板坯连铸结晶器流场及液面波动水模研究
板坯连铸机粘结漏钢的原因分析及预防 刘雷锋
板坯连铸机粘结漏钢的原因分析及预防刘雷锋摘要：随着连铸技术的发展和广泛应用，连铸坯的质量和品质受到了人们的广泛关注，提高连铸坯的质量成为连铸生产中重点关注的问题之一。
连铸过程开始广泛运用于有色金属行业，尤其是铜和铝。
连铸技术迅速发展起来。
本文对此进行了分析研究。
关键词：坯；连铸；连铸工艺连铸漏钢是个常见现象。
钢水在结晶器内形成坯壳，连铸坯出结晶器后，薄弱的坯壳抵抗不住钢水静压力，出现断裂而漏钢。
对于薄板坯连铸来说更易发生漏钢事故。
漏钢对连铸生产危害很大。
即影响了连铸车间的产量，又影响了连铸坯的质量，更危及操作者的安全。
因此，降低薄板坯连铸漏钢率是提高生产效率，提高产量，提高产品质量，降低成本的重要途径。
现对某厂自2008～2013年薄板坯漏钢率进行统计。
2008年漏钢率达0.56%；2009年漏钢率达0.19%；2010年漏钢率达0.19%；2011年漏钢率达0.19%；2012年漏钢率达0.15%；2013年漏钢率达0.07。
1 工艺流程某厂第一钢轧厂工艺流程为：鱼雷罐供应铁水/混铁炉供应铁水→铁水预处理→转炉炼钢→氩站→精炼→薄板坯连铸2 薄板坯漏钢类型某厂薄板坯连铸漏钢主要有：粘结漏钢、裂纹漏钢、卷渣漏钢、开浇漏钢、鼓肚漏钢五个类型。
3 薄板坯漏钢特征、原因及预防措施3.1 粘结漏钢粘结漏钢是指钢水直接与结晶器铜板接触形成粘结点，粘结点处坯壳与结晶器壁之间发生粘结，此处在结晶器振动和拉坯的双重作用下被撕裂，并向下和两侧扩展，形成倒“V”形破裂线，钢水补充后又形成新的粘结点，这一过程反复进行，粘结点随坯壳运动不断下移，此处坯壳较薄，出结晶器后，坯壳不能承受上部钢水的静压力，便会发生漏钢事故。
据统计，粘结漏钢发生率最高，高达50%以上。
（1）铸坯粘结漏钢后特征。
粘结漏钢后铸坯特征。
坯壳呈“V”字型或“倒三角”状，粘结点明显。
（2）粘结漏钢的原因：1）保护渣性能不好。
保护渣在结晶器铜板与凝固坯壳之间起润滑的效果。
8-武钢CSP连铸结晶器液面波动控制实践
武钢CSP连铸结晶器液面波动控制实践朱志强武钢股份条材总厂2012-7-10主要内容工艺装备与背景概述典型液面波动的特点及原因 控制液面波动的措施结论一、背景与工艺装备1. 背景薄板坯连铸机由于结晶器厚度薄，容积小，其流动强度是传统厚板坯铸机的3-4倍，高拉速下容易产生液面波动，极易发生卷渣，恶化保护渣的熔化、润滑与传热，导致薄板坯出现裂纹、凹陷、夹杂等质量缺陷，严重时还将导致漏钢事故。
2.武钢CSP连铸机主要设备工艺参数3250mm弯曲半径10305mm 冶金长度18185mm 铸机长度5段7个冷却区，17个冷却回路扇形段数自动（Co60放射源）结晶器液面控制1100mm 结晶器长度漏斗型冷坯宽度：900—1600mm 结晶器类型72mm结晶器：70—50mm （液芯压下后）92mm结晶器：90—70mm （液芯压下后）浇铸厚度（扇形段5出口）：72/92mm 浇铸厚度（结晶器出口）900—1600mm 浇铸宽度（标称或冷宽度）2.8—6.0m/min 拉速33t 中包容量170t 钢包容量技术参数项目二、结晶器液面波动的特点及原因分析实际生产中，拉速、过钢量的变化对液面波动的影响是显著的，但除此之外，浇注过程中仍出现了一些异常情况导致的结晶器液面波动，这些异常导致的结晶器液面波动现象的特征也是不一样的。
根据这些结晶器液面异常波动的特点，结晶器液面波动可分为：·包晶反应与鼓肚现象·共振现象·液位检测与控制系统故障·结晶器流场异常1.包晶反应与鼓肚现象鼓肚现象是连铸过程中的常见现象，常见于高拉速、大断面铸坯尺寸的钢种连铸生产条件下，主要原因是冷却不足、坯壳强度不足以抵抗钢水静压力，导致铸坯在两排辊子之间产生鼓肚，鼓肚时产生泵吸效应，导致结晶器液面下降，随着拉坯的进行，鼓肚区域在同一排辊子之间被挤压，液相穴内钢水又回流到结晶器内，导致结晶器内钢水又迅速上涨，如此反复，结晶器内液面呈有节奏的锯齿状的波动。
连铸结晶器钢水流动控制技术（三篇）
连铸结晶器钢水流动控制技术连铸板坯的表面和内部缺陷与结晶器内钢液的流动状态密切相关。
