（钢铁冶金专业论文）薄带双辊连铸气体侧封的模拟研究.pdf

上海人学硕+ 学位论文 摘要 近年来，人们探索利用气体对连铸中液态金属进行约束成形，并逐渐发展 出有色会属( 如铝) 的气膜连铸技术，所生产的铸坯表面光滑无缺陷。现有的 气膜连铸技术是利用气体的静压力约束液体金属。实际上，利用气体的动压力 亦有可能进行液态金属约束成形。本文探索利用流动气体对液态金属表面的动 压力实现会属薄带双辊连铸中的侧封。 为实现气体对液念金属的约束成形，本文首先进行了喷吹气体封堵容器中 水和水银的实验，考察了喷嘴形状、喷吹气体量、喷嘴至缝口距离等参数对液 体封堵高度的影响。在实验室中实现了水和水银封堵，得出封堵高度与气流压 力等参数的经验公式发现随喷气量的增加和喷嘴至缝口距离的减小，封堵高 度迅速增加。 其次，本文通过有限体积法和s i m p l e 算法，并采用标准女一s 双方程湍流 模型，求解雷诺时均n a v i e r - s t o k e s 方程，数值分析了两种不同喷嘴下流场的分 郝，得到流场中的基本物理现象和压力、速度等重要特性参数的分布。通过理 论计算对实验结果进行了验证。 最后，根据喷吹气体封堵容器中水和水银的实验，对薄带双辊连铸气体侧 封问题进行了物理模拟实验。实验中，设计了带有弧形缝口的容器和两种相应 的喷气装置，研究了其出口压力分布，并进行了气体侧封实验，实现了对一定 高度的液态介质的封堵。 关键词薄带双辊连铸喷气封堵 圭墨查堂堡主堂生笙壅 a b s t r a c t i nt h er e s e n ty e a r s ，m o l t e nm e t a lr e s t r a i n i n ga n ds h a p i n gi nc o n t i n u o u sc a s t i n g w i t hg a s f i l mo rg a s - j e t t i n gi s d e v e l o p i n g ，a n di tc a nb ep r e s e n t e dt h eg a s f i l m c o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g yo fa l u m i n u m ，i nw h i c ht h es u r f a c eo ft h eb i l l e ti s s m o o t ha n dn od e f e c t s f o rt h em o l t e nm e t a l sr e s t r a i n i n ga n ds h a p i n gi nc o n t i n u o u s c a s t i n gw i t hg a s - f i l m ，i ti su s e dt h es t a t i cp r e s s u r eo fg a s i nf a c t ，t h ed y n a m i c p r e s s u r eo fg a s - j e t t i n gc a na l s ob eu s e dt ot h em o l t e nm e t a lr e s t r a i n i n go rs h a p i n gi n w h i c ho n e s i nt h i sp a p e r , i tw a si n v e s t i g a t e dt de x p l o r et h ec o n t a i n m e n ti nt w i n - r o l l c o n t i n u o u sc a s t i n go fs t r i pw i t ht h ed y n a m i cp r e s s u r eo fg a s - j e t t i n g i no r d e rt oe x p l o r et h ep o s s i b i l i t yo fc o n t a i n i n gm o l t e nm e t a li nab o xb yg a sj e t ， ae x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tw i t hw a t e ra n dm e r c u r y t h ew a t e ra n dm e r c u r y c o n t a i n e di nab o xw i t hal e a po nt h ew a l lo fb o xw e r es e a l e ds u c c e s s f u l l yb yg a s j e t t e dt o w a r d st ot h el e a p i tw a si n v e s t i g a t e dt h a tt h ei n f l u e n c eo ft h ef i g u r a t i o no f n o z z l e ，g a sf l u x ，a n di n t e r s p a c i n gb e