷却、电磁搅拌应用 等。 1 2 2 连铸技术的发展趋势 常规连续铸造技术在钢铁制造方面已经全面取代了模铸，成为占统治地位的 材料生产技术。目前，就总的成品钢材生产柬讲，世界上大部分国家的连铸比已 超过9 0 。2 0 世纪9 0 年代后，连续铸造技术的发展出现了一些新的动向，主要表 现在如下几个方面： f 1 ) 高效连铸 高效连铸是指以高拉坯速度为核心的生产率显著高丁常规连续铸造的技术。 高效连铸技术的特点体现在“五高”上：高扣速、高品质无缺陷( 特别是无表面缺 陷1 、高温铸坯、高浇速率、高作业率。高效连铸的核心技术是结晶器技术，德国 康卡斯特公司采用凸面结晶器技术( c m t ) ，不仅将铸造速度提高了5 0 1 0 0 ，而 且能在高速下连铸特殊钢；奥钢联和达涅利公司推出的凹面结晶器技术，也表现 出高速连铸的潜力。高效连铸的主要难题是，在高的铸造速度下，铸坯凝固壳减 薄，坯壳与结晶器壁摩擦力增大，易引起漏钢事故：同时，由丁：浇注速度增大， 恶化了熔池内夹杂物去除条件，铸坯易产生内部缺陷。因此，改善钢水的品质是 实现高效连铸的关键，目前主要从物流管制、钢包、中间包、二次水冷、连续矫 直、低过热度浇注等环节进行改进，并取得了一定的效果p j 。 f 2 ) 近终形连铸 近终形连铸是指直接生产出接近产品最终尺q 和形状的连续铸造方式l l 。其 目的是减少中间加工工序，节约能源，减少贮存和缩短生产时间，提高生产效率。 近终形连铸最早是开发连铸薄板和薄带技术，随后带动了连铸连轧工艺的开发， 最近几年异形坯的连铸或连铸连轧技术异军突起。目前，最引人注目的是连铸连 j 筝l ( t s c c d r ) 技术。通过不断的探索和改造，已有几种薄伸厚板坯连铸连轧工艺 # l ( t s c c d r ) 技术。通过不断的探索和改造，已有几种薄中厚板坯连铸连轧工艺 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 相继实现工业化。如德国西马克公司的紧凑带钢生产线( c s p ) 、在线生产带钢线 ( i s p ) ，德国西马克公司、蒂森公司和法国的于齐洛尔公司合作开发的铸压轧制( c p r ) 工艺，奥地利奥钢联的中厚度板坯连铸连轧生产线( c r ) ，意大利达涅利公司的薄 板坯连铸连轧( f t s r ) 工艺，美国蒂平斯公司与韩国三星重工业公司合作开发的t s p 工艺等等。这些连铸连轧生产线虽然有一定的差别，但仍具有一些共同的特点或 优点，即“薄”一大多数为5 0 7 0 m m 厚；“快”一铸造速度可达8 m m i n 以上；“连” 一连铸和轧制连成一体。 2 0 世纪8 0 年代，一种反向凝固连铸薄带的近终形连铸技术在德国提出【1 “。其 基本原理是将一定厚度的热轧或冷轧钢带作为母带，在进入高温流程前，对母带 进行一定的表面处理。低温母带以一定速度由下而上穿过凝固器中一定温度的钢 水，母带使其表面附近的钢水降温，在母带表面的两侧形成新生相凝固层。当钢 带离开钢水表面时，新生相凝固层和母带结合在一起，形成数倍于原母带厚度的 铸带。刚离开熔池时，铸带新生相凝固层的表面还处于半凝固状态，置于凝固器 上方的轧辊对铸带进行表面平整初轧，从而得到表面平整、厚度均匀的连铸薄带， 实现连铸一热轧一冷轧连续在线一次完成。目前该技术尚处于实验研究阶段，但它 是薄带近终形连铸技术前沿性的重要研究方向。 尽管近终形连铸中的许多技术已经或接近实现工业生产，但仍然存在许多有 待研究和解决的问题。从整个近终形连铸技术来看，它们属于中间过渡性技术。 作为近终形连铸的更进一步目标是由钢液直接浇注成2 0 m m 以下至几毫米的薄带 坯。