伴随着连铸机拉速的提高，结晶器内液面波动加剧，容易产生卷渣，造成铸坯质量恶化。
采用结晶器钢水流动控制技术可以改善结晶器内流场形态，抑制水口出流速度以平稳液面，促进夹杂物上浮。
连铸板坯的表面和内部缺陷与结晶器内钢液的流动状态密切相关。
伴随着连铸机拉速的提高，结晶器内液面波动加剧，容易产生卷渣，造成铸坯质量恶化。
采用结晶器钢水流动控制技术可以改善结晶器内流场形态，抑制水口出流速度以平稳液面，促进夹杂物上浮。
用于板坯结晶器的电磁制动（EMBr）、电磁流动控制（FC结晶器）和多模式电磁搅拌（M-MEMS）是结晶器钢水流动控制技术的典型代表。
电磁制动器通过对结晶器施加一个与铸流方向垂直的静态磁场而对流动的钢液进行制动。
钢流由于电磁感应而产生感应电压，因此在钢液中产生感应电流，这些电流由于受到静态磁场的作用而产生一个与钢水运动方向相反的制动力。
钢液的流速越快，制动力也越大。
电磁制动器具有一个单一的、覆盖整个板坯宽度的静态磁场。
电磁制动技术可抑制水口射流速度，减缓沿凝固壳向下流动，促进夹杂物和气泡上浮。
FC结晶器含有两个方向相反的制动磁场，第一个位于弯月面区域，另一个位于结晶器的下部，每一个磁场都覆盖了板坯的整个宽度。
FC结晶器的磁场的上电磁场减少了结晶器弯月面紊流，可防止保护渣卷入凝固壳和角部横裂；下电磁场可减少钢液向下流速，有利于夹杂物和气泡上浮。
利用M-MEMS多模式电磁搅拌器可根据需要以不同的方式搅动结晶器内的钢水，显著减少板坯铸造缺陷。
该技术采用4个线性电磁搅拌器，位于结晶器高度方向的中部、浸入式水口两侧，每侧2个线圈并排设置，可用于使浸入式水口流出的钢水制动（EMIS）或加速（EMLA）。
第三种工作模式则用于使位于弯月面的钢水转动（EMRS），此项技术可有效控制热传导梯度和坯壳凝固前沿的均匀性，消除某些钢种存在的气孔、针孔和表面夹渣等铸造缺陷。
不锈钢板坯连铸中包水模实验及应用
年在板坯连 铸中包水模 实验 的基础 上增设 了挡 墙 、 挡坝 ，进行了不锈钢板坯连铸 中包控流装置 的现场 试验。 试验结果表明 ， 连铸中包控 流装置去除大颗粒
非金属夹杂物的效果明显。 １ 不锈钢板坯连铸 中包水模 实验 １ 水模 实验的原理及 装置 ． １
１ 一大包 ；一长水 口；一中间包； ＿ ２ ３ ４ 塞棒 ５ 一浸入式水 口； 一流量计 ；一检测 系统 ６ ７ ８ 一水泵 ；一阀ｆ ；ｏ 结晶器 ９ ｊｌ＿ 圈 １ 水模 实验装置示意图
在正常生产操作条件下 ，分别取 中包渣样和铸 坯样 ， 比分析增设控流装置前后 中包对钢液 中夹 对 杂物去除效果 的影响 ； 分别取连铸生产过程样 ， 分析 钢中夹杂物的变化情况。 取样位置和时间保持一致 。 ２ 试 验结果 及分 析 ． ２ ２ ． 中包液渣成分分析 ．１ ２
中包增设控流装置前后 ， 中包渣样进行分析 ， 取 其平均成分见表 ２ 。
６２ ． ３ ４８ ．５
中包增设控流装置后 ，观察水模实验过程示踪 剂溶液的流动轨迹。大包钢水进人 冲击区后不断地
混合 ， 然后向上流动 ， 钢水经过较长 的曲折迂 回的路 线到达浸人式水 口， 这样就为夹杂物碰撞、 长大和上 浮创造 了条件 ，同时也有利于大包钢水冲击 区挡渣 和中包钢水成分、 温度均匀。 １ 中包 Ｒ Ｄ曲线测试结果 ３ Ｔ 通过刺激一响应实验测试中包增设控流装置前 后 中包钢液的平均停留时间及流动模式 ，其结果见 表 １ 。
表 １ 增设控流装置前后刺激一响应实验 结果
由表 ２ 出 ，中包 增设 控 流装 置 后 ，渣 中 ＳＯ 看 ｉ
含量增加，说明中包增设控流装置后有促使钢 中非 金属夹杂物上浮 ， 然后被 中包覆盖剂吸附的效果 。 ２ ． 铸坯夹杂物分析 ．２ ２ 取样分析控流装置对铸坯夹杂数量 的影响见图 ３ 可以看出增设控流装置后 ， 。 铸坯 中大于 １ ｍ的 ０ 夹杂物数量减少 ， 而铸坯中 ５ ｍ １ ｍ的夹杂物 ～０ 数量变化不大 ，说明增设控流装置后可以有效地减
厚板坯连铸机漏钢原因分析及预防措施