t w e e nt h ew a l la n dg a sn o z z l eo nt h eh e i g h to f l i q u i ds e a l e di nt h eb o x i ti ss h o w nt h a ta l o n gw i t hi n c r e a s eo ft h eg a sf l u xa n d d e c r e a s eo ft h ei n t e r s p a c i n g ，t h eh e i g h to fl i q u i dc o n t a i n e di nt h eb o xi n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y b a s e do n t h ee x p e r i m e n t a l d a t a ，r e g r e s s i n gf o r m u l a sa b o u tt h i s i n f l u e n c ew e r eo b t a i n e d n a v i e r - s t o k e se q u a t i o nw a ss o l v e db ym e t h o do ff i n i t ec a p a c i t ya n ds i m p l e a l g o r i t h m ；t h ed i s t r i b u t i o no ff l o wf i e l do ft w od i f f e r e n tn o z z l ew e r en u m e r i c a l a n a l y z e db yn o r m a lk 一占t u r b u l e n tc u r r e n tm o d e l ，t h e r e f o r et h ed i s t r i b u t i o no f g a sp r e s s u r ea n dt h ev e l o c i t yo ff l o ww e r eo b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r e c e r t i f i c a t e db yt h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o n a c c o r d i n gt oi n v e s t i g a t i o no nc o n t a i n i n gm o l t e nm e t a li n ab o xb yg a sj e t ， e x p e r i m e n t a le x p l o r a t i o no fg a s - j e t t i n gt e c h n o l o g yo f t w i n 。r o l lc o n t i n u o u sc a s t i n go f s t r i pw a si n v e s t i g a t e d u s i n gs e l f - d e s i g n i n gc o n t a i n e ra n dt w os p r a y i n g d e v i c e w h i c hh a v ec u r v e ds p l i t t h ed i s t r i b u t i o no fp r e s s u r eo ft w os p r a y i n gd e v i c ew e r e r e s e a r c h e d t h ec o n t a i n i n ge x p e r i m e n to fc u r v e ds p l i tw i t hg a s - j e t t i n g w a s i n v e s t i g a t e d ，a n dd e f i n i t eh e i g h to f m e d i u m w a sc o n t a i n e ds u c c e s s f u l l y k e yw e r d s ： s t r i p ，t w i n r o l lc o n t i n u o u sc a s t i n g ，g a s j e a i n g ，c o n t a i n m e n t 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：隧：垒：焦日期蚯堕：! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名日期 上海火学硕十学位论文 第一章序言 薄带双辊连铸技术以其短流程、高材料收得率、高能源利用率和低生产成 本而为人瞩目，可望部分取代传统的厚板坯连铸一开坯热轧技术，成为钢铁工 业中有技术和经济优势的一项新技术飞跃。