天鋼板坯結(jié)晶器流場物理模擬及連鑄工藝優(yōu)化

李炳一

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠，天津 300301)

天鋼板坯結(jié)晶器流場物理模擬及連鑄工藝優(yōu)化

李炳一

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠，天津 300301)

為研究結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場，通過對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化，進(jìn)一步提高鑄坯質(zhì)量，以天津鋼鐵集團(tuán)有限公司4#-VAI板坯連鑄結(jié)晶器為原型進(jìn)行水模試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)拉速、水口浸入深度，研究了結(jié)晶器內(nèi)流場形態(tài)、液面波動(dòng)、流場沖擊深度和保護(hù)渣形貌等的變化情況。模擬試驗(yàn)表明，在現(xiàn)有參數(shù)和水口尺寸情況下，結(jié)晶器流場合理、液面渣層平穩(wěn)、坯殼厚度均勻，能夠滿足鑄坯質(zhì)量要求。

板坯連鑄 結(jié)晶器 流場 物理模擬

1 引言

結(jié)晶器是連鑄機(jī)的核心設(shè)備，保證了連鑄坯坯殼的穩(wěn)定形成，使鋼水中夾雜物的進(jìn)一步上浮分離以及初生坯殼的生成都在結(jié)晶器內(nèi)完成。在此過程中，要防止注流對(duì)局部凝固坯殼的沖刷和保護(hù)渣的卷入，導(dǎo)致初生坯殼的厚度不均勻，造成拉漏或產(chǎn)生鑄坯表面裂紋缺陷。

液面波動(dòng)是結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場合理性和活躍性的表現(xiàn)形式，如果結(jié)晶器液面過于平靜，會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣熔化不好，造成鑄坯表面缺陷，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成鋼水液面凝固結(jié)殼，導(dǎo)致結(jié)晶器漏鋼。如果結(jié)晶器液面波動(dòng)太大，會(huì)造成結(jié)晶器卷渣、鋼水二次氧化，同樣會(huì)導(dǎo)致鑄坯夾雜與表面缺陷。本文通過結(jié)晶器的水模實(shí)驗(yàn)[1-5]，主要包含液面波動(dòng)的測量、沖擊深度的測量及結(jié)晶器流場演示，進(jìn)行結(jié)晶器鋼液面保護(hù)渣覆蓋情況的物理模擬，歸納其變化規(guī)律及產(chǎn)生鑄坯內(nèi)部夾雜和表面缺陷的原因，給連鑄工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)，解決連鑄生產(chǎn)過程中因?yàn)榻Y(jié)晶器液面波動(dòng)、卷渣等情況引起的鑄坯夾雜物及表面缺陷等問題。

2 試驗(yàn)原理及水模的建立

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

結(jié)晶器內(nèi)的鋼液在流動(dòng)時(shí)受到的作用力：慣性力、重力、粘性力及表面張力，包含這些力的相似準(zhǔn)數(shù)有：雷諾準(zhǔn)數(shù)（Re)、弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)（Fr)和韋伯準(zhǔn)數(shù)（We)。而相對(duì)于鋼水運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)量和自身重力，主要考慮慣性力和重力的作用，粘性力的影響忽略不計(jì)，需滿足準(zhǔn)數(shù)相等，即：

其中，m為原型，p為模型，下文相同。

則有：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，在實(shí)驗(yàn)中用水來作為?；橘|(zhì)，以1:2的比例建立結(jié)晶器的物理模型，使用有機(jī)玻璃制作結(jié)晶器模型，考慮到結(jié)晶器出口流體流動(dòng)與水箱出水后的流動(dòng)有所不同，在滿足相似比的基礎(chǔ)上該模型的長度再增加1倍，以減小水從模型流出后的流動(dòng)對(duì)模型內(nèi)流場的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用循環(huán)水控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，裝置原理如圖1所示，主要由水路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2部分組成，流量計(jì)和塞棒用來調(diào)節(jié)拉速和控制液面。采用水工測量儀，定量測定結(jié)晶器內(nèi)液面的波動(dòng);采用DJ800型水工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成結(jié)晶器液位的測量工作;在塞棒內(nèi)加入墨水作為示蹤劑，觀察流股的形狀，測量沖擊深度。