但由于其技术难度比薄板坯连铸的难度还大，目前还处在试验研究当中。 ( 3 ) 连铸坯热送热装( c c d h c r ) 技术 连铸坯热送热装( c c d h c r ) 技术与传统工艺的差别是将一定尺寸、8 0 0 9 0 0 高温的铸坯直接送入与轧机配套的加热炉中i l 。热送热装技术要求各工序严格规 范操作，并且需要配备在线品质判定系统。热送热装技术比传统工艺显著节约能 源、减少金属消耗、提高成材率、简化工艺流程、提高产品品质，目前我国已有 部分厂家采用了该技术。 ( 4 1 连铸高品质钢 连铸高品质钢是指采用连续铸造方式生产那些对清洁性、表面和内部品质要 求特别严格的钢种。日本在2 0 世纪9 0 年代中期提出了一个“超级钢”计划，其 目标是要求钢材的晶粒度达到l 岬以下，力学性能比普通同类钢提高一倍以上【1 。 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 我国也把生产高品质钢的重大基础科学问题列入到了“9 7 3 ”项目中，并取得了重 大的进展。由于目前钢材生产的连铸比已相当高，因此要在高品质钢的生产中取 得重大突破，采用先进的连续铸造技术是其中的关键之一【”1 。高品质钢连铸技术 的开发涉及许多方面，例如钢水的二次精炼技术、钢水离心流动中间包技术、氧 化物冶金技术、防涡旋流技术、电磁制动技术、无弯月面浇注技术、轻压下技术 和在线强制冷却技术等【6 】，其中二次精炼是连铸高品质钢的首要前提。所n - - - 次精 炼是指从转炉或电炉出钢到引入结晶器中的过程中，对钢水所做的处理。二次精 炼主要是控制钢水的成分、温度、时间和清洁度，为连铸高品质钢打下坚实的基 础。 ( 5 ) 连铸复合材料 采用连续铸造方式生产复合材料的设想很早就被提起，并开展了一定的工作。 文献”1 介绍了一种连续铸造复合材料的方法，其特点是在连续铸造过程中，在结 晶器附近施加电磁场，同时浇注不同成分的两种金属液体。并铸造出了外部为不 锈钢，内部为普通碳钢的铸锭。文献【1 6 1 】提出了一种以多流浇注不同成分金属熔 体的连续铸造方式，生产合金成分随铸件截面连续变化的新型梯度复合材料的设 想，并在此基础上成功制备了部分梯度材料，该生产方法的特点是成本低廉，易 于在常规连续铸造生产线上进行改造。采用连铸方式生产梯度复合材料可以有效 地和经济地改善材料的不同部位有不同性能要求这一类问题，并为材料工作者开 发新材料提供新的途径。目前这方面的工作仍处于探索阶段。 近终形连铸、单晶连铸、高效连铸、连铸坯热送热装等先进连铸技术的发展 近年来非常活跃，必将带动一系列新型材料的研制开发。 1 3 我国连铸技术的发展 连铸技术在我国起步较早，其发展经历了起步较早、缓慢发展、引进移植、 自我创新、迅速发展、高效改造等阶段。早在2 0 世纪5 0 年代中期，当连铸技术 尚处于工业性试验阶段，我国就开始了连铸方面的试验性研究工作。1 9 5 7 年第一 台工业性试验铸机在上钢公司设计建成：次年年底，第一台生产性立式连续铸造 机就在重钢三厂投产。进入6 0 年代，中国连铸技术的开发与应用掀起了一股高潮， 突出表现在对弧形连铸技术的开发上。从6 0 年代后期到7 0 年代，我国连铸技术 的开发都是立足于国内，其发展极其缓慢。由于缺乏与国外的技术合作与交流， 一正 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 不能及时有效地借鉴国外的先进经验与技术，我国连铸生产技术与国外钢铁发达 国家的差距明显加大。突出表现在我国铸机装置、操作工艺和相关技术与实际工 业生产要求不相适应。1 9 7 8 年我国连铸坯产量1 1 2 万吨，连铸比仅为3 5 ，而同 期世界连铸坯产量已达1 5 亿吨左右，连铸比约2 1 。