板坯結(jié)晶器內(nèi)偏流現(xiàn)象的模擬研究

魏宏武

(安陽鋼鐵股份有限公司 河南安陽455004)

板坯結(jié)晶器內(nèi)偏流現(xiàn)象的模擬研究

魏宏武①

(安陽鋼鐵股份有限公司 河南安陽455004)

針對某鋼廠SPHE卷板質(zhì)量異議中夾渣缺陷問題，采用模擬手段分析了因結(jié)晶器偏流導(dǎo)致的卷渣漏鋼現(xiàn)象的嚴(yán)重程度，并據(jù)此對煉鋼連鑄工序進行了相應(yīng)的工藝調(diào)整。模擬分析結(jié)果表明，當(dāng)浸入式水口對中不良、水口結(jié)瘤及塞棒端頭或碗部局部結(jié)瘤等情況出現(xiàn)時都會出現(xiàn)結(jié)晶器流場和液面速度的不對稱。在水口不對稱度為5%時，水口附近出現(xiàn)較大漩渦。根據(jù)模擬分析結(jié)果在采取相應(yīng)工藝措施后，SPHE鋼連鑄漏鋼事故發(fā)生率得到完全控制，SPHE卷板皮下夾渣現(xiàn)象也得以有效控制。

偏流 卷渣 板坯結(jié)晶器 數(shù)值模擬 物理模擬

1 前言

結(jié)晶器內(nèi)本身存在偏流現(xiàn)象(包括板坯與方坯)，即使是在所謂的穩(wěn)態(tài)澆注條件下。結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動通常為紊流形式，這種流動形式造成結(jié)晶器內(nèi)流場的不對稱性，這是客觀存在的，也是無法克服的。針對這方面的數(shù)值模擬，一般情況下都視結(jié)晶器結(jié)構(gòu)上完全對稱，計算時只考慮其結(jié)構(gòu)的1/2或1/4進行建模，然而，這一點卻是可以通過物理模擬(水模擬實驗)來進一步驗證的。生產(chǎn)實踐中，結(jié)晶器內(nèi)流場的不對稱性往往是由于操作不當(dāng)造成的，或者由于澆注條件的改變造成的——浸入式水口局部結(jié)瘤、水口對中不良、塞棒端頭或碗部局部結(jié)瘤等情況都會引起澆注條件的改變。

某鋼廠3#板坯連鑄機所澆注的冷軋基料用低碳低硅鋼SPHE板坯在2013年03月份以來頻繁出現(xiàn)漏鋼事故(平均每月4次)和鑄坯皮下夾渣現(xiàn)象，經(jīng)事故坯及夾渣成分檢驗，發(fā)現(xiàn)其中存在不少的K、Na等元素，這與結(jié)晶器保護渣的卷入存在直接的對應(yīng)關(guān)系。鑒于此，特別針對結(jié)晶器內(nèi)流場的偏流現(xiàn)象所造成的卷渣進行了相應(yīng)的數(shù)值模擬和物理模擬，來較為客觀的闡述這一現(xiàn)象，以期引起操作和工藝上的重視，指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。

2 SPHE鋼質(zhì)量現(xiàn)狀

某鋼廠3#板坯連鑄機現(xiàn)主要用于生產(chǎn)低碳鋼，系列牌號包括18個鋼種，系列中的SPHE低碳低硅鋼因用于面板對鑄坯表面及皮下質(zhì)量要求較高。同時，因高拉速條件下無法保證工藝順行，且容易出現(xiàn)卷渣型漏鋼現(xiàn)象，因此規(guī)定其正常拉速為1.6m/min。

SPHCE所采用的工藝流程為“150t轉(zhuǎn)爐—氬站—LF爐—VD—雙流板坯連鑄”。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，3#機由于拉速高，漏鋼事故頻有發(fā)生(這種卷渣漏鋼多始于結(jié)晶器窄面區(qū)域)，鑄坯伴有皮下夾渣現(xiàn)象。通過下游用戶對使用該鋼廠生產(chǎn)的SPHE卷板反映其總體質(zhì)量水平完全能夠滿足需求，只是在質(zhì)量異議中時有夾雜缺陷發(fā)生。經(jīng)調(diào)查，這種質(zhì)量異議多數(shù)是在非穩(wěn)態(tài)澆注條件下生產(chǎn)的鑄坯所致。

3 結(jié)晶器偏流影響因素分析

該文重點圍繞結(jié)晶器偏流的3個影響因素進行數(shù)值模擬和物理模擬的分析，這3個影響因素包括：浸入式水口不對中、浸入式水口結(jié)瘤以及塞棒控流區(qū)結(jié)瘤等。其中，對第1個影響因素進行兩種模擬的對比分析；對第2個影響因素進行數(shù)值模擬分析；對第3個影響因素因模擬的復(fù)雜性和準(zhǔn)確性問題，只進行生產(chǎn)實踐中的一些說明。