但仍然存在着诸多问题亟待解决， 比如，在快速凝固下如何保持薄带的表面质量均一、稳定，如何改善铸带头尾 及边部质量以提高产品的成品率，如何提高铸带的宽度以与热轧带材相抗衡， 铸辊的两端如何低成本、高效率地侧封，等等。在这些问题中，侧封技术是双 辊薄带连铸技术中最关键的技术之一，其成败直接关系到薄带连铸技术生产能 否连续、稳定并且低成本地运行，并最终决定该技术能否大规模地应用于工业 生产。所以，双辊薄带连铸技术中的侧封技术一直是此领域的研究热点。 在现有的侧封技术中，目前研究较多的是采用固体侧封板侧封和电磁侧封 技术，但是存在着昂贵侧封板的消耗、设备复杂、电功率利用极低等问题。近 来发展的气体约束技术，使用气体润滑铸坯的摩擦，生产的铸坯表面光滑，内 部组织均匀，机械性能好等。这是一个很有启发的技术，说明利用气体的压力 可实现液体会属的约束成形，进而进行双辊薄带连铸气体侧封技术的探索。本 文主要针对气体约束液态金属成形方面进行了基础实验研究，全文共分五章， 第一章对本文的研究背景、研究目的等进行简要介绍；第二章对连铸相关研究 的进展情况进行综述。第三章是本文在实验的基础上，对气体对液态水和液态 金属的封堵约束进行了研究，结果成功封堵约束住了液态水和液态会属，这将 为双辊薄带连铸技术的侧封问题提供一种潜在解决方案。第四章是用f l u e n t 计 算软件对第三章的实验结果进行了理论分析和验证。第五章对双辊薄带连铸气 体侧割技术进行了实验探索。第六章是本论文的结论。 上海人学硕十学侥论文 第二章文献综述 2 1 连铸技术的发展概况 液态金属连续铸锭的概念早在1 9 世纪中期就已提出。1 8 4 0 年美国的s e l l e r s 获连铸铅管的专利。1 8 4 6 年转炉的发明者b e s s e m e r 就使用水冷旋转双辊式连 铸机生产锡箔、铅扳和玻璃板，这一革命性的想法直到今天还吸引着众多研 究者的兴趣。 1 8 7 2 年美国d a v e l l 就提出移动结晶器连续浇注的概念t 2 1 但底部敞口固定 结晶器为特征的常规连铸机的最早提出者应该是美国的b a t h a ( 1 8 8 6 年) 和德国 的r m d a e l e n ( 1 8 8 7 年1 n 1 。前者采用一个底部敝口、垂直固定的厚壁结晶器并 与中问包相连，施行间歇式的拉坯；后者采用固定式水冷薄壁铜结晶器，施行 连续拉坯，二次冷却，并带飞剪切割等装置，这被认为是最接近现代连铸方式 的早期尝试。 在以后的很长一段时间内，尤其是在1 9 2 0 1 9 3 5 年间，连铸过程主要应用 于有色盒属，比如铜和铝的生产中。铸机本身仍然以垂直固定的结晶器和低的 浇注速度为特征，液相穴的长度很少有超过结晶器的。这些对于有色金属工业 中使用的比较小的炉容量来说，铸机的浇注能力是足够的。但相对于有色金属 工业来说，炼钢生产中通常使用大的炉容量，同时钢具有非常高的浇注温度和 本身比较低的导热能力等特性。如何在保持较高浇注速度的同时，又保证连铸 过程的稳定，避免铸坯从结晶器拉出时，薄弱的坯壳被撕裂，是连铸技术从有 色金属走向钢铁工业的征途中必须解决的一个关键问题。 在众多的早期尝试之后，从2 0 世纪5 0 年代开始，连续铸钢技术逐渐地步 入工业化生产。与传统的模铸相比，连铸具有以下突出优点：如提高金属收得 率：节省能量消耗；易于实现机械化和自动化，生产效率高：铸坯质量好，易 于加工等。因此，该技术迅速得到了推广和应用，成为继氧气炼钢之后钢铁工 业中最熏要的进步之一。 连铸技术从早期尝试发展到今天的现代化生产，大致经历了如下几个过程 ”：本i 目：纪4 0 年代的试验丌发、5 0 年代丌始步入工业化生产、6 0 年代弧形 上海人学硕士学位论文 铸机的出现、7 0 年代由能源危机推动的大发展、8 0 年代日趋成熟的技术和9 0 年代面临场新的变革。 常规的连铸技术在8 0 年代就已经同趋成熟，铸机的生产能力和产品质量都 可得到较为稳定和可靠的保证，因此，这一时期也是连铸技术发展最为迅速， 各国都纷纷大力推广应用。连铸比成为一个国家钢铁工业综合水平的一个重要 指标，也是一个国家钢铁行业竞争力的一个衡量尺度。在2 0 世纪9 0 年代，不 少工业发达国家的连铸比已接近1 0 0 皓63 。图2 1 是7 0 年代以来主要产钢国 家连铸比增长的情况。到2 0 0 0 年，r 本与欧共体的连铸比分别为9 7 3 _ 币e 1 9 6 3 ，美国紧随其后，为9 1 。这些国家的非连铸产品都只限于压铸和一些 难以连铸的特殊钢上面。低连铸比的国家，比如东欧、前苏联和印度等，由于 没有针对性的政策，在连铸技术方面明显落后，而成为连铸设备制造商的潜在 市场，其常规连铸技术的普遍推广应用还需假以时同”1 。 柙 基 螳 蜊 年分 图2 1 世界主要产钢国家连铸比 1 辨 9 0 8 d t 0 6 0t b 。翟 0 捌 t $ * 9 1 9 m 1 1 蒋q 1 9 9 2 钳 1 日1 撕 闰2 , 2 我国钢产颦雨i 连铸比 篙 ：嚣 弋嚣 基，。 i6 0 勰 3 0 ： 0 日a 5l _ 盯1 9 5 90 0 1 1 9 9 39 诣l 1l 口9 92 l 圈2 3 我国全连铸钢厂发展晴况 我幽对连铸技术的丌发较早，自2 0 世纪5 0 年代中期起步，经历了“艰难 蛇如”们如加如0 上海人学硕士学位论文 发展、引进移植、自创体系、快速发展和高效改造”等阶段。