改革开放以来，为改变我国 连铸生产的落后状况，国家对发展连铸技术给予了高度重视，先后从国外通过引 进设备、技术转让以及合作制造等方式在国内增建了一批具有国际先进水平的连 铸机。这些高水平连铸机的引进，为我国消化引进连铸技术、提高连铸技术水平 创造了有利条件，大大促进了我国连铸生产技术的发展。8 0 年代后期，我国连铸 技术在“以连铸为中，1 5 , ，炼钢为基础，设备为保证”的生产技术方针指引下，有 了迅猛发展。从1 9 8 9 年起，连铸坯产量的增长成为中国钢产量增长的主要部分。 从1 9 9 4 年起，连铸坯产量的增长超过了钢产量增长的绝对量，带动了中国钢产量 的迅速增长。1 9 9 8 年中国钢铁工业的连铸比达到6 7 ，2 0 0 1 年连铸比超过8 5 7 ， 2 0 0 2 年连铸比超过9 0 【18 屯0 1 。 目前我国连铸技术虽然取得了长足进步，但铸机产量、品种结构、产品质量 及经济效益与发达国家相比还存在较大差距。以品种结构为例，现在国内钢材消 费量的4 6 为包括建筑用材在内的长材，约占国内钢材产量的5 6 ，而占总消费 量4 2 的板材只占生产总量的3 5 。国内生产的长材供大于求，而板材缺口，如 高附加值的家用电器、轿车用薄板、电工钢、镀锌板、不锈钢板等，只能靠进口。 2 0 0 3 年，全国进口钢材3 7 0 0 万吨，其中板材就占了9 0 t2 1 j 。 发展连铸是我国冶会工业进行结构优化的重要手段，将使我国钢材生产的低 效率、高能耗现状得到根本改变，并推动产品结构向专业化方向发展。 1 4 本研究目的、意义及内容 1 4 1 研究目的及意义 合理的浸入式水口结构和连铸工艺参数对于板坯连铸来说具有非常重要的意 义。生产实践证明，结晶器液面的稳定性是影响板坯质量的关键因素，可以通过 优化浸入式水口结构及相应的工艺参数来保证结晶器液面的稳定性。衡量一个水 口优劣的标准，除了要考虑其使用寿命外，还要考虑在一定的工艺条件下能否在 结晶器内形成合理的流场以满足高效连铸的要求。通常可以从以下三个方面对 结晶器内的流场进行评价：液面波动、流股在窄面的冲击位置及强度、结晶内钢 e 东北大学硕士学位论文第一章绪论 液循环区的大小及强度、卷渣情况等。 1 4 2 研究内容 本实验在大量查阅国内外的相关研究资料的基础上，利用水模拟实验来研究 钢水在结晶器的运动规律，对浸入式水口结构参数及相应的工艺参数进行优化。 通过结晶器流场的优化，来防止结晶器保护渣卷入，促进钢水中夹杂物上浮，改 善铸坯质量及提高生产效率。 根据某厂实际应用的浸入式水口结构和相关工艺参数进行优化设计。研究浸 入式水口不同底部形状、内径大小、出口面积、插入深度、拉坯速度等对结晶器 流场的影响，开发出流股穿透深度和涡心高度较浅、结晶器液面波动较为理想的 浸入式水口，以获得较佳的应用效果。 6 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 弟一旱义l 颚三示怂 连铸结晶器是连铸机的核心，它不但是钢水凝固成型部件，而且是整个冶金 过程控制钢材质量的最后一道工序，连铸坯的表面质量、皮下央渣及气孔、内部 夹杂物分布等质量问题及拉漏、保护渣结壳等操作问题都与钢水在结晶器内的行 为有关。为了强调结晶器在提高钢材质量方面的重要性，m c p h e r s o n 在1 9 8 5 年提 出了“结晶器冶金”的概念【2 2 】。目前，结晶器冶金已经受到了广泛的重视。而浸 入式水口除了对钢水进行保护浇注外，还对结晶器内的钢水流动有着重要的影响， 对实现结晶器冶金功能起着决定性的作用，对浸入水口进行优化设计也属于结晶 器冶金的组成部分。 