下面對兩種模擬所采用的一些方法和模擬參數(shù)以及SPHE鋼的澆注參數(shù)進行簡單說明：

1)數(shù)值模擬中用到的基本原理、基本假設(shè)、控制方程及邊界條件設(shè)置詳見文獻[1-6]。其中，夾雜物運動軌跡模型的建立用到了夾雜物顆粒的近似處理、夾雜物粒子的受力分析和夾雜物在鋼液中的運動模型分析，該部分內(nèi)容詳見文獻[7-9]。模擬采用FLUENT通用軟件。

2)物理模擬為數(shù)值模擬提供了相應(yīng)的驗證數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬與物理模擬的結(jié)果相結(jié)合使問題更有說服力。為此，選用流場示蹤的方法對數(shù)值模型進行驗證。結(jié)晶器模型采用有機玻璃制作，同時，采用黃油模擬渣層，采用塑料顆粒對夾雜物進行流場示蹤。

表1 模擬用鑄機典型工藝參數(shù)

3.1 水口不對中對結(jié)晶器流場的影響

浸入式水口不對中在生產(chǎn)中是比較常見的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象多由生產(chǎn)節(jié)奏匹配及操作習(xí)慣與對中精度不夠所致。

1)數(shù)值模擬

為描述水口偏離鑄機中心線的偏離程度，引入不對稱度的概念：

R=d/D×100%

(1)

式中R—水口安裝的不對稱度，無量綱參數(shù)；d—水口中心線偏離鑄機中心線的距離，mm；D—結(jié)晶器的寬度，mm。

按照此類模擬一般的模擬習(xí)慣，選取R=2%和5%兩種典型的不對稱度進行水口安裝不對中對結(jié)晶器流場偏流程度的影響。

模擬條件用到了結(jié)晶器斷面、拉速和浸入式水口插入深度，詳見表1數(shù)據(jù)。兩種不對稱度條件下的結(jié)晶器中心面和液面速度場如圖1。

圖1 兩種R下的結(jié)晶器流程

由圖1可以看出：

(1)水口不對中造成結(jié)晶器流場的不對稱較為明顯，且R越大，不對稱程度越大。

(2)下部流場的不對稱同時導(dǎo)致液面附近形成漩渦，且R越大，出現(xiàn)的漩渦也越大，這直接導(dǎo)致卷渣的形成。

進一步的模擬發(fā)現(xiàn)，這種漩渦是由水口高速出流的流體與回流方向的低速流體(幾乎屬于水平流動狀態(tài))相撞剪切形成的。以下的物理模擬更為直觀的說明了這一點。

2)物理模擬

通過物理模擬實驗可以清晰地看到卷渣現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 物理模擬的卷渣現(xiàn)象

(1)由液面引發(fā)的渦流發(fā)展較深，并在出流處破碎分散。

(2)R值越大，引發(fā)液面漩渦并造成卷渣的幾率越大。上述兩種方式的模擬分析與文獻[8]有相同的研究結(jié)論。

3.2 水口結(jié)瘤對結(jié)晶器流場的影響

該鋼廠3#板坯連鑄機所澆注的低碳鋼主要采用Al脫氧，生成的Al2O3夾雜極易造成水口結(jié)瘤。對于水口結(jié)瘤一般分為上部結(jié)瘤和出口結(jié)瘤，該鋼廠水口結(jié)瘤以出口結(jié)瘤為主?，F(xiàn)場的原因查找中也發(fā)現(xiàn)了水口出口結(jié)瘤實物，見圖3。按照一般的模擬方法，定義了結(jié)瘤率的概念，即結(jié)瘤面積占整個側(cè)孔出口面積的比例，見圖4。

為簡化模擬，提高計算速度，假設(shè)結(jié)瘤部分只存在于浸入式水口出口的一側(cè)，結(jié)瘤面積分別取1/5和1/2的兩種情況。模擬條件用到了結(jié)晶器斷面、拉速和浸入式水口插入深度，詳見表1數(shù)據(jù)。圖5所示為3種結(jié)瘤情況下結(jié)晶器上部水口附近的流場速度圖。

圖3 浸入式水口出口結(jié)瘤物

圖4 浸入式水口左側(cè)出口結(jié)瘤模型

圖5 浸入式水口出口不同結(jié)瘤率 對結(jié)晶器上部流場的影響

由圖5可知：

1)浸入式水口出口部分結(jié)瘤后，鋼流流股更多的從未結(jié)瘤側(cè)流入結(jié)晶器，因此水口兩側(cè)流股不對稱，結(jié)瘤后對出口速度有顯著影響。

2)結(jié)瘤側(cè)回流中心位置上移，出口流股速度減弱，該側(cè)液面流動速度減小，另一側(cè)則相應(yīng)增強。

這樣，造成結(jié)晶器液面水口兩側(cè)鋼液流速不對稱，直接導(dǎo)致漩渦的產(chǎn)生，嚴(yán)重的將造成液面卷渣現(xiàn)象的發(fā)生。