厚板坯连铸机漏钢原因分析及预防措施摘要：针对南阳汉冶特钢有限公司厚板3#厚板坯连铸机近三年发生漏钢事故的实际情况，分析探讨每次漏钢事故的原因，我们工程技术人员认为，3#厚板坯连铸机漏钢原因主要有钢种成分、开浇升速不规范、浸入式水口尺寸设计不合理、结晶器液面波动、钢水温度、结晶器保护渣及异常情况下的操作等，严格控制钢水中的Al2O3含量、控制铸机升速幅度、优化浸入式水口尺寸、避免结晶器液面波动、控制钢水温度、选择适宜的保护渣及加强操作等措施，厚板坯铸机漏钢可以完全避免。
关键词：厚板坯漏钢保护渣浸入式水口措施前言漏钢是板坯连铸生产中的恶性事故，事故危害可造成设备损坏，更换和修复结晶器和直弧段，滞坯处理时可能造成拉矫设备和扇形段辊列损坏，生产非正常中断，造成本炉次及后续炉次钢水回炉或该计划，降低了钢水收得率和合同计划的顺利执行，导致生产成本增加。
事故处理需要24～48小时，降低了连铸作业率。
事故处理时，职工劳动强度大、安全隐患多，增加了管理难度。
一次漏钢事故经济损失300～500 万元，甚至500万元以上。
南阳汉冶特钢炼钢厂3#铸机是西安重型机械研究所设计的全国第一台超厚板板坯连铸机，该铸机于2010年底建成投产后，月产可达5万t以上，至2013年5月，共生产板坯150万t。
随着铸机产能的逐渐释放，因管理和操作经验欠缺，漏钢成为威胁板坯生产稳定的首要问题。
不断总结教训、积累经验，降低漏钢事故率，是稳定连铸机生产、节能降耗、降低成本、增加效益的有效途径之一。
1汉冶特钢厚板板坯连铸机参数及漏钢情况1.1汉冶特钢厚板板坯铸机主要工艺参数，见表1。
1.2粘结漏钢事故分析表2010～2013年常规板坯连铸机粘结漏钢情况分析表，见表2。
2板坯连铸机漏钢原因分析2.1粘结漏钢的机理在钢水浇注过程中，结晶器弯月面的钢水处于异常活跃的状态。
由于各种原因，浇铸过程中流入坯壳与结晶器铜壁之间的液态渣被阻断，当结晶器铜板与初生坯壳的摩擦力大于初生坯壳的强度时，初生坯壳被撕裂与铜板产生粘结。
板坯连铸机结晶器研究分解
摘要结晶器是钢坯连续铸造的关键设备，其设计和制造的优劣直接影响到连铸生产的正常与稳定。
本文就目前连铸结晶器采用的铜板材料及铜板材料表面处理技术的发展现状进行了总结和分析。
指出针对板坯结晶器窄面铜板易高温变形、磨损的情况，采用高强度、高导热率的弥散强化铜材料，进而延长结晶器的维修周期，提高生产效率。
同时针对现有结晶器铜板表面改性技术的优缺点，发展新型合金涂、镀层技术，进一步提高涂、镀层的硬度，耐磨和耐腐蚀性能。
目前结晶器铜板表面处理的几种方法：电镀法、热喷涂法、化学热处理法以及具有潜在发展前景的激光熔覆法。
激光熔覆法由于具有清洁无污染，成品率高以及性价比高等特点，具有广阔的发展和应用空间。
而且，通过优化熔覆工艺参数，设计合理的熔覆材料体系，能够形成与铜板呈冶金结合的优良抗热耐磨复合涂层，从而显著提高结晶器的使用寿命。
关键词：结晶器；化学热处理；激光熔覆；铜板AbstractThe progress of mould plates was reviewed in continuous casting. The techniques such a solution or aging or forming or fine crystal and their combination were an effect tiveme thod which benefit for high conductivity and high strengthen of copper base alloy. Copper base composite maerial through dispersion technique and composite hardening and surface strengthening have more promising for mouldes in the future.Based on the current study stat of surface strength ening on copper crystallizer, several surface treatment means,such as