圖1 結(jié)晶器模擬實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定

已知長度相似比

由公式（1)可得到如下關(guān)系：

速度相似比：

對(duì)鑄坯厚度250 mm斷面條件下的結(jié)晶器過程進(jìn)行了模擬，進(jìn)行0.9～1.4 m/min的6種拉速實(shí)驗(yàn)。

2.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

試驗(yàn)內(nèi)容：此次研究中，結(jié)晶器的水模實(shí)驗(yàn)主要包含液面波動(dòng)的測量、沖擊深度的測量及流場顯示，保護(hù)渣覆蓋情況的物理模擬。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 液面波動(dòng)測量

3.1.1 液位波動(dòng)測量結(jié)果

研究中對(duì)斷面250×2 100 mm2、6種拉速工況條件下的結(jié)晶器液面波動(dòng)進(jìn)行了測定，結(jié)晶器模型液面波動(dòng)波高的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 各工況下的液面波高測量結(jié)果

3.1.2 液面波動(dòng)測量結(jié)果分析

由表1可以看出，實(shí)驗(yàn)條件下，結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)平穩(wěn)，波高基本都在1 mm以下，在拉速較大（＞1.3 m/min)時(shí)波動(dòng)比較小，平均波動(dòng)峰值均未超過1.5 mm，根據(jù)相似比可得知結(jié)晶器內(nèi)鋼液的平均波動(dòng)高也均未超過3 mm。

但是隨拉速的不斷增加，各測點(diǎn)波高和平均波高都有上升趨勢，即波高隨拉速的增加而增加。通過對(duì)平均波高的線性回歸分析可以看出，各斷面下平均波高（y/mm)與拉速（x/m·min-1)的線性關(guān)系顯著，平均波高與拉速的線性關(guān)系如下式所示。

3.2 沖擊壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 沖擊壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

同樣對(duì)斷面250×2 100 mm2，6種拉速工況條件下流股對(duì)側(cè)壁沖擊壓力進(jìn)行了測定，各工況下各測點(diǎn)的沖擊壓力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 流股對(duì)側(cè)壁沖擊壓力

3.2.2 沖擊壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為減少水口射流對(duì)坯殼的沖刷，要求沖擊壓力要盡量小。從表2中可以看出，各斷面及拉速條件下各測點(diǎn)的沖擊壓力都很小，很多測點(diǎn)測量值為負(fù)（測量值為負(fù)是由水的回流形成負(fù)壓造成的)。在所有的實(shí)驗(yàn)條件下，所測得的最大沖擊壓力為-40 Pa。這說明由于從水口流出的流股較分散，速度較小，而且到達(dá)窄邊的路徑較長，所以水口射流沒有對(duì)窄邊坯殼的形成沖擊。

3.3 流場顯示及沖擊深度實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 流場顯示及沖擊深度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)0.9～1.4 m/min 6種不同拉速條件下的結(jié)晶器內(nèi)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，記錄沖擊深度，250×2 100 mm2，見表3。

表3 各工況條件下的沖擊深度

3.3.2 流場顯示及沖擊深度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

鋼液從水口側(cè)孔流出后沖擊到結(jié)晶器的窄面，然后形成上下兩部分流股，上面的鋼液流股沖擊窄邊后沿液面向結(jié)晶器水口方向流動(dòng)形成結(jié)晶器上部回旋區(qū)，下面流股沖擊窄面后向下運(yùn)動(dòng)形成結(jié)晶器下回旋區(qū)。鋼液流股從水口側(cè)孔流出時(shí)，結(jié)晶器充滿度較好，鋼液流股張角比較大，鋼液分布比較分散，對(duì)結(jié)晶器窄面的沖擊面積較大，所以鋼液流股對(duì)結(jié)晶器窄面的沖擊壓力比較小。6種不同拉速條件下鋼液流場的形態(tài)差異不大，只有流股速度和墨水?dāng)U散速度隨著拉速的增大而加快，下部流股向下沖擊的深度也隨著拉速增大而變大。因此，從流場形態(tài)上來看，現(xiàn)用水口的結(jié)構(gòu)尺寸比較合理。