工況條件下，塞棒控流過程中，由于其操作過程中的升降加上鋼液本身的湍流作用，水口結(jié)瘤物很可能隨鋼流沖刷而脫落。如果有較大結(jié)瘤物因此而滯留鑄坯中，在拉坯交變應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下很可能造成漏鋼。即便不影響生產(chǎn)順行，也極有可能導(dǎo)致隨后的軋制缺陷。

3.3 塞棒控流區(qū)結(jié)瘤對結(jié)晶器流場的影響

塞棒端頭或碗部局部結(jié)瘤等情況所造成的結(jié)晶器偏流有如下幾種情況：

1)該區(qū)域結(jié)瘤后，鋼流在重力作用下以較為異常的角度通過浸入式水口流入結(jié)晶器，出口鋼流存在一定的發(fā)散現(xiàn)象，直接導(dǎo)致結(jié)晶器流場的紊亂，造成偏流。

2)如果該處的結(jié)瘤物被鋼流沖刷并隨鋼流進入結(jié)晶器，這些尺寸相對較大的結(jié)瘤物在被凝固坯殼捕捉的情況下，較易造成拉坯漏鋼。

3)如果該處脫落的結(jié)瘤物滯留浸入式水口內(nèi)壁或者水口出口處，將會加重結(jié)晶器偏流現(xiàn)象的程度，造成較嚴(yán)重的卷渣。

另外，塞棒端頭或碗部局部結(jié)瘤一旦形成，控流精度受到不同程度的影響，甚至難以控流，直接影響生產(chǎn)順行，這種影響所造成的負面效應(yīng)遠遠超出偏流的影響。

4 改進措施及效果

4.1 改進措施

通過上述分析，不難發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器偏流對連鑄生產(chǎn)造成的危害程度，為此，主要采取了如下措施予以控制：

1)煉鋼工序規(guī)范Al脫氧工藝，將先前的鋁線改為鋁鐵，Ar站一次性將Al加足，減輕精煉頻繁調(diào)鋁，以避免最后一次調(diào)鋁后因節(jié)奏緊張軟攪拌時間不足。同時，強化鈣處理工藝，采用鋁鈣復(fù)合包芯線代替鈣鐵線。

2)連鑄工序加強了現(xiàn)場操作精度，使浸入式水口位于結(jié)晶器的正中央，以控制液面漩渦，避免漩渦卷渣的產(chǎn)生。

3)采用較大口徑的中包下水口，嚴(yán)禁沖棒操作，嚴(yán)格執(zhí)行恒拉速操作規(guī)程。

4.2 改進效果

1)課題攻關(guān)后，統(tǒng)計2014年05月份到09月份數(shù)據(jù)表明無一次因卷渣原因造成的漏鋼事故發(fā)生，生產(chǎn)順行率幾乎達到百分百，皮下夾渣現(xiàn)象顯著改善。

2)新近的5次客戶走訪反映SPHE卷板未發(fā)生任何因夾雜缺陷造成的使用問題。

5 結(jié)論

1)當(dāng)水口對中不良、水口結(jié)瘤及塞棒端頭或碗部局部結(jié)瘤等情況都會出現(xiàn)結(jié)晶器流場和液面速度的不對稱。在水口不對稱度為5%時，水口附近出現(xiàn)較大漩渦。

2)煉鋼連鑄工序工藝調(diào)整后，漏鋼事故發(fā)生率得到完全控制，SPHE卷板皮下夾渣現(xiàn)象得到有效控制。

[1]Youjong KWON, Jian ZHANG, Hae-Geon LEE Water Model and CFD Studies of Bubble Dispersion and Inclusions Removal in Continuous Casting Mold of Steel. ISIJ Internation.2006,Vol.46(2):256-267.

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[3]文光華，李剛，張建春.高速板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)流場、溫度場的數(shù)值模擬[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1997,Vol.20(6):24-27.

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Simulation Study on the Bias Current in Slab Mold

Wei Hongwu

(Anyang Iron and Steel Group Co., Ltd., Anyang 455004)

Severity of the breakout due to the bias current of the slag entrapment had been analyzed by meams of simulation according to SPHE rolled plate with inclusion defects in quality in a certain steel plant. And the corresponding adjustment process for the steelmaking and continuous casting process had also been conducted. Simulation results showed that the SEN off the center, nozzle blockage or the stopper flow control area blockage, could lead to asymmetry between mold flow field and liquid surface velocity. When the nozzle asymmetry degree was 5%, a lager vortex would appear near the nozzle. After taking the corresponding technological measures, SPHE steel leakage accidents had been gotten fully control, and the hypodermic inclusion in the SPHE rolled plate also been controlled effectively.

Bias current Slag entrapment Slab mold Numerical simulation Physical simulation

魏宏武，男，1971年出生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)冶金機械專業(yè)，機械高級工程師，安陽鋼鐵股份有限公司第二煉軋廠，長期從事設(shè)備技術(shù)管理工作

TF777

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.01.006

2014-10-29)