连铸板坯结晶器内钢渣界面的波动行为和卷渣行为的研究.doc

连铸板坯结晶器内钢渣界面的波动行为和卷渣行为的研究摘 要 随着高效连铸的发展和吹氩工艺的广泛应用，结晶器的冶金作用越来越重要。深入研究结晶器内钢渣运动是促进连铸工艺顺行，改善铸坯质量的关键因素。本文以太钢板坯连铸结晶器为研究对象，根据相似原理建立1:2的水模型，采用水力学物理模拟方法，研究了拉速、水口插入深度以及吹气量对结晶器内液面波动、液渣分布、卷渣行为的影响规律。研究表明：拉速对结晶器内钢渣界面流动行为影响很大，吹气量对结晶器不同部位的钢渣流动影响程度不同，在水口附近影响最大。在高拉速浇注时，结晶器内很容易出现剪切卷渣；在拉速不高而吹气量比较大时，吹气卷渣是卷渣的主要方式。当卷入结晶器内的渣滴冲击深度较浅时，会因浮力作用而慢慢上浮；当渣滴的冲击深度较深时，就会被流股冲击到结晶器下部区域，最终形成铸坯大型夹杂物或者导致卷渣漏钢事故。关键词 板坯 结晶器 卷渣 吹气1文献综述1.1板坯连铸技术概述连续铸钢技术的开发与应用是钢铁生产中继氧气转炉之后又一次重大的技术革命，是目前冶金领域最活跃的一个分支，也是炼钢领域内发展最快的技术之一。连铸技术对世界钢铁工业的发展产生了巨大的推动力。目前连铸生产快速发展已成为推动炼钢和整个钢铁生产蓬勃发展的主要技术动力1,2。1.2结晶器冶金作用在连铸过程中，由于钢水不纯净、二次氧化、夹杂上浮不充分，铸坯本身的凝固特征，高温铸坯要经受冷却、弯曲和拉矫等方面的热应力和机械应力，使铸坯存在一些缺陷。铸坯的表面缺陷主要决定于钢水在结晶器内的凝固过程，它是与结晶器内坯壳的形成、结晶器振动、保护渣性能、浸入式水口设计及钢液面稳定性等因素有关的，必须严格控制影响表面质量的各参数在合理的目标值内，以生产无缺陷的铸坯，这也是热送和直接轧制的前提条件。影响板坯质量及工艺顺行的关键问题，大部分与钢液在结晶器内的流动行为有着直接或间接的关系。高速连铸会加剧钢液流速和弯月面的流动，造成凝固壳的不稳定，夹杂物难以上浮，更为严重的是，易将钢液面上的保护渣卷入到钢水中，保护渣覆盖不均匀，从而引起漏钢事故和质量缺陷。因此，深入了解和控制结晶器内的钢液流动行为是保证高效连铸过程顺行、提高连铸坯质量的关键结晶器在连铸生产过程中是高效率的传热器、凝固成型器、钢水净化器、铸坯表面质量控制器，要求结晶器内钢水流动不应把保护渣卷入钢液内部，钢流冲击深度应利于夹杂物上浮和减小对凝固坯壳的冲刷作用，而结晶器流场对此有决定性的影响。1.3本文的研究内容和研究目的本文依据相似原理，针对太钢机浇注板坯的质量问题和工艺顺行问题，研究了不同工艺参数对结晶器内钢液流动行为的影响，重点分析了结晶器内卷渣、液渣分布规律。2 结晶器钢渣界面波动行为和卷渣行为的物理模拟实验模型的建立主要是根据相似比，把实际的工况条件和装置换算成实验中的参数条件和模型，以确保整个实验过程能真实的再现实际过程，从而为实际的操作提供指导。2.1实验原理由物理模拟的基础理论可以知道，对于结晶器内的钢液流动行为的物理模拟，主要考虑几何相似和动力相似，包括的相似准数有雷诺准数(Re)、弗鲁德准数(Fr)。因为结晶器内的流场大部分区域处于紊流状态，Re数大于第二临界值，流体的湍流程度及速度分布不再受Re数的影响，主要考虑惯性力和重力的关系，即保证Fr准数的相似。下面是实验流程图2.1。