electro plating thermal spraying,penetration and laserclad dingte chnique with potential development are described. Because of cleanliness without any pollution, high finished product ratio and high performance costratio, laser cladding has wide development and application range. Moreover, by optimizing process parameters and designing suitable material system, fine hea-t resistant and wear-resistant coating having metallurgy bonding with copper substrate can be fabricated, therefore, it may notably improve the service life of copper crystallizer.Key words:Copper crystallizer; Electroplating; Thermal Chemical heat treatme;Copper plate目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1连扎连铸简介 (1)1.2工艺流程 (3)1.3板坯连铸机质量优势 (4)1.4研究背景 (5)1.5国内外状况 (6)1.6结晶器概述 (7)1.7结晶器存在的问题 (9)1.8结晶器使用前的安全检查 (9)1.9本章小结 (10)第2章结晶器夹紧装置的选择计算 (11)2.1结晶器夹紧装置简介 (11)2.2结晶器夹紧受力分析及计算选择 (12)2.3结晶器宽边调整机构的安装 (14)2.4本章小结 (14)第3章结晶器调宽装置的选择计算 (15)3.1调宽装置简介 (15)3.2调宽装置的确定和基本参数的选择 (16)3.3调宽装置驱动选择 (18)3.4窄边调整机构的安装 (18)3.5本章小结 (19)第4章结晶器铜板及水箱的选择计算 (20)4.1结晶器铜板的设计 (20)4.1.1结晶器长度的选择 (20)4.1.2结晶器断面尺寸和倒锥度 (22)4.1.3结晶器铜板材质及表面镀层的选择 (23)4.1.4铜板厚度计算 (24)4.2水箱设计 (25)4.3本章小结 (26)第五章结晶器振动装置的应用和发展 (27)5.1振动装置的概述 (27)5.2结晶器的振动方式 (27)5.3总结 (30)5.4本章小结 (31)结论 (32)参考文献 (33)致谢 (35)第1章绪论1.1连扎连铸简介连铸连轧全称连续铸造连续轧制（Continue Casting Direct Rolling，简称CCDR），是把液态钢倒入连铸机中轧制出钢坯（称为连铸坯），然后不经冷却，在均热炉中保温一定时间后直接进入热连轧机组中轧制成型的钢铁轧制工艺。
防止液面波动的新技术
为了抑制高拉速下带来的诸多不利现象，电磁制动技术作为控制结晶器中钢液流动的较为成熟技术开始得到应用。但是如何进一步优化电磁制动器 的结构参数、电磁参数和工艺参数，并得到优化的电磁流动控制效果，对于电磁制动技术的有效应用、以及电磁制动器的设计具有重要的现实意义。