2 1 结晶器和浸入式水口的冶金作用 2 1 1 结晶器的冶金功能 结晶器主要冶余功能有【2 3 】：( 1 ) 通过向结晶器的钢水喂丝可以在结晶器内使钢 水微合金化，对钢水成分进行微调；( 2 ) 结晶器内钢水中的夹杂物一部分随钢水强 制对流被带到钢渣界面，另一部分则被冲击流股带入液相深处。前者能够被保护 渣吸收，而后者能否顺利上浮去除则取决于流股的冲击深度。设计合理的浸入式 水口，能够减小流股的冲击深度，改善结晶器内夹杂物的上浮条件，促进液相中 夹杂物的上浮与排除。( 3 ) 在结晶器内的钢水中加入冷却剂，可以吸收钢水中的热 量，减小钢水的过热度，使钢水的温度保持在液相线附近。这样在凝固时可以改 善铸坯组织，进行凝固组织控制。 总之，结晶器作为连铸生产中的关键设备，在连铸生产中主要起着凝固传热、 表面质量控制和钢液净化的作用。结晶器内的钢水流动应该保证良好的传热，使 凝固坯壳生长均匀和保护渣均匀熔化。同时，应把保护渣带入熔池内部，钢水流 股的冲击深度应有利于夹杂物的上浮。 2 1 2 浸入式水口对结晶器冶金的影响 浸入式水口除了能够对钢水进行保护浇注，防止钢水从中间包进入到结晶器 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 时被二次氧化外，还通过其结构的优化来改变钢水注流在结晶器内的流动状态， 从而减小注流的冲击深度，促进夹杂物在结晶器内上浮；分散钢水带入结晶器的 热量，有利于初生坯壳的均匀生长。因此，对浸入式水口进行优化研究具有重要 的现实意义。 2 2 结晶器流场的基本特征 流场显示结果表明，中间包注流从浸入式水口出口流出后形成很强的射流， 与结晶器窄面碰撞后改变方向，形成向上和向下的两个流股。向上的流股在结晶 器自由表面附近形成一个较强回流，其强弱取决于水口出口倾角、出口面积、浸 入深度和拉坯速度等因素。该回流有利于夹杂物和气泡的上浮去除，并影响自由 表面波动，从而影响结晶器保护渣的铺展情况和保护渣的卷入。向下的流股形成 与上部回流方向相反、范围更大的回流，其强度随向下距离的延伸而减弱。随着 水口出口倾角以及浸入深度的增大，流股同窄面的碰撞位置下移，冲击深度增大， 上、下回流涡心位置整体向下移动，上回流强度明显减弱。这一方面会减小液面 波动、避免保护渣卷入钢水内，但另一方面由于上回流减弱，液面过于平静。不 利于夹杂物上浮和保护渣的熔化。结晶器典型流场如图2 1 所示。 图2 1 结晶器内流场基本特征 f i g 2 1b a s i cf e a t u r eo f f l o wf i e l di nm o l d 有研究还表明，结晶器内的流场并不总是沿中心对称的，这种不对称性称为 8 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 偏流。y e o uh s i nw a n g 认为偏流与水口出口面积和中孔面积比有关，而且随着板坯 宽度增加偏流将变得更加严重1 2 4 】。j h e r b e r t s o n 等认为目前还没有有效的方法控 制偏流【2 5 】。 结晶器表面形成的驻波能够从一边到另一边转换，称为振荡。结晶器内的这 种现象会使结晶器内的保护渣渣层覆盖不均匀，对结晶器传热和润滑不利，高拉 速时还将会导致保护渣卷入到钢水中，对连铸操作的顺行和铸坯质量产生严重影 响。t h o n e y a n d s 等的研究结果认为，结晶器内流场振荡的周期为6 一一8 h z ，相位为 半个周期【2 6 ，27 1 。 2 3 结晶器流场的研究方法 国内外的专家学者在进行结晶器流场的研究时，主要采用以下三种方法，即： 示踪法、数值模拟法和物理模拟法。 