图2.1实验流程图2.2实验主要参数实验所用的结晶器的数据如下：结晶器长800mm、宽110mm、高1500mm，用水和油分别模拟钢水和保护渣层，水是循环水，用转子流量计测量流速变化测吹气量，结晶器为两相分流的结晶器，在水的循环过程中当流量计的流量定下时，若结晶器液面保持不动即达到平衡。依据Frm=Frp(m-模型，p-原型，以下相同)，长度相似比=lm/lp=0.5，可以得到以下关系： （2.1）速度相似比： （2.2）时间相似比为： （2.3）令为流量比例因子，：则流量相似比为： （2.4）在己知结晶器断面尺寸、实际流量或拉坯速度的情况下就可以得到实验模型流量。根据以上推导可以计算出模型实验中需要的各种参数，原型与模型的参数对照见表2.1。表2.1 结晶器原型与模型的参数对照表参数相似比原型模型原型模型原型模型原型模型拉速m/min0.711.130.81.411.01.691.21.971.4流量m3/h042549.5521.0662.1426.4174.4031.6286.6636.83插入深度mm0.5804013065180902.3单因素试验方案为了分析拉速、插入深度、水口吹气量对结晶器内钢液流动、液渣均匀性的影响，实验中设计了单因素分析法。单因素分析法就是在其它因素相同的条件下，只改变其中一个因素，通过实验结果就可以分析出该因素对各个实验指标的影响趋势。插入深度、塞棒吹气量和水口吹气量恒定，选择了四种不同的拉速（流量具体参数见表2.2）。表2.2四种不同的拉速时的具体参数工艺条件数据流量L/min21.0626.4131.6236.83插入深度mm65656565水口吹气量L/m0000流量、水口吹气量恒定，选择了三种不同的插入深度，具体参数见表2.3表2.3三种不同的插入深度时的具体参数工艺参数数据插入深度/mm406590流量/L/min31.6231.6231.62吹气量/L/min000流量、插入深度恒定，选择了五种不同的水口吹气量，具体参数见表2.4。表2.4五种不同的水口吹气量时的具体参数工艺参数数据 吹气量L/min246810插入深度mm9090909090流量L/min31.6231.6231.6231.6231.622.4 实验指标的确定实验指标是实验过程中可以直接测量观察或者通过测量观察的数据进行处理后得到的实验结果，它可以用来反映结晶器内钢液、液渣以及气泡的运动行为和规律。2.4.1 液面波动结晶器中沿窄边向上运动的上回流流股到达液面后，由于仍具有一定的速度而对结晶器弯月面造成冲击而引起结晶器液面的波动。液面波动大则易造成卷渣、液渣分布不均以及吸气等缺陷；而液面波动过小，即上回流过弱，液面较死，不利于传热而影响保护渣的熔化，不利于坯壳润滑而导致表面缺陷。结合钢厂的实际情况，由于板坯连铸坯壳在结晶器内厚度薄、拉速高，更容易造成液面波动过于剧烈，引起卷渣、传热不均诱发的裂纹等缺陷，所以模型的波动应该以小为佳。实验中采用浪高仪对称测量图2.2中各点的波动情况，其中4测点为窄边处，3测点为结晶器1/4处，1测点为水口附近。图2.2波高仪测量点为了使实验数据科学准确，实验中每种参数条件下波高采集时间为5分钟，每种方案测量三次，最后把所得结果取平均值。2.4.2 液渣分布的均匀性结晶器内液渣层的分布是影响连铸顺行的重要因素，如果液渣分布不均，就会使得液渣厚的地方因为液渣的堆积而容易出现卷渣，同时还可能形成渣圈影响保护渣的流入；而液渣过薄的地方可能出现裸露，导致弯月面处无保护渣流入而出现粘结性漏钢。一般情况下，窄边液渣层较薄，水口附近以及水口与窄边中间液渣相对较厚。