本文正是以高效连铸、薄板坯连铸中的流动行为和电磁制动效果为选题开展工作。主要完成以下方面的工作： 1、根据相似原理，建立了薄板坯连铸水力学模型，采用物理模拟和数学模拟相结合的方法研究了薄板坯连铸漏斗形结晶器内流体运动特征，研究和 观察了结晶器内的旋涡现象和卷渣行为，考察了拉坯速度、浸入式水口结构、水口浸入深度、水口位置等对卷渣的影响。研究结果表明：1)结晶器表面 的涡流和液面波动是造成卷渣的主要原因。涡流主要发生在结晶器宽面中心位置、水口两侧和结晶器窄边附近。2)发生卷渣的临界表面流速为0.25m/s。 随水口浸入深度变浅，卷渣发生的临界拉速减小。拉速增大可使旋涡数量增多、深度增加，同时液面波动幅度也随之增大。3)水口结构对结晶器内的流 动形态有较大影响。在相同的拉坯速度时，使用牛鼻子型水口的表面流速最小，有利于防止卷渣。 2、设计了“对E”结构的单条形电磁制动器。这种结构的磁极头和激磁线圈可以大大减少主气隙的漏磁场，有效提高有用气隙中的磁感应强度。磁 极可在0-140mm范围内调节，当磁极间距为100mm时磁感应强度达1T，适用于低浇注速度模拟实验的制动要求。通过实验测试，研究了所设计的电磁制动 器的电磁特性，为电磁制动器结构的优化设计提供依据。 3、建立了Pb-Sn-Bi低熔点合金电磁制动热模拟实验系统。考察了在稳恒磁场作用下的弯月面行为，并研究了各种操作参数(磁感应强度，拉坯速度 ，磁场位置和水口出口角度等)对弯月面行为的影响。研究结果表明：1)应用磁场可控制结晶器内金属液面的波动。磁场对表面波动的抑制作用有一最佳 值，当磁感应强度为0.5T时液面的表面平均波动最小，液面较稳定。据此依据相似原理可推得：实际连铸机中抑制结晶器内钢液表面波动的最佳磁感应 强度为0.36T。2)在板坯连铸结晶器内应用单条形稳恒磁场的电磁流动控制效果与磁感应强度、浸入式水口角度和拉坯速度有关。当其它条件不变时，拉 坯速度越大，产生的电磁力越大，对流动的作用越大。水口角度不同，施加磁场时会有不同的流动控制效果。3)随着磁感应强度的增加，弯月面温度增 加，流体冲击深度减小。即水口出流的向下冲击深度由于磁场的制动效应而受到了抑制。这有利于夹杂物的上浮分离，提高板坯内部质量。 4、建立了可同时实现施加磁场和吹氩气的实验系统，研究了稳恒磁场对吹氩板坯连铸结晶器内弯月面行为的影响，考察了磁感应强度、氩气流量、 拉坯速度和水口出口角度等对弯月面处液面波动和氩气上浮分布规律的影响。研究结果表明：1)吹入氩气加剧了表面波动，而且，随着氩气流量的增加 扰动加大，且氩气泡主要在水口附近上浮。2)施加磁场改变了氩气通过弯月面的上浮分布规律，加强了气泡在水口和窄面之间的上浮，使氩气泡在结晶 器宽度方向上的上浮分布更均匀，减小了水口附近由于大量气泡上浮对液面的扰动。3)Pb-Sn-Bi热模拟实验表明，施加0.5T的磁场能对水口出流以及吹 氩所产生的液面波动产生抑制作用。由相似准则推得，在实际连铸机上抑制吹氩板坯连铸结晶器内液面波动的合适磁场强度为0.36T。吹入氩气在防止水 口堵塞的同时也使液面产生明显的扰动，使液面波动较大，易造成卷渣现象。对吹氩水口结构施加电磁制动，能够使其波动受到显著的抑制。本实验结 果给出了参考的磁场参数。4)施加磁场和吹入氩气影响了结晶器内金属液的弯月面行为，改变了氩气在弯月面的上浮分布规律和弯月面处的液面波动。 为此可应用静磁场和调节氩气流量控制结晶器内的流动和液面波动。 5、以稳恒磁场理论、电磁流体力学理论为基础，建立了描述结晶器内电磁制动磁场分布的三维数学模型，以及静磁场作用下金属液流动的三维数学 模型，对电磁制动结：晶器内的磁场和流场分布进行计算，研究了磁场对结晶器内钢液流动的作用，和各工艺参数(磁感应强度、拉坯速度、水口角度及 磁场位置等)对电磁流动控制效果的影响。研究结果表明：1)施加磁场后结晶器内的流场有很大改变，从浸入式水口流出的金属。液流股被电磁场产生的 电磁力分散，冲击窄面的速度明显减小，且冲击窄面的位置向上偏移。施加磁场后，上部回流的涡心向上、且向远离窄面的方向移动。下部回流区减小 ，且涡心向上、且向水口中心方向移动，并且下降流股的流速明显减小。2)磁感应强度、拉坯速度、水口角度和磁场位置对单条形磁场作用下的电磁流 动控制效果影响很大，当磁感应强度、拉坯速度和水口出口角度一定时，磁场位置(Z)与水口浸入深度(L)之比值Z/L有一最佳值，可达到最佳的电磁流动 控制效果。在本研究的实验条件下，该值“为1.2。在实际应用中要合理选择各种参数以得到优化的电磁流动控制效果。
炼钢厂板坯连铸机结晶器冷却水动态调节研发项目
炼钢厂板坯连铸机结晶器冷却水动态调节研发项目一、立项原因：五矿营口中板有限责任公司炼钢厂1#、2#板坯连铸机分别于2003年、2005年建成并投入使用。