2 3 1 示踪法 示踪法是将放射性同位素加入钢水并随着钢水进入结晶器内，同位素由强制 对流进入液相区并随着钢水的凝固分布于铸坯中。取铸坯试样，通过自由射线照 射分析，可以区别出强制对流区、自然对流区、停滞区。该方法比较直观，可信 度商，但费用昂贵，因此应用的较少。 2 3 2 数值模拟法 数学模拟是以理论代数方程和微分方程为基础建立起数学模型，通过求解方 程来定量描述一个方程或个过程的某些方面，它分为机理模型、半经验模型和 输入输出体系模型。近年来，随着数值计算理论的不断深化，计算机辅助软件的 不断发展，数值模拟研究方法在研究冶金的传输过程中发挥着越来越重要的作用。 数值模拟方法对于冶金容器的设计和扩大实验有指导意义，同时对高温流体 的研究比较简单可行，计算机硬、软件的发展为这一研究提供了优越条件，因此 得到了广泛的应用。但用数值模拟方法对流体流动状态进行预测分析后，还需要 用实际冶金过程或试验加以验证，因为数值模拟是建立在对许多重要的边界条件 进行假设的基础上。另外，数值模拟方法需要专业的训练，对计算机软件知识要 求相对较高。 9 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 2 3 3 物理模拟法 物理模拟是建立在相似原理基础上的模型实验研究，它必须保持模型的工作 规律与实型的工作规律基本相似。进行物理模拟实验时，由于可以缩小装置的比 例，使实验费用得以大大降低。物理模拟一般有如下作用：f 1 ) 模型中定量测定的 结果可按一定的关系用于真实体系的描述，直接为优化工艺过程或开发新工艺流 程提供依据；( 2 ) 帮助了解研究过程的物理特征，以正确处理数值模拟时的简化项、 源项及边界条件等的设定；( 3 ) 验证数值模拟的结果，使数学模型不断完善，以达 到尽可能逼真的描述真实体系的目的。 在结晶器内流场的物理模拟中，大多采用的是水模型。水模型中采取的研究 方法有：观察法、高速照相法、刺激响应法和测速法。测速法又有频射照相法、 激光测速法、高速摄影法。物理模拟法简单便宜，实验现象非常直观。缺陷是小 比例模型的实验结果容易失真，有些物理量的测量比较困难，误差较大。 在结晶器内流场的优化研究的模拟过程中，数值模拟和物理模拟都具有重要的 作用，它们都可以对浸入式水口结构和结晶器流场进行很好的优化。考虑到数值 模拟和物理模拟各自的特点，国内外大批冶金工作者利用数值模拟和物理模拟相 结合的方法，对结晶器的冶金过程开展了大量的研究工作，取得了许多有重要价 值的成果【28 1 。数学物理模拟的研究不仅揭示了许多结晶器内的基本现象及内在规 律，而且在连铸生产的系统优化、新工艺的开发中起着越来越重要的作用。因此， 掌握和利用数学物理模拟研究方法是今后冶金学研究的重要内容之一。 2 4 结晶器流场优化的目的 结晶器冶会是控制钢材质量的最后一道重要工序，因此研究其内部钢水的流 动行为非常重要。结晶器内不合理的钢水流动，会导致铸坯产生许多无法去除的 缺陷，如铸坯内部的气泡和夹杂物、保护渣的卷入、表面缺陷及拉漏、保护渣覆 盖及弯月面“搭桥”等问题。所有这些都与钢水在结晶器的流动行为有关，优化 的目的就是获得合理流场，从而减少或消除上述问题的出现。图2 2 为几种常见的 与结晶器内钢水流动有关的铸坯缺陷 2 9 1 。 