从1 9 5 8 年到1 9 8 0 年间仅建成2 5 台连铸机，这期间的发展缓慢而曲折。直到1 9 8 8 年全国第一次 连铸工作会议上冶金工业部确定了“以连铸为中心，以炼钢为基础，以设备为 保证”的基本方针我国钢铁行业的重点彳由炼钢转向连铸，连铸技术的发展 速度明显地加快了。图2 2 和2 - 3 表明了我国钢产量、连铸坯产量和连铸比及全 国全连铸钢厂的发展情况1 8 1 。2 0 0 0 年我国连铸比已达到8 2 8 ，接近世界平均 水平。 近年来，由于钢铁工业受到环境保护、替代材料的竞争和成本限制等系 列挑战，连铸技术也必须向更高水平冲击。连铸技术未来的发展方向和目标主 要有： 1 近终形连铸( n e a r n e t - s h a p e ) ，这是连铸技术的基本发展趋势。它力求 浇铸尽可能接近最终产品尺寸的铸坯，以便减少中间加工工序、节省能 源、减少储存和缩短生产时间； 2 、高速浇铸，以提高铸机的生产效率； 3 连铸高质量钢( 如高清洁度、表面质量与内部质量均达到要求) ，以满 足对产品质量不断提高的要求。 在众多的连铸工艺中，双辊薄带连铸技术以及电磁连铸技术近来引起了工 业界的广泛关注，其连铸技术不断地得到完善。 2 2 双辊薄带连铸技术 薄带双辊连铸技术是以液态金属为原料，以反向旋转的两个水冷铸辊为结 晶器，将液态会属直接浇铸于转动的铸辊辊缝中结晶凝固，并施加轧制压力进 行塑性加工变形，使液念金属到薄板带材的成型过程一次完成。薄带双辊连铸 技术以其短流程、高材料收得率、高能源利用率和低生产成本而为人瞩目，可 望部分取代传统的厚板坯连铸一丌坯一热轧技术，成为钢铁工业中有技术和经济 优势的一项新技术飞跃t 9 - 1 2 1 。 与传统的厚板坯连铸连轧技术相比，薄带双辊连铸技术有如下一些技术优 势和特点： ( 1 )薄带双辊连铸所生产的薄带坯料的厚度通常只有2 - 4 r a m ，因而 可以省去整套带钢热轧机组，取消了热连轧及其相关的加热过 上海人学硕十学1 ：i 7 = 论文 程，大幅度节省能源( 仅为传统工艺的2 5 3 1 ) ； ( 2 ) 省去r 切头、丌坯等一些常规工序，并对冷轧设备要求降低； ( 3 ) 将凝固与塑性成型合二为一，大幅度的缩减了钢铁薄带生产的工 艺流程3 ，从而减少了c 0 2 、s 0 2 ，n 0 x 等有害气体的排放量，并 降低投资成本( 约为传统工艺的7 7 孙) ，且生产灵活； ( 4 )该技术适用于生产装潢、餐具、电器外壳等对机械性能要求相对 较低，但产品市场需求量大的不锈钢、铜、铝合余等薄板或薄带； ( 5 ) 在生产l l o m m 厚的薄带钢方面具有独特的优越性1 图2 4 是薄带双辊连铸技术与传统的厚板连铸一热轧工艺生产流程的比较 15 - 1 6 1p 由图可见，薄带双辊连铸比传统的厚板连铸的生产线大大缩短，浇注速 度和冷却速度大幅度提高。薄带双辊连铸对于节省能源、快速生产，降低生产 成本具有重大意义。 由于上述技术优势，国内外自上世纪8 0 年代以来，纷纷开展此项技术实验 和开发研究( 冷却铸辊形式的设计，侧封板材料的选取及结构设计，侧封板顶 紧装置的实验研究，铸辊传热数学模型的建立等) ，部分国外大公司并且进行了 一些规模往工业试验和试生产。 冷却速度( k s e e 幽2 4 薄带迮铸丁传缆1 ：艺的比较 新f 铁的带钢连铸机设在光厂，于1 9 9 7 年投产。现已浇注奥氏体不锈钢， 最大宽度为t 3 3 0 m m ，但最终还要将钢带边部去除1 0 m m 。带钢连铸机铸辊为不 锈钢制作的空心水冷辊，在铸轧辊的两侧用陶瓷侧挡板封闭。据新日铁的报告， 圭塞盔望堡主堂堡笙苎 目前该连铸机生产3 0 4 不锈钢已达到最多可连浇4 个6 0 t 钢包的水平。但其连 续生产的成本要高于传统工艺7 1 。 欧洲的e u r o s t r i p 连铸机设在克虏伯蒂森不锈钢公司，是蒂森克虏伯公司、 阿塞勒公司和奥钢连工程公司的合作项目，于1 9 9 9 年9 月开发。目前可以生产 3 0 4 不锈钢带，生产过程全部在惰性气体中进行但生产成本也比传统工艺商 【1 7 ， 美国纽柯公司克劳福兹维尔( c r a w f o r d s v i l l e ) 厂建有c a s t r i p 设备，该设备 最初是澳大利亚b h p 公司和日本i h i 公司共同研制的，2 0 0 0 年纽柯公司加入了 此项_ 丌发，2 0 0 2 年5 月投入运行，但由于修边，还将裁剪2 5 m m ，此生产线尚 未达到试生产阶段1 1 7 1o 国内上海钢铁研究所于1 9 9 8 年研究并设计了薄带双辊连铸机械侧封装嚣， 并在试验中生产了少量带钢，在生产现场观察到带钢表面出现夹渣缺陷、边部 缺陷，尚不能稳定生产，原因可能是由于陶瓷侧封板的磨损及热变形剥落颗粒 融入钢液中。 从目前国内外对薄带双辊连铸的研究、试验和试生产的情况分析，该技术 在生产和应用方面尚存在几个难点问题有待突破，如： ( 1 ) 薄带的非平衡态凝固和铸念组织( 经常为对穿的柱状晶) ； ( 2 ) 金属液面的波动和搅动； ( 3 ) 连铸辊端的钢水侧封问题：侧封的方式、侧封档板材料、侧封板表 面耐磨和润滑处理工艺等： ( 4 ) 凝固带坯的卷渣问题。 