随着产量提升以及对产品质量指标要求的提高，结晶器冷却水原设计采用的机械式流量阀调节水量已经无法满足工艺生产要求。
经现场长时间的观察发现存在以下问题：1.1、水介质供给单位动力厂总管压力及流量出现波动时，造成结晶器宽窄面冷却水流量出现长时间波动，该段时间会对铸坯表面及内部质量产生影响，同时冷却水量大幅度波动可能导致结晶器粘结型大面积漏钢事故。
1.2、工艺参数进行调整时，需要设备人员到水阀室手动进行水流量调节。
由于现场安装空间狭窄，当机械式流量阀出现卡滞情况，调节过程时间一般大于40分钟。
并且因动力供水的波动，采用机械式流量阀调节死区范围宽面在±80L/min、窄面在±8L/min，远大于工艺允许宽面波动范围±50L/min、窄面±5L/min的指标。
1.3、当生产过程中发生进回水温差高报警时，需设备人员到水阀室手动提高冷却水流量，由于通讯等原因常导致设备响应延时，增大结晶器漏钢的几率。
二、项目重点工作及难点：2.1、由于原系统采用机械式流量阀，为实现自动控制、远程操作以及达到工艺参数的要求，将机械式流量阀改为电动流量调节阀。
2.2、利用主PLC系统中原有模拟量输出模板备用预留点实现电动阀实时控制输出，利用原有系统中模拟量输入模板备用预留点实现电动阀阀门开度的实时反馈输入，利用原有系统水流量实时采集数据作为调节参考。
2.3、编制结晶器冷却水流量调整程序，使用PI控制，程序编制完成后进行调试，通过启动给水泵、开总管手阀、修改水量目标值等方法模拟水流量的波动进行PI参数的优化。
其中PI参数的优化为本项研发工作的难点。
2.4、在监控画面WINCC程序中添加相应的控制输入输出域，以实现画面远程操作。
2.5、编制该功能的操作说明书、配合工艺人员更新事故应急处置方案，培训生产使用人员。
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第6期 2009年12月连铸Continuous CastingNo.6December 2009板坯连铸结晶器流场及液面波动水模研究王永胜1, 王新华2, 王万军2(1.酒泉钢铁(集团)有限公司碳钢薄板厂,甘肃嘉峪关735100;2.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083)摘 要:以我国实际生产的某结晶器为原型,建立1∶1有机玻璃水模型,模拟研究了结晶器断面和中间包液位对板坯连铸结晶器流场形态和结晶器液面波动的影响。
中间包液位改变了水口出口的压力从而使结晶器流场和液面波动发生变化。
通过实验研究进一步认识了板坯连铸结晶器液面波动及其影响因素,并用以指导高质量连铸坯的生产。
关键词:结晶器;流场;液面波动;中间包液位中图分类号:TF777.1 文献标识码:A 文章编号:100524006(2009)0620013204W ater Modeling Study on Flow Field and Surface W avein Slab Continuous C asting MoldWAN G Y ong 2sheng 1, WAN G Xin 2hua 2, WAN G Wan 2jun 2(1.Carbon Steel Sheet Plant ,Jiuquan Iron and Steel Group Co.,L td.,Jiayuguan 735100,Gansu ,China ;2School of Metallurgical and Ecological Engineering ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China )Abstract :According to the mold for slab caster ,a water model in the ratio of 1to 1was established in order to study the effect of the mold section and the level of steel in tundish