1 0 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 ( a ) 气泡( b ) 皮f 夹渣( c ) 表面缺陷 图2 2 儿种常见的铸坯缺陷 f i g 2 2d e f e c t si ns t e e ls l a b ：( a ) a r g o nb u b b l et r a p p e db e n e a t ho s c i l l a t i o nm a r kh o o k ；( b ) s l a b s u r f a c ei n c l u s i o n ；( c ) s e v e r et r a n s v e r s ed e p r e s s i o nd e f e c to nab l o o ms u r f a c e 2 41 防止保护渣卷入 在实际连铸时，结晶器熔池表面覆盖着一层保护渣，不仅可以起到隔绝空气、 防止钢水二次氧化、绝热保温和吸收钢中夹杂的作用：而且熔融保护渣在结晶器 壁与凝固的坯壳之问形成渣膜，起润滑作用，从而减小了拉坯阻力，防止“粘结” 漏钢事故的发生，同时还可以改善铸坯传热条件，提高铸坯表面质量。 不合理的结晶器流场会将保护渣卷入到熔池内部，卷入的渣滴有可能重新上 浮至钢一渣界面，也有可能被凝固的坯壳前沿捕捉，形成皮下夹渣，恶化铸坯质量。 结晶器内保护渣的卷入机理根据其在结晶器部位不问而分为结晶器窄面卷渣和水 口附近卷渣。 图2 3 结晶器窄面卷渣示意图 f i g 2 3s c h e m a t i co f s l a ge n t r a p m e r i tn e a rn a r r o ws i d eo f m o l d 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 在结晶器窄面附近，由于表面流体的不稳定流动，将保护渣卷入钢水。wh e m l i n g 等通过水模型，研究了该种卷渣机理 3 0 1 。研究结果表明：水口出口流股与 结晶器窄面碰撞后，形成上、下两个回流。上回流流股沿窄面向上运动，造成弯 月面附近的钢水面波动。钢水由窄面向水口方向流动时在钢一渣界面产生剪切作 用，使部分保护渣在流股方向上延伸。在浮力的作用下，液渣层产生径缩和翘曲。 最终在两股力的进一步作用下，径缩处的渣层厚度越来越小，断裂形成液渣滴被 卷入钢水。其卷渣过程如图2 3 所示。 产生结晶器窄面卷渣的条件可用式( 2 1 ) 表示川，即 譬 妒等+ 一p ；) g r ( 2 1 ) 凡 式中v 一钢水表面回流速度，m s ； 口一钢水的密度，k g m 3 ； 凤熔渣的密度，k g m 3 ； g 一重力加速度，m s 2 ； 月一渣滴半径，m ； 口一渣滴表面能，1 m 2 ； r 一钢水回流对熔渣的剪切力，p a 。 由式( 2 1 ) 可知，随着钢水表面回流速度的增大，卷入钢水中的渣滴粒径增大； 而对相同粘度的保护渣，钢水回流的表面速度越小，越不易卷入保护渣。 浸入式水口附近保护渣的卷入根据其机理又可分为回流卷渣、旋涡卷渣和钢 渣界面扰动卷渣三种情况。 当浸入式水口插入深度过浅而拉坯速度较低时，侧孔流股冲击不到结晶器窄 面，流股上回流流到水口侧面附近，其向下的分速度把保护渣卷入钢水，被水口 流股捕捉，进入结晶器内形成卷渣，在液面波动过大时也会出现这种情况。文献 指出阢3 2 】，水1 3 浸入深度不得小于3 0 m m ，在现场实际操作中考虑到渣层、控制等 因素的影响，插入深度应大于1 0 0 m m 。 旋涡的形成主要有三种观点：( 1 ) 认为旋涡是由于水1 3 对中不良、水口堵塞或 水1 3 因冲刷侵蚀造成水口两侧流股出口速度和方向不对称，产生偏流引起的【3 3 】； ( 2 ) 旋涡是由于两股朝浸入式水1 3 的流动表面回流相互作用引起的：( 3 ) 旋涡是由 两股表面回流在旋涡穴处存在的旋流分量和沿旋流轴向的向下流动分量的结合而 1 2 东北大学硕士学位论文第二章文献综迷 产生的。 在连铸生产过程中，通过增大水口浸入深度、控制吹氩量、改变保护渣粘度、 加强结晶器液面高度监控、调整拉坯速度或采用电磁制动等措施可减弱或避免结 晶器卷渣的发生。 