在薄带连铸过程中，钢水通过浸入式水口进入由两个水冷辊和两个侧封坝 围成的熔池区，经过包括轻微轧制在内的复杂凝固过程成为薄带，侧封是否严 密封住钢水以及侧封板的材料、结构等因素将童接影响薄带质量1 18 1 , 在国外发 达国家的薄带连铸技术刀：发过程中都投入了大量的人力、财力研究和试制各 种不同类型的侧封机构。目前研究较多的是采用固体侧封板侧封和电磁侧封。 上海火学硕十学位论文 2 3 薄带双辊连铸的侧封技术 2 3 1 薄带双辊连铸固体侧封板技术 所谓侧封，是在薄带双辊连铸机中，为了防止钢水从辊的两端溢漏而设计 的密封装置。在薄带连铸过程中，钢水通过浸入式水口进入由两个水冷辊和两 l 一水冲射品辊2 一t 州岜 j 一水i 4 一例封般5 - - f ，i 累骚= 爵：6 一侈础装置 图25 薄带连铸固体侧封板装置示意图 个侧封板围成的熔池区，经过包括微轧制在内的复杂凝固过程成为薄带，侧封 是否严密封住钢水以及侧封板的材料、结构等因素将直接影响薄带质量1 1 9 1 。目 6 口国内外薄带连铸研究开发中用得最多的是固体侧封板，固体侧封板主要由侧 封板和顶紧装置组成，如图2 5 所示 2 0 1 。 在浇铸过程中，侧封板受到如下一些力的作用：在水平方向上，有熔池内 钢水的静压力n 、铸带的轧制展宽力p 2 、铸辊端面的反作用力乃及侧封装置 的顶紧力f ；在垂直方向上，有重力g 、辊端面摩擦力，以及侧封装置向上的 托力n 的作用。作用力的平衡式为： 只+ 只+ r = f ( 1 ) f + g = f( 2 ) 由( 1 ) 式可知，当顶紧力f = 只+ 只时，侧封板处于无摩擦状态( 此时 如= 0 即辊端面对侧封板无证压力，因而也无摩擦力) ，这种理想状态在实际 操作中事实上是 难做到的。而当一+ p 2 f 时，侧封板与辊端面之间就会因 侧封板的退让而产生小的缝隙，熔池中的钢水就可能进入这蝗缝隙而在铸带边 侧封板的退让而产生小的缝隙，熔池中的钢水就可能进入这些缝隙而在铸带边 上海火学硕十学位论文 2 3 薄带双辊连铸的侧封技术 2 3 i 薄带双辊连铸固体侧封板技术 所谓侧封，是在薄带双辊连铸机中，为了防止钢水从辊的两端溢漏而设计 的密封装胃。在薄带连铸过程中，钢水通过浸入式水口进入由两个水冷辊和两 l 一水冷射品糕2 一个川笆3 一水i4 - - p j 封扳5 - - 巧t 紧装= 苒= 6 杉础装置 图2 5薄带连铸固体侧封板装置示意图 个侧封板围成的熔池区，经过包括微轧制在内的复杂凝固过程成为薄带，侧封 是否严密封住钢水以及侧封板的材料、结构等因素将直接影响薄带质量9 1 。目 前国内外薄带连铸研究开发中用得最多的是固体侧封板，固体侧封板主要由侧 封板和顶紧装置组成，如图2 5 所示t 2 0 1 。 在浇铸过程中，侧封板受到如下一些力的作用：在水平方向上，有熔池内 钢水的静压力一、铸带的轧制展宽力n 、铸辊端面的反作用力n 及侧封装置 的顶紧力f ；在垂直方向上，有重力g 、辊端面摩擦力，以及侧封装置向上的 托力f ，的作用。作用力的平衡式为： 只+ 只+ = f( 1 ) f + g = f 由( 1 ) 式可知，当顶紧力f = 鼻+ 最时，侧封板处于无摩擦状态( 此时 b = o ，即辊端面对侧封板无f 压力，因而也无摩擦力) ，这种理想状态在实际 操作中事实上是很难做到的。而当鼻+ 尸2 f 时，侧封板与辊端面之间就会因 侧封板的退让而产生小的缝隙，熔池中的钢水就可能进入这些缝隙而在铸带边 上海人学硕+ 学位论文 部形成毛刺，随着双辊的转动这些毛刺反过来使侧封板磨损甚至拉伤，使缝隙 越来越大，毛刺也越来越多，结果封不住钢水，造成连铸中断。所以在实际的 操作中，顶紧力f 必须保持远大于鼻+ 只的状态，此时辊端面对侧封板的压力 岛随顶紧力，的增大而增大，侧封板所受的摩擦力也相应增大，侧封板易于磨 损。同时，顶紧力增加时，就要求侧封板具有相当的抗压性能，否则就有可能 被压碎。另外，侧封板一侧与高温的钢水接触，另一侧暴露在空气中，因而具 有很高的温度梯度，钢水容易在侧封板上形成凝固物，在板的上沿形成的较大 的凝固块随着双辊转到较窄的咬合点时，具有较大的、不规则的变形量，容易 造成边缘缺损。当凝固块逐渐长大到侧封板不足以吸附住它时，凝固块就会从 侧封板上脱落下来形成冷块。随着双辊的转动，凝固块反复生成、脱落，挤压， 结果造成铸带边缘缺损和冷块周期性地出现。这一部分有缺陷的边缘必须被切 除，这大大降低了此技术的成材率。 以上分析表明，采用固体侧封技术必须配备能够精确自动控制的顶紧装置， 同时对侧封板的材质和性能也提出了较高的要求，比如：良好的耐热性、耐热 冲击性，热变形量小，高温下仍有良好的强度、耐磨性和韧性，良好的绝热性 能，对凝固物的剥离性好，等等。 钊对固体侧封板这一关键技术，人们己做了大量研究工作，包括对各种顶 紧装置( 如丝杆式、气动式和液压侧封顶紧与移动式) 的试验，侧封板耐火材 料的选择。