on the flow field and surface wave of molten steel in the mold.The pressure of steel flow on SEN outlet changes due to change of the level of steel in tundish.Then the flow field and surface wave of molten steel in the mold change too.The surface wave of molten steel in the mold and in 2fluence factors were further clearly recognized to guide the production of high quality slab.K ey w ords :mold ;flow field ;surface wave ;level of steel in tundish作者简介:王永胜(19732),男,博士,高级工程师; E 2m ail :wysmetal @ ; 修订日期:2009205206 结晶器内钢液的流场形态,特别是结晶器液面波动直接影响铸坯质量[1]。
多年来冶金学者对结晶器进行了大量的数值模拟、水模型和生产检验研究[2～7]。
研究结果表明连铸拉速、结晶器浸入式水口倾角[8]、浸入深度、水口吹氩[9～10]等操作工艺参数直接决定结晶器液面波动。
但对结晶器水口底部结构[11]、中间包液位、拉速变化[12]过程结晶器流场研究较少。
为进一步认识结晶器流场影响细节,本文对结晶器水口底部结构、中间包液位、拉速变化过程结晶器液面波动进行了水模拟研究,以研究结果指导生产操作,提高了铸坯质量。
流体力学相似原理的模型实验方法广泛应用于科学研究。
水模型研究由于可直接测量观测、精确控制、低耗高效地反映高温钢液的实际生产流态被冶金界普遍采用。
为实现精确模拟,本研究采用1∶1模型。
1∶1模型的使用,有助于实现模型与原型的流动行为的绝对相似;有助于实现模型与原型的相等比表面积;有助于实现模型与原型的表面波动形态的绝对相似;有助于实现模型与原型的湍动耗散过程时间的相似。
但实际上要实现模型和原型的完全相似是不可能的,研究过程忽略次要因素,注重主要因素,首先实现流场主要控制因素的相似。
依据相似原理理论基础,对于不可压缩黏性流体的恒温稳定流动,考虑弗鲁德准数(Fr )和雷诺数(Re )相似。
结晶器内钢液的流动主要受到重力和惯性力的作用,重力占主导作用,黏性力作用很小,可以忽略。
首先要保证弗鲁德准数(Fr )完全相等,对于雷诺准数(Re )只要大于第二临界值(103～104)时,流体流动就进入自模化状态,流体的流动彼此相似。
模型与原型相似雷诺准数(Re )计算如下表1所示。
计算结果显示,对于本1∶1的结晶器水模型,当连铸拉速在0.6～118m/min 变化过程,结晶器模拟研究模型与原型的雷诺准数(Re )在自模化区,当弗鲁德准数(Fr )模型和原型流量实现相等,实现流场相似模拟。
连 铸 表1 雷诺准数(Re )计算公式名称符号单位原型(钢液)模型(水)Re =vLν雷诺准数Re 无量纲 1.12×104～4.49×1040.99×104～3.96×104速度v m/s 0.01～0.040.01～0.04特征长度Lm 11运动黏度νm 2/s0.89×10-61.01×10-61 研究方法水模型采用闭路循环稳定控制,图1为水模实验示意图。
由图1可见,实验装置由中间包水箱、步进电机控制塞棒、1∶1有机玻璃水口、有机玻璃结晶器、水泵和供气瓶等组成。
监测控制采用超声波流量计、浮子气体流量计、红外线波高仪(1个测定探头)、D J800水利学波高检测仪(在结晶器宽度方向均布5个测定探头)、螺旋测速仪(为减少干扰设定1个测点,移动多次测量)等。
整个研究过程由计算机准确控制。
图1 实验装置示意图 实验流量按照实际连铸机结晶器断面和拉速相似计算得到,研究工艺组合如表2所示。
采用高锰酸钾作为示踪剂进行流场显示,实验过程采用数码相机和录像机纪录动态或静态流场。