2 4 2 合理的结晶器液面波动 钢水经浸入式水口进入结晶器，在其中注流分散，引起结晶器液面波动。结 晶器液面波动影响保护渣的冶金热力学行为、结晶器传热以及铸坯凝固成型，进 而影响铸坯质量。液面波动过于平静，传递到渣一钢界面的热量不足，化渣不良， 保护渣不易起到吸收夹杂和润滑坯壳的作用；而液面波动过于剧烈，则会导致卷 渣现象的发生。有研究资料认为，铸坯缺陷有7 0 与结晶器卷渣有关 3 0 , 3 5 】。 jk u b o t a 通过研究认为，当波高为5 9 m m 时，铸坯表面缺陷发生几率最低。 为对结晶器液面波动进行定量研究，在其研究中引入了结晶器液面波动函数f 。 其表达式如式( 2 2 ) 所示： f ：p q v m ( 1 - s i n 口) f 2 2 1 4 d 式中 p 一液体密度，蝇，m 3 ； q 一流体流量，m 3 s ； v 。，一水口流股到达窄面时的速度，m s ； 口一流股同窄面的碰撞角，度： _ d 一碰撞点到液面的距离，m 。 研究认为波高同液面波动函数f 之间呈线性关系，当f 值处于3 5 范围时， 可得到较为理想的液面波动状态3 7 1 。 结晶器液面波动与浸入式水口结构以及连铸工艺操作参数密切相关，因此优 化浸入式水口结构和相关操作工艺参数，稳定连铸操作或采用电磁制动等措施有 助于控制液面波动，提高铸坯质量。 2 4 3 促进坯壳均匀生长 结晶器内钢水流动状态对凝固坯壳的均匀生长有很大影响，从水口出口出来 的高温钢水与结晶器窄面坯壳相碰撞，将热量传给坯壳，会产生热点甚至使其重 1 3 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 熔，并且上、下回流流股冲刷坯壳使其产生不均匀生长，薄弱之处易出现裂纹， 严重时导致拉漏事故。此外，结晶器壁和渣膜之间形成的不均匀气隙对坯壳的均 匀生长影响很大，而且钢水流动速度和过热度的增加也会导致坯壳生长的不均匀 性。 为保证坯壳的均匀生长，耍保证流胶合理的冲击深度和冲击压力，而这些都 取决于浸入式水口结构及操作工艺参数。 2 5 结晶器流场的优化方法 结晶器流场的优化方法或手段主要有吹氩法、电磁法和浸入式水口结构及连 铸操作工艺参数优化法。这些方法对结晶器流场的影响具有各自的特点，单一应 用时很难满足现场生产的要求，实际生产中要根据需要组合使用。 2 5 1 吹氩气 吹氩主要是指通过塞棒或滑动水口向浸入水口中吹入氩气防止空气吸入的技 术”。该技术目前不仅用来防止水口堵塞，还具有其它冶金效果。水模型结晶器 中的气一液两相流如图2 4 所示。 图2 4 结晶器中的气一液两相流 f i g 2 4t w o - p h a s ef l o wo f w a t e rm o d e la tt h eo u t l e to f t h es e n b g t h o m a s 等通过研究指出，吹入氩气能够强化搅拌，均匀结晶器内钢水 成分和温度，使上部回流中心上移，促进加杂物上浮以及改善铸坯质量，对结晶 器下部流场影响较, i n 3 9 , 4 0 。 雷洪等通过研究水口吹氩对结晶器弯月面波动的影响，认为从水口吹入氩气 1 4 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 能明显改变结晶器内流场状态，加剧结晶器液面波动【4 “。 张炯明等指出从水口上部吹气管吹入的氲气，聚集在水口附近的一定区域， 有利于减少弯月面附近钢水的死区，防止该区域温度过低，且气泡不会被带到结 晶器的下部，使之形成气孔，影响铸坯的质量【4 ”。如果吹气量过大，结晶器上部 的钢水流速很大，造成弯月面的扰动加剧，甚至引起钢水喷溅。 