由于液渣与钢水界面存在波动，取波动平衡位置来计算液渣层厚度，为了评价液渣层厚度不均匀程度，实验中采用了厚度差这一参量。设液渣厚度为D，则厚度差D定义如式（2.5）。 D=- （2.5）厚度差越大，表明液渣分布越不均匀。液渣层分布的不均匀，增加了卷渣的可能性，也造成了保护渣流入的不均匀性，使得凝固坯壳局部润滑不良，严重时会出现粘结漏钢。2.4.3 卷渣次数在5分钟的波高采集过程中，对结晶器的液面进行观察，如果发现有用来模拟液渣的油滴被卷入到水中就视为一次卷渣。由于卷渣是间断发生的，呈一定的周期性，所以可以用卷渣次数衡量，卷渣次数可以用来描述实际中卷渣的趋势，是优化工艺参数的一个重要评价指标。实际生产过程中，钢渣的混卷不仅污染钢液，增加铸坯中的夹杂物，还会导致卷渣漏钢，所以应尽量避免卷渣现象的发生。图2.4就是实验中拍摄的卷渣图片。 图2.4 卷渣图3 结晶器物理模拟实验结果通过水力学物理模拟实验，对结晶器内的液面卷渣、液面波动、液渣层分布等进行了测量和分析，从而得出了各操作参数对浇注过程的影响。3.1 结晶器内液渣行为分析结晶器内的液渣行为是影响铸坯质量的关键因素，也是本次研究的重点内容。本部分通过大量的实验对结晶器内液渣运动行为进行分析，从结晶器内的液面波动、液渣厚度差、卷渣次数等多个方面来考察各工艺参数对液渣行为的影响。3.2 液面波动本文中所提到的液面波动是指用DJ800型水工采集系统测量得到的结晶器内液面的1/10大波的平均波高（将测得的波高从大到小排序，将前面的1/10取平均值）。结晶器内各点的1/10大波可以表征结晶器内总体的液面波动情况，还可以间接反映结晶器内保护渣的运动行为。 结晶器液面波动总体特征实验中采集的结晶器液面波动曲线为水、油界面的波动曲线。图3.1是在拉速在1.2m/min，吹气为2L/min，插入深度为90mm时采集的一组波动曲线。从曲线可以看出，在结晶器窄边(图a，b)，由于液渣层较薄，并且不在反弹流股的直接冲击范围，所以波动较小，波的周期较长。在水口和结晶器中间(图c)，由于液渣层厚，而且在反弹流股的直接冲击区，所以波动较大，波的周期较短。在水口附近(图d)，波动主要是气泡上浮引起的，因而周期短，在高拉速时气泡沿水口壁上浮较少，波动也不是太大。 拉速对液面波动的影响图3.2 不同拉速时的液面波动情况图3.2是拉速分别为0.8m/min，1.0m/min，1.2m/min，1.4m/min时各点的液面波动情况 ，从图中可以看出，随着拉速的增加，3,4点的液面波动增大，2点和1点的波动总体呈上升趋势。分析其原因，是由于拉速较小时，3点有一定量的液渣层，液渣与水之间对流形成的波动就比较大，随着拉速的增加，3,4点的液渣被流股带到结晶器中间部位，3,4点处的液面波动主要是水的波动，所以波动值较小。而2点和1点随着拉速的增大，液渣层越厚，受反弹流股的冲击力度越大，波动也就呈上升趋势。 插入深度对液面波动的影响不同插入深度下各测点的1/10大波平均值如图3.3所示，从图中可以看出，插入深度变化引起的液面波动比较小，1点的波动比较平稳，2点的波动规律也不明显，因为在1,2点处的渣层很厚，所以当插入深度下降的时候，它们的液面波动比较小，所以在图上表现的并不明显。3,4点的波动有随插入深度增加而下降的趋势。这主要因为3,4点在窄边，当水口下降的时候，水口的流股对窄边的冲击影响最大，水口下降，使得结晶器窄边受冲击减小。