实验数据采用专业软件进行处理。
表2 实验研究工况工艺参数组合表结晶器厚度/mm结晶器宽度/mm 拉速/(m ・min -1)浸入式水口深度角度结构吹氩量230900 1.01005凹51200 1.213015平1500 1.425凸1800 1.621001.82 结晶器流场与液面波动结晶器流场有单回流、双回流两种主要流态,如图2为结晶器双回流流场和单回流流场示踪照片,当结晶器宽度小于1800mm 时,结晶器流场呈现双回流形态。
拉速较大时,流股冲击结晶器窄边出现前后对称的侧向旋流,从而形成大小纵横四旋流形态流场。
侧旋流裹挟氩气泡和大型夹杂物在宽面窄边凝固坯壳前沿形成旋流,侧旋通常在结晶器宽面距窄边300mm 区域。
当结晶器宽度大于1800mm 时,水口出口流股耗散衰减距离长,在冲击窄边前就减速到较低水平,在拉速活塞流的向下牵引下,形成单回流。
拉速增加,转变为活塞流形态。
结晶器流场形态主要决定于水口出口流股的流速和在结晶器中的耗散距离。
图2 结晶器流场单回流双回流示踪照片 结晶器液面波动是影响连铸坯质量的重要因素,形成并影响结晶器液面波动的因素有三:一是结晶器上回流形成的液面流速在水口碰撞汇合形成的冲击流波动。
二是水口出口高速流股在结晶器中耗散衰减湍动能形成的振荡波动。
三是结晶器吹氩气泡上升和穿透液面的扰动波动。
对于窄结晶器,当・41・第6期王永胜等:板坯连铸结晶器流场及液面波动水模拟研究冲击流处于控制因素时,结晶器液面波动形态稳定,液面波动与液面流速关系明显,弯月面区域和水口区域波动较大,拉速较大时水口附近存在剪切涡流。
结晶器断面较大时,结晶器流场为单回流,振荡波动占主要比例,结晶器液面呈现非对称性周期振荡波动,液面波动与液面流速关系不太明显,拉速较大时在结晶器距窄边附近形成漩涡。
增加浸入深度、减小拉速能有效控制湍动振动波动。
氩气扰动波动主要分布在气泡扩散区域,扰动波动强度取决于吹气量和气泡大小。
不同的结晶器流场形态对应不同的结晶器液面中心线流速和液面波动分布。
小断面结晶器双回流流场,上回流在距结晶器弯月面100mm 附近上升到结晶器液面,向结晶器中心水口处流动,流速逐步增加,当增加到结晶器四分之一处达到液面流速最大值。
然后两股相反的流股在水口处碰撞汇合向下,形成结晶器上回流,造成结晶器液面水口区域最大的结晶器液面波动分布,并扩展衰减至结晶器弯月面区域,另外结晶器弯月面区域上升流扰动造成弯月面波动增大,如图3(a )所示为230mm ×1200mm 结晶器、拉速为1.6m/min 、15°底部凹陷水口、倾入深度100mm 、吹氩量为5L/min 结晶器液面波动与液面流速分布与关系。
宽断面的结晶器,结晶器流场呈单一下回流形态,上回流不明显,结晶器液面波动主要体现为水口出口流股冲击扰动形成整体振荡,因此在结晶器四分之一至六分之一范围区域达到最大值。
液面流速与液面波动形态相似。
图3(b )所示为230mm ×2100mm 结晶器、拉速为115m/min 、15°底部凹陷水口、倾入深度为100mm 、吹氩量为5L/min结晶器液面波动与液面流速分布与关系。
(a )230mm ×1200mm ; (b )230mm ×2100mm图3 结晶器液面波动和液面流速3 中间包液位与结晶器液面波动水模型研究不同中间包液面高度对结晶器流场的影响发现,中间包液面高度升高,塞棒处出口压力增加,流量增加,为保持液面和拉速的稳定,必须调整塞棒开口度,塞棒开口处流速增大,浸入式水口出口处压力增大,流速增加,水口出口流股对结晶器流场的冲击增大,结晶器液面波动增加。
当中间包液面降低到500mm 以下时,中间包水口尽管设有坝堰,水口的冲击和塞棒虹吸共同搅动致使中间包液面剧烈波动,当中间包液位下降到400mm 以下时,中间包出现漩涡虹吸现象,间歇性吸入空气。
如图4(a )为230mm ×1200mm 结晶器,拉速114m/min ,浸入深度100mm ,吹氩量5L/min 时距离结晶器中心150mm 、200mm 、400mm 、500mm 、550mm 处结晶器液面波动随中间包液位的变化规律,随中间包液位的升高结晶器各点波动都升高。