浸入式水口吹氩能有效地防止水口结瘤以及钢水从钢包流至结晶器过程中的 二次氧化，而且进入结晶器中的氩气还能起到减小出口流股的冲击压力、搅拌钢 水、均匀其成分和温度、促进钢水中夹杂物上浮去除的作用。但吹氩也会破坏渣一 钢界而造成液面波动加剧，导致渣钢界面扰动卷渣现象的发生。应通过优化设 计柬确定与连铸工艺参数相配合的合适的吹气量。 2 5 2 电磁技术 电磁技术应用于连铸过程的实质是借助在铸坯液相穴内感生的电磁力强化液 相穴内钢液的运动，由此强化钢液的对流、传热和传质过程，产生抑制柱状晶发 展、促进成分均匀、夹杂物上浮细化、分布均匀的热力学和动力学条件，进而控 制铸坯凝固组织，改善铸坯质量。按照其冶金功能分可分为电磁搅拌和电磁制动。 ( 1 ) 结晶器电磁搅拌 电磁搅拌技术应用于连铸生产促进和推动了高效连铸技术的进步【4 引。结晶器 电磁搅拌加一决了钢液流动速度，可以从钢液中排除一部分气体，从而减少铸坯表 面和皮下气孑l 【4 。日本神户钢公司采用结晶器电磁搅拌后，铸坯清理率由2 0 2 5 下降到2 3 ，金属收得率从9 4 提高到9 7 ，清理损耗减少了3 1 4 5 1 。 在结晶器部位加电磁搅拌后，结晶器内形成的铸坯凝固壳厚度较为均匀一致， 这不仅可以防止铸坯产生表面裂纹和减少拉漏事故，而且可以提高铸机拉速和产 量【4 。结晶器内凝固坯壳形成初期，由于凝固速度快，一部分夹杂来不及上浮被 坯壳捕捉形成缺陷。通过结晶器部位的电磁搅拌，加快结晶器内钢水流动速度， 夹杂物在离心力的作用下上浮到弯月面并被保护渣吸收【4 ”。 由于搅拌运动使钢水产生循环流动，改善了从铸坯中心至表层的传热，加速 了结晶器内钢水过热的耗散。并且由于搅拌所产生的流动钢水充满铸坯液相穴， 最终在铸坯内部以细等轴晶凝固，提高了铸坯凝固组织中的等轴晶率，尤其是靠 近铸坯表层区域，晶粒明显细化。同时，结晶器电磁搅拌使结晶器中钢水温度变 1 5 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 得均匀，允许钢水有较高过热度浇铸4 8 ，4 们。 应用结晶器电磁搅拌时存在的主要问题有：可能增加卷入结晶器保护渣的机 会，使铸坯夹杂物含量增加；直接影响结晶器液面的检测效果；难以改善高碳钢 的中心碳偏析等 5 0 1 。 另外，有研究者对浸入式水口处加电磁搅拌的冶金效果进行了模拟研究，认 为浸入式水口处加电磁搅拌技术，能使铸坯组织得到改善，同时又可降低浇铸温 度，解决了在整个连铸过程中低过热度下连续浇注水口的堵塞问题【5 l 】。日本某实 验室采用浸入式水1 5 修正法( 浸入式水口外加旋转磁场) ，使浸入式水口附近的钢水 产生涡流运动，最大钢水流速比无涡流时减少2 5 【5 2 】。与结晶器电磁搅拌技术相 比较，浸入式水口处加电磁搅拌技术设备简单，投资相对减少。但浸入式水口处 加电磁搅拌技术目前还只是处于实验室条件下研究阶段，没有实际应用的相关报 道。 犯) 电磁制动 电磁制动的基本原理是利用水口两侧流出的流股切割磁场产生感应电流在钢 水内部形成回路，该感应电流与磁场相互作用产生磁力，其方向与流股方向相反， 从而制动流股使其减速1 5 。 电磁制动技术的冶金功能主要有：采用电磁制动可以显著降低弯月面处钢水 速度，使弯月面更为稳定，有利于防止弯月面处卷渣：电磁制动缩短了非金属夹 杂物在结晶器内的运动路径，有利于非金属夹杂物上浮；与电磁搅拌技术相结合 可大幅度提高铸坯凝固组织中的等轴晶率，使晶粒细化，并能够基本消除中心疏 松、缩孔等内部缺陷【5 4 。 目前，电磁场作为一种改善铸坯质量的有效手段，尤其是结晶器电磁搅拌技 术已成为连铸关键技术的重要组成部分，得到广泛重视，被越来