图3.3 不同插入深度时液面波动 水口吹气量对液面波动的影响图3.4是水口吹气量分别在2L/min,4Lmin,6L/min,8L/min,10L/min时三个位置的1/10大波平均值，从图上可以看出，随着水口吹气量的增加， 4点的液面波动呈下降趋势，3点的液面波动下降，2点的波动呈上升趋势， 1点的波动先上升后下降。这是因为3,4点气泡较少，影响波动的主要因素是流股的冲击力，随着吹气量的增加，气泡对流股的阻力作用就增加，流股的动能消耗就越大，所以3,4点由于受到流股的冲击力减小而使得液面波动减弱；另外，由于气泡上浮主要是在水口附近，是1点处液面波动的主要原因之一，吹气量越大，1点受到气体的上浮和裂开的冲击力就越大，1点的波动就加剧。当吹气量很大时，1点的上的油层被吹开，波动仅仅是水的波动，这是1点的曲线先上后又下降的原因。而2点由于离水口近但是没有在气泡的直接冲击区，所以波动上升。图3.4 不同吹气量时液面波动3.3 液渣厚度差表3.1为各种单因素变化条件下液渣厚度差的统计总表，为了研究各种因素对液渣均匀性的影响规律，下面分别进行分析。表3.1 液渣厚度差统计表拉速m/min液渣厚度差/mm插入深度/mm液渣厚度差/mm水口吹气量L/min液渣厚度差/mm0.82.7404.625.01.03.0654.345.21.24.3902.965.31.44.585.4105.6 拉速对液渣均匀性的影响图3.5 不同拉速条件下液渣厚度差图3.5是拉速分别在0.8/min，1.0m/min，1.2m/min,1.4m/min结晶器内液渣层的厚度差，从图中可以发现，随着拉速的增加，液渣厚度差增大，液渣分布的不均匀程度更大；图3.6是四种拉速下液渣分布的图片，图上显示，拉速越大，结晶器1/4处到水口之间的液渣堆积得越厚，结晶器窄边处的液渣层同时变薄，甚至会出现钢液面裸露现象。结晶器窄边处的裸露使得窄边处的坯壳和结晶器之间发生粘结而出现漏钢事故，同时，结晶器1/4处由于液渣过厚而导致熔化不好，形成了渣圈，由于渣圈阻碍液渣的顺利流入，(a)拉速0.8m/min(b)拉速1.0m/min(c)拉速1.2/min(d)拉速1.4 /min图3.6 拉速不同时的液渣分布图也会导致粘结漏钢现象的发生。粘结漏钢也是目前高拉速浇注存在的重要问题。因此，在实际生产中应尽量避免钢液裸露现象和液渣层堆积过厚现象的出现，从而有效的减少粘结漏钢事故的发生，保证连铸工艺的顺行。 插入深度对液渣层均匀性的影响不同插入深度条件下的液渣层厚度差见图3.8所示，由图可知，插入深度对液渣均匀性的影响不大，随着插入深度的增加，液渣层的厚度差有略微减小的趋势。图3.7给出了三种插入深度条件下是液渣分布情况，可以看出，当插入深度增加后，结晶器中部的液渣会向结晶器两边运动，从而使液渣分布朝均匀性方向发展。因此，实际中，当拉速很高时，应选择较大的水口插入深度。从实验的结果来看，拉速为1.2m/min时，插入深度为在65至90mm之间时比较合理。(a) 插入深度在40mm时(b) 插入深度在65mm时(c) 插入深度在90mm时图3.7 不同插入深度时的液渣分布图3.8 不同插入深度条件下液渣层厚度差 水口吹气量对液渣层均匀性的影响图3.9 不同水口吹气量时液渣层厚度差图3.9是不同水口吹气条件下结晶器液渣分布的均匀性情况，从中可以看出，水口吹气量变化过程中，液渣厚度差变化不大，可见水口吹气对液渣分布的均匀性影响并不大，但是，液渣厚度差随着水口吹气量的增加还是呈上升趋势，这是由于吹气量的增加会使气泡对结晶器中部区域的液渣层泡沫化作用加强，从而使得该处的液渣厚度增加。