取得了一些成果，但还有一些困难，如侧封板的在线加热，侧封板 与轧辊之间的磨损，侧封板易破碎，生产成本高 2 1 - 2 2 o 有文献表明，双辊薄带 连铸技术中带钢成本的很大一部分来自昂贵的侧封板的消耗。以生产中用得比 较好的陶瓷侧封板为例，每对侧封板耗费数于美元，却只能浇铸近1 0 0 吨带钢， 轧制每吨带钢仅耐火材料侧封板就需消耗大约2 0 6 0 美元，占除钢铁原料外所 有生产成本中的2 0 还多2 。显然，双辊薄带连铸固体侧封板技术是一项成功 的技术，但是要以最低的成本生产出热轧带钢来该工艺还没有达到其真正的潜 能。 应该注意到，只要采用固体侧封板技术，就必然会存在侧封板的消耗和磨 损，各种基于此技术基础上的研究，努力的方向不过是尽量减少因侧封板消耗 和磨损附加的成本而已。可以况，这是固体侧封板技术的固有缺陷，难以从根 上海人学硕十学位论文 本上得到解决。 在这种情况下，2 0 世纪8 0 年代提出的双辊薄带连铸电磁侧封的设想。 2 3 2 薄带双辊连铸电磁侧封技术 为了解决机械侧封中的种种问题，上世纪8 0 年代末开始，各国大钢铁公司 曾致力于电磁侧封的研究。所谓电磁侧封技术就是在双辊的两个端面上分别施 加一个特定的电磁场通过作用于液态会属上的电磁感应力来达到侧封液态金 属的目的。如果施加以交变的电磁场，就会在欲封的液态金属内部感生出相应 的电流，这个感生电流在电磁场中就会受到一个始终指向液态会属内部的洛仑 兹力。只要这个力满足一定的条件( 电磁力等于静压力与其它力之和) ，就可以 完全抵消液态会属的静压力和其它作用力，达到在双辊全端面上封住液态金属 的效果。如果施加的电磁场是稳衡电磁场，则需要另外的手段给液态金属内通 入与此电磁场相垂直的电流，从而使液态余属受到指向液态金属内部的电磁力 的作用，同样也可以达到侧封的目的。 在电磁侧封技术中，由于电磁力的超距作用，无需与液态金属接触就可以 对液态余属施加以约束控制力，从而实现对液态余属的侧封，这样就有可能实 现熔池底部无漏钢的非接触侧封，一来避免了机械侧封板的消耗和磨损漏钢， 二来可减少侧封对铸带边缘的不良影响，提高铸带质量，还可以减少后续加工 中的切边量，降低产品成本 2 3 1 0 因而，电磁侧封技术具有固体侧封板无法比拟 的优越性 2 4 1o 图2 - 6 为电磁侧封的原理图，该装置以一对特定形状的磁极代替了固体侧 封板，通过合理的放置磁极的位置，使两个磁极间产生如图2 - 6 中虚线所示的 交变磁场( 频率一般为几十到几千赫兹) 或恒定磁场 2 5 - 2 7 1 , 若采用交变电磁场， 当铸辊间浇注钢液之后就会在其中感生出感应电流。若采用直流电磁场就用另 一电源装置通入如图2 - 6 中所示的电流。由于积肤效应，交变电磁场在液态金 属中只能透过定的深度( 积肤深度) 。并且，随进入金属液内部距离的增加， 磁场强度迅速衰减。因而，在双辊边缘处的磁感应强度最强，液态会属所受的 电磁力n 大于内部液态余属所收的电磁力一，两者抵消后得到一个指向液态 会属内部的净电磁力，当这个电磁力与液态余属受的静压力与展宽力的和相平 上海人学硕士学位论文 衡时，便能够成功的实现对液态命属的侧封( 2 5 - 2 9 1 幽2 - 6 【也磁侧封原理( 1 铸辊，2 磁极。3 磁力，4 熔池，5 皤带) 电磁侧封可分为稳恒磁场+ 滞留电流和交流感应电磁场两种方式。稳恒磁 场+ 直流电流的侧封原理，如图2 7 所示，它的电磁侧封力是由恒电磁场与直流 电之间相互作用而产生的。该裴鼍在双辊的两端加上一对导电环3 ，并用绝缘 材料2 使之与铸辊的主体l 保持绝缘。当铸辊间充满金属液5 时，直流电源7 和电极4 就会在钢水中产生电流，。同时，另外一套设各将产生磁场曰。此时 就会形成指向液态余属内部的电磁力f ，从而达到侧封的目的t 3 0 - 3 4 1 。稳恒电磁 场+ 直流电电磁侧封装置避免了侧封板与铸辊的直接接触，从而减少了铸辊的磨 损与消耗，降低了成本。但这套装置需要两套大功率的直流电源，一套产生稳 恒磁场，一套提供直流电流。同时，辊端的导电环与直流电极也需要特殊的处理， 增加了设备的复杂性，也存在侧封板的腐蚀、消耗和更换等问题。 i 水冷铸辊2 绝缘材料 3 导电环4 直流电极 5 钢水熔池6 侧面耐材挡板 7 直流电源 幽2 - 7 直流电+ 静磁场电磁侧封装置 交流感应式电磁侧封方法包括变压器式( t r a n s f o r m e rp r i n c i p l ee m d ) ，附加 电流增强多( ( a u g m e n t a t i o np r i n c i p l ee m d ) ，临近感应式( p r o x i m i t yp r i n c i p l e e m d ) 。其原理分别如图2 - 8 ( a ) ，( b ) ，( c ) 所示a 上海人学硕十学位论文 变压器式交流电磁场电磁发生装置结构( 图2 - 8 a ) 是在个具有高磁化率 的铁芯上缠绕上线圈，就好像个变压器。当线圈中通入交变电流时，铁芯中 就产生一个交变电磁场，该磁场传到铁心的两极，形成一个水平方向的电磁场， 辊缝中的液态金属横切该交变电磁场，从而产生电磁侧封力。该装置结构简单， 易于理解，但存在一个很大的问题。