3.4 保護(hù)渣模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.4.1 保護(hù)渣模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中液渣層即油層原始厚度為15～20 mm，各斷面及拉速條件下結(jié)晶器液面保護(hù)渣覆蓋的模擬結(jié)果如圖2和表4所示。

圖2 結(jié)晶器液面模擬保護(hù)渣形貌（斷面：250×2 100 mm2)

表4 保護(hù)渣模擬結(jié)果（斷面：250×2 100 mm2)

3.4.2 保護(hù)渣模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖2可以看出，一般情況下，靠近結(jié)晶器窄邊的液渣層略薄，窄邊和水口中間相對(duì)較厚，而且隨著拉速增加，液渣層的不均勻程度增加，這主要是上部分回流的沖擊和剪切作用造成的。在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)條件下，渣層平穩(wěn)，液渣厚度較均勻;液渣層厚度差較小，各斷面及拉速條件下的最大厚度差在1～10 mm之間不等，水油界面較活躍。即使在拉速較高（1.3 m/min、1.4 m/min)的實(shí)驗(yàn)條件下，液渣層的厚度差達(dá)到8～10 mm。

因此，總的說來，在各斷面及拉速＜1.5 m/min條件下，渣層平穩(wěn)，液渣覆蓋較均勻，能滿足連鑄過程對(duì)保護(hù)渣覆蓋的要求。

4 結(jié)論

（1)通過水模試驗(yàn)可知，實(shí)際生產(chǎn)中結(jié)晶器液面比較平穩(wěn)，絕大多數(shù)情況下的波高都在2 mm左右。在拉速較大（1.3 m/min、1.4 m/min)時(shí)結(jié)晶器液面波動(dòng)在3 mm左右，拉速在1.5 m/min時(shí)，結(jié)晶器液位波動(dòng)大于3 mm。

（2)通過實(shí)驗(yàn)測得的注流的最大沖擊壓力為-40 Pa。這說明由于從水口流出的流股較分散，速度較小，而且到達(dá)窄邊的路徑較長，所以水口射流對(duì)窄邊坯殼沒有形成沖擊，對(duì)窄邊坯殼不能形成明顯影響。

（3)通過保護(hù)渣模擬試驗(yàn)，可知在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)條件下，渣層平穩(wěn)，液渣厚度較均勻，液渣層厚度差較小，水油界面活躍;即使在拉速較高（1.3 m/min、1.4 m/min)的實(shí)驗(yàn)條件下，液渣層的厚度差也只是達(dá)到8～10 mm，液面活躍但不會(huì)出現(xiàn)裸露。

（4)通過天鋼結(jié)晶器流場物理模擬試驗(yàn)表明，結(jié)晶器流場比較合理。實(shí)際拉速控制在1.5 m/min以下時(shí)，液渣覆蓋較均勻，結(jié)晶器液位波動(dòng)可以控制在3 mm以內(nèi)，渣層平穩(wěn)，能夠滿足連鑄過程對(duì)保護(hù)渣覆蓋的要求。

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(TISG Steel-making Subsidiary,Tianjin 300301,China)

Physical Simulation and Casting Process Optimization of TISG Slab Caster Mould Flow Field

Li Bingyi

In order to study the flow field of liquid steel inside mould and furtherimprove slab quality by parameter optimization,the author,utilizing the mould of TISG VAI Slab Caster 4 as a model,carried out hydraulic model experiment to analyze mould flow field form,meniscus fluctuation,flow field impact depth and mould slag morphology.Simulation test showed thatslab quality requirementcould bemetby reasonable mould flow field,stable slag layer and uniform shell thickness with existing parameter and nozzle dimension.

slab casting,mould,flow field,physical simulation

李炳一（1968—)，男，天津人，工程師，主要從事生產(chǎn)工藝技術(shù)管理工作。

（收稿 2011-11-25 編輯 崔建華)