下图3.10是五种不同水口吹气量时的液渣分布照片。在照片中可以看出，随着吹气量的增大，保护渣的泡沫化严重，厚度增加，渣层变得更松散，渣滴也更容易脱离整个保护渣层被卷入下部结晶器中。(a) 吹气量在2L/min时(b) 吹气量在4L/min时(c) 吹气量在6L/min时(d) 吹气量在8L/min时(e) 吹气量在10L/min时图3.10不同水口吹气量时的液渣分布情3.4 卷渣次数当工艺参数发生变化时，结晶器内卷渣次数也变化显著，统计不同工艺条件下的卷渣次数，就可以分析工艺参数对结晶器内卷渣趋势的影响。 拉速对卷渣的影响图3.11是结晶器内卷渣次数随拉速变化图，从图中可以看出，当拉速增大时，卷渣次数从无到有，当拉速小于1.0 m/min时，没有发生卷渣现象；当拉速增加到1.2 m/min时，有少量的卷渣出现，当拉速增大到1.4 m/min时，卷渣次数骤然增多。分析其原因，是由于拉速小于1.0 m/min时，水口出来流股的冲击速度和强度都比较小，使得流股反弹后的上回流剪切力不大，造成结晶器内液面的整体扰动也比较小，因此不会产生卷渣现象。当拉速进一步升高到1.4 m/min时，结晶器内上回流剪切力增大，对液渣层的横向剪切力增大到一定程度，就会发生卷渣现象。卷渣的发生很容易导致漏钢问题的出现，它是高速浇注时候影响工艺顺行的主要问题，实际中应该尽力避免卷渣现象的出现。 图3.11 拉速对卷渣次数的影响 插入深度对卷渣的影响图3.13是结晶器内卷渣次数随插入深度的变化图，从图中可以明显看出，随着水口插入深度的增加，卷渣次数逐渐减少，这是因为随着插入深度的增加，流股对结晶器窄边的冲击点下移，同时，由于流股冲击而形成的上回流区域也下降，下降的回流就减轻了钢液对液面渣层的剪切力，从而使得卷渣次数减少。当插入深度为90mm时，上循环流的剪切力减至最小，卷渣现象消失。所以，在实际生产过程中，为了保证高拉速条件下尽量的少发生卷渣现象，建议在能够保证化渣良好的情况下，应选择较大的水口插入深度。图3.13 水口插入深度对卷渣次数的影响 水口吹气量对卷渣的影响图3.14渣次数随水口吹气量变化的曲线图，从图中可以看出，当水口吹气量增大时，结晶器内的卷渣次数上升。结晶器内卷渣行为主要因为上回流的剪切力过大产成的，而剪切力的是由于流股冲击作用形成的。当吹气量开始增大时，结晶器内气泡增多，气泡对流股的反作用力增大，流股的动能损耗增多，流股的冲击强度和力度削弱，因此剪切卷渣次数减少，但吹气卷渣增多，卷渣次数总体增多；当吹起量增大到一定程度，吹入结晶器的气体对液渣产生泡沫化作用逐渐凸现出来，被泡沫化的液渣会变稀疏，粘度也会降低，比未经泡沫化的液渣更容易卷入水中，所以当吹气量增大到一定程度，卷渣次数呈增加趋势。图3.15水口吹气量为8 L/min时的液渣图，图中液渣层部分已经被气泡泡沫化。图3.14水口吹气量为8 L/min时的卷渣图结 论通过水力学物理模拟不同工艺参数条件下结晶器内钢液、液渣运动行为，总结出以下结论：1）结晶器内液面波动和液渣层厚度差均随着拉速的升高而增大，随着插入深度的增加而减小，随着吹气量的增加而增大，吹气量对结晶器不同部位的钢渣流动影响程度不同，在水口附近影响最大。2）结晶器液面卷渣次数随拉速升高而增多，随插入深度增大而减少，随吹气量的增大先增加后减少。3）拉速、插入深度、吹气量各参数对结晶器卷渣均有影响，在上述三种因素中，由一个参数引起的负面影响可以由一个或几个其它参数减小或消除。4）在拉速不高而吹气量比