即铁芯在交变电磁场作用下必然会感应发 热，使辊端加热，造成带钢边部有重熔现象，影响电磁场的效率和带钢质量。 而缠绕在线圈中的铁芯内又不方便布置冷却设施，因而其功率有限，侧封高度 也受到了限制。如果采用商磁导率的硅钢片叠加而成的铁芯，发热状况会有所 改善。 附加电流增强式和临近感应式是针对上述问题所提出的一些改进措施。邻 近感应式电磁场发生装置直接用一个线圈产生磁场，布置在外面的铁芯起引导 磁力线的作用，以让更多的磁力线作用于液态金属上，提高了侧封的效率。这 种结构中的铁芯便于冷却，但它也存在漏磁率高的缺点，且线圈直接靠近熔态 钢液，其工作环境会极其恶劣。对于附加电流增强式电磁场发生装罱中仍采用 变压器式的结构产生交变电磁场，但在金属液中另外通入交变电流，这样就使 感生电流和附加电流共同形成电磁力作用，因而提高侧封的功率和金属液侧封 高度。 拉鹫 ( a ) 变压器式 ( b ) 附加电流增强式 ( c ) 临近感应式 幽2 - 8 几种类裂的交变电磁场发生原理装置图 近2 0 年来，国外大型钢铁公司和国内部分研究单位进行了电磁侧封的试验 和试生产，获得了部分成功，但在试验中也发现了一些问题，如： ( 1 ) 带钢边部厚度比其它部位厚，这样就妨碍了卷取机的正常卷取； ( 2 ) 有效功率中的一半左右的功率被用来加热铸辊的边缘，这部分功率 没能有效用来侧封液态会属； ( 3 ) 带钢边缘有折皱现象。 上海人学硕十学位论文 因此，电磁侧封技术、装置、工艺等还在进一步研究中。 2 3 3 气体侧封技术( 设想) 气体侧封是笔者所在的研究集体( 上海大学钢铁冶金重点实验室) 所提出 的一种新的技术设想：利用气体的动压力来约束液念金属，实现无接触侧封。 用有一定温度和速度的喷吹气体作用到液体会属表面时，会对金属液面产生动 压力，当该压力足够大时，可与液态会属的静压力相平衡，实现液态会属无固 体接触的约束和侧封。 目酊，这项技术尚未见相关报道。 2 4 本文研究目的及主要内容 由于前面综述所提及的应用双辊薄带连铸固体侧封板技术和电磁侧封技术 还存在种种问题，我们提出了气体侧封的技术设想。将流动的高温气体作用到 液体表面产生动压。利用这些压力无疑可约束液体金属，使之成形。这种成形 方法，已证明具有铸坯表面光滑，控制初始凝固，改善组织，易于控制等特点o ”。 可望在双辊薄带侧封方面发挥作用。丽至今，这方面研究尚未见报道。 基于此，本文丌展气体压力约束液体会属的探索研究，分别对喷吹气体动 压约束和封堵液体金属和双辊薄带连铸气体侧封技术进行实验探索研究。 本课题的研究内容分成以下几个部分： ( 1 ) 用自行设计的实验装置对喷气侧向封堵液态介质进行了实验研究； ( 2 ) 用流体计算软件对实验结果进行了数值模拟； ( 3 ) 采用接近现场的实验装置对双辊薄带连铸气体侧封技术进行了模拟 探索研究。 上海人学硕十学位论文 第三章喷气封堵约束液态金属实验研究 本章研究的目的是实验探索喷吹气体封堵液体余属的可行性，考察主要参 数的影响规律，为进一步技术丌发提供参考。由于喷嘴的形状影响气流，进而 影响封堵金属液作用，是陔技术的一个关键，因而本实验进行了三种形状喷嘴 的实验研究：矩形喷嘴、楔形喷嘴和三角形喷嘴。同样，钢液、铝液、锡液等 其他的液体会属都是高温液体，在实验室的条件下，为了降低实验难度，并且 不失普遍意义，文本选用水和水银作为实验介质，喷吹的气体为压缩空气。 3 1 矩形喷嘴实验 3 , 1 1 实验装置 实验装置如图3 1 所示。容器的尺寸为l o e m ( 长) x 1 0 c m ( 宽) 3 5 c m ( 高) ，其侧壁上有宽度为1 5 m m 的矩形水平缝口。当容器内液位高于缝口位置 时，液体将流出，此时用喷吹气体进行液体封堵试验。 本实验中的缝口的垂直高度d 分别为l m m ，2 m m 和5 m m 。喷气装氍的矩 形喷口的截面为l o m m 2 0 n m a ，其长度为2 0 0 m m ，可认为流管中的流动是稳 定的。喷气装置始终保持水平并垂直容器表面，且喷嘴正对容器上的矩形缝口。 流量计测量气体流量，u 型管测量喷气压力。选用的液态介质是2 0 。c 水和水银 以模拟高温液态盒属。实验中气体的静压力为o 8 m p a 。 幽31 实验装置幽 上海火学硕十学位论文 3 1 2 实验方法 设定喷嘴与容器壁上缝口f 刚的距离s 和喷气流量9 ，缓慢向容器中注入水 或水银；当水或水银的液面超过缝口位置，达到一定位最后，液体开始从缝口 中流出，此时停止注入液体并记录液面至缝e 1 的高度h m a x 值；随着液体的流 出，液面相应下降至某一位置即停止，记录其液面距缝口的高度为h m i n 。分别 进行了缝口高度d 为l m m 、2 r a m 、5 m m 时，在不同喷吹距离和喷气量下的实 验。 3 1 3 实验结果及分析 图3 2 为d = l m l t l ，q = 6 m 3 h ，s = i m m 条件下，气体封堵水实验照片。可见， 高度约为5 c m 的水被封堵住。实验中，缝口高度为2 m m 和5 r a m 时，均实现了 水的封堵，并且随喷气量的增加，封堵高度相应提高。实验中还发现，当气体 流量q 和喷嘴到缝口的距离s 保持不变，液面降低到一定高度时，就会有气泡 产生，如图3 3 所示( d = l m m ，q = t m 3 h ，s = l m m ，液面下降时冒泡的照片) 。这 是因为喷吹的气体在缝口处的压力大于液体静压力与表面张力之和，就透过缝 口进入液体中形成气泡溢出液面。 剀3 2 气体喷吹封堵水实验 d = l m m ，q = 6 m 3 h ，s = l m m 图3 3当喷吹气体过大时水中产生的气 泡d = 1 m m 0 = 7 m 3 h s = i m m 图3 4 ( d = 5 m m ，q = 6 m 3 h ，s = 3 m m ) n 喷吹气体封堵水的实验结果，可见 1 2 c m 高度的水被封堵住。图3 5 ( d = l m m ，q = 6 m 3 1 1 ，s = 1 m m ) 为喷吹气体封堵水 银的实验结果，可见1 3 c m 高度的水银被封堵住。 上海人学硕十! 学位论文 图3 4 气体喷吹封堵水实验 d = 5 m m ，q = 6 m 3 h ，s = 3 m m 幽3 5 气体喷吹封堵水银实验 d = l m m ，q = 6 m 3 h ，s = m m 图3 , 6 和图3 7 分别为在不同喷吹气体流量和喷嘴至缝口距离下封堵水最大 高度h m a x 和稳定高度h m i n 的实验结果。可以看出，封堵水的h m a x 和h m i n 均随喷气量的增加和喷嘴缝口间距离的减小而增加。特别是在s 值小于3 r a m 时封堵高度随s 值的减小急剧增加。还可以看出。随着喷气量的增加，封堵 水高度逐渐增加。 65 6 55 5 45 宇 4 35 墨 3 25 2 15 1 oj 0 f lot02 03 04 0506 0 7 0 8 0 9lt1 s 1 0 2 蚓36 喷吹气体流姑o 币| 喷嘴至缝口距离s 对封堵水高度h m a x 的影响，d = 2 m m 幽3 7 喷吹气体流箭q 利喷嘴至缝口 距离s 对封堵水高度h m i n 的影响， d = 2 m m 在实验的基础上，对实验数据进行了回归分析。在实验中发现，缝口高度不 同时，其封堵高度的变化规律有所不同，并且本实验中缝口高度尺寸参数变化 较少，作为参量进行回归将产生较大误差，因此对于每种缝口高度的实验数据 一 圭塑叁鲎堡主兰垡笙塞 单独进行了回归分析，得到以下经验公式： 对于水，缝口d = l m m ， h m a x = 2 2 9 4 * 1 0 4q o 6 6 7 s 5 7 2 + o 0 0 8 ( 标准误差1 9 4 ) h m i n = 3 318 10 4q o , 7 6 9 s 。o4 9 4 + o 0 0 2 ( 标准误差18 ，5 ) 缝口d = 2 m m h m a x = 1 8 8 2 1 0 5q 1 6 8 5 s 。o 7 0 8 + o 0 0 5 ( 标准误差1 9 9 ) h m i n = 3 ，8 4 9 * 1 0 。5q 1 4 3 3 s 。06 5 9 ( 标准误差2 5 6 ) 缝口d = 5 m m h m a x = 8 1 1 6 1 0 6 q 1 5 0 7 s o8 3 5 ( 标准误差1 9 ) h m i n = 1 5 1 4 1 0 6 q 1 7 9 0 s 。0 1 5 ( 标准误差1 7 3 ) 对于水银，缝口d = l r n m ， h m a x = e 2 0 3 6 q 3 8 6 8 s 。10 7 3 + 0 0 0 2 3 ( 标准误差1 0 7 ) h m i n = e + 2 5 1 2 2 4 q s o g s s 一13 8 2 + 0 0 0 2 3 ( 标准误差1 7 4 ) 上述式中，h m a x 和h m i n 为封堵高度，m ：q 为喷吹气体流量，n 1 3 ，1 1 ；s 为喷 嘴到观察面上缝口的距离，m 。 比较h m a x 和h m i n 可以看到，封堵水时两者相差较大，最大相差6 m m ，而 封堵水银时基本没有差别。这是因为，在水达到最大值后从缝口中流出时，浸润 了缝口周围，减小了水缝口壁面的界面张力，从而减小对水的约束力，因此导 致封堵高度的降低。当封堵水银时，水银基本不与缝口壁面浸润，因此表面张力 基本没有改变，因此封堵高度不发生变化。由于实际约束液态金属中，液态金属 对缝口壁面不浸润，因此在利用上述公式时只需考虑h m a x 值即可。 上述公式中当q 为零时，封堵高度等于常数项，即没有气体喷吹时，水 或水银受表预张力约束时的高度。可以看出，随缝口高度的增加，此项值降低， 当缝口高度达到5 m m 以后，浚项为零，浣明此时表面张力大大减小，基本不起 约束液体的作用。 如图3 8 所示，在喷吹气体封堵液体时，在端部液面上存在力的平衡。 ，+ = c ( 3 1 ) 兰塑垡塑堂垡笙塞 开 凸 力 图3 8 喷吹气体封堵液体时力的 平衡荚系。 其中，b 是液体的静压力；b 是喷气装嚣吹 出的气体压力；f 。是液体的表面张力。 f 。由下式给出1 3 6 1 b r 击+ 专 本实验中r 2 趋近于无穷大 公式( 1 ) 变为： ( 3 2 ) 所