降低大方坯中間包臨界液面高度工藝研究

徐向陽(yáng)，馬勇，張曉軍，張曉光

（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山114021；（2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

降低大方坯中間包臨界液面高度工藝研究

徐向陽(yáng)1，馬勇1，張曉軍1，張曉光2

（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山114021；（2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

中間包底部水口附近結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)形態(tài)影響中包臨界液面高度。通過(guò)在中間包底部水口附近加抑流件的水模型優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及工業(yè)試驗(yàn)，確認(rèn)了加抑流件可以降低中包臨界液面高度，在工業(yè)生產(chǎn)中抑流件使用是安全的，中間包合理停澆液面對(duì)尾坯純凈度無(wú)影響。

中間包；水口；臨界液面；水模型；抑流件

中間包底部水口結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)狀態(tài)直接影響中間包、結(jié)晶器的鋼水質(zhì)量和安全。一般設(shè)計(jì)規(guī)定，出水口的布置應(yīng)滿足鋼流順暢、流速均勻、中間包內(nèi)流態(tài)良好、不出現(xiàn)吸氣旋渦和旋流的要求，保證水口有良好的吸抽鋼水條件。大量研究表明，水口處流態(tài)的主要影響因素為：中間包內(nèi)部形狀、尺寸及附近鋼水流動(dòng)條件、上水口內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置等，不良的流態(tài)往往伴隨著旋渦等水力現(xiàn)象的出現(xiàn)。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠大方坯中包臨界液面相對(duì)較高，為接近300 mm。因此，有必要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室水模實(shí)驗(yàn)結(jié)合工業(yè)試驗(yàn)探究合理的中包底部水口附近結(jié)構(gòu)布置，以降低其對(duì)中包臨界液面的影響，進(jìn)一步確定出更符合生產(chǎn)實(shí)際的中包水口結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1　渦流產(chǎn)生臨界液面的水模試驗(yàn)

1.1建立水模型

以鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠大方坯連鑄中間包作為研究對(duì)象，建立實(shí)驗(yàn)室水力模型進(jìn)行大方坯連鑄中間包抑制渦流水模實(shí)驗(yàn)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)置并考慮生產(chǎn)實(shí)際，最大限度降低大方坯連鑄中間包內(nèi)液面卷渣高度。

以該廠大方坯連鑄中間包為原型，按1:2的模型比例制作模型裝置，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1、2所示。大方坯連鑄中間包模型由有機(jī)玻璃制成，以水代替鋼液，用示蹤粒子跟蹤水模型內(nèi)部流場(chǎng)變化。

1.2實(shí)驗(yàn)方案

在中間包包底水口附近加小方磚抑流裝置，通過(guò)設(shè)置抑流裝置破壞出水口處旋轉(zhuǎn)流動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到抑制卷渣，降低卷渣高度的目的，實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)量產(chǎn)生不同類型漩渦的初始高度。抑流裝置小方磚最近斷面距離距水口邊緣距離為L(zhǎng)，分別為0、10、20 mm。原型包水口（不加抑流件）與設(shè)置抑流件的實(shí)驗(yàn)方案具體見(jiàn)圖3。

測(cè)量原型包和不同的加抑流件方案的情況下，包底出水口上方液面發(fā)生卷渣的高度，以及通過(guò)設(shè)置抑流裝置破壞出水口處旋轉(zhuǎn)流動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到抑制卷渣，降低卷渣高度的目的。模擬澆鋼拉速0.75 m/min。每個(gè)試驗(yàn)方案進(jìn)行3次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性。

1.3水模實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表面凹陷渦、間斷凹陷渦的各方案結(jié)果進(jìn)行比較分析，表面凹陷渦的出現(xiàn)可視為液面渦流的開(kāi)始，間斷凹陷渦的出現(xiàn)可視為液面卷渣的開(kāi)始。實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

對(duì)各方案分析并比較其平均高度的優(yōu)劣，與生產(chǎn)實(shí)際a（原型包）比較結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，產(chǎn)生表面凹陷渦的高度為129 mm,，間斷吸氣渦的高度為71 mm。與生產(chǎn)實(shí)際a（原型包）方案相比，對(duì)于表面凹陷渦出現(xiàn)時(shí)的平均液位，（d）（L=20 mm）方案降低幅度最大，為46.5%；降幅最小的為 （b）（L=10 mm）方案,為27.1%。

對(duì)于間斷吸氣渦（卷渣開(kāi)始）出現(xiàn)時(shí)的平均液位，（d）（L=20 mm）方案降低幅度最大，為55.5%；降幅最小的為（b）（L=10 mm）方案,為31.0%。

通過(guò)以上對(duì)比后認(rèn)為，（d）（L=20 mm）方案較優(yōu)。

表1　各個(gè)實(shí)驗(yàn)方案液面旋渦現(xiàn)象及所對(duì)應(yīng)的液面高度

表2　渦流平均高度比較表

2　降低中間包臨界液面工業(yè)試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)優(yōu)化方案

綜合實(shí)驗(yàn)觀察及卷渣高度測(cè)試分析結(jié)果認(rèn)為，較好的方案是采用單磚（d）（L=20 mm）方案進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，并與生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行取樣分析比較。生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用抑流裝置及布置方式見(jiàn)圖4～6。在中間包烘烤前將抑流件安裝在水口旁，具體尺寸見(jiàn)圖4。為對(duì)比不同水口之間加和不加抑流件的結(jié)果，在1#、2#水口安裝抑流件，以便與3#、4#（不安裝抑流件）水口進(jìn)行鑄坯試樣分析對(duì)比。

2.2中間包準(zhǔn)備

抑流件用抗侵蝕的鎂碳磚按設(shè)計(jì)尺寸切割而成。為判斷抑流件是否抗侵蝕，在中間包中埋入抑流件，判斷是否能承受一個(gè)澆次的鋼水侵蝕。在方坯重軌鋼的中間包內(nèi)埋入抑流件，試驗(yàn)一個(gè)澆次18罐。結(jié)果表明，抑流件能夠承受鋼水的侵蝕，形狀完好，中間包內(nèi)襯鎂質(zhì)涂抹料能夠很好地固定抑流件。試驗(yàn)后抑流用耐火磚狀態(tài)圖見(jiàn)圖7。抑流件中間包砌筑圖見(jiàn)圖8。

2.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

在方坯重軌鋼上進(jìn)行了2次工業(yè)試驗(yàn)，每個(gè)澆次各18罐，當(dāng)中間包澆注到最后1罐鋼包停澆，直至中間包內(nèi)液位由300 mm（10 t鋼水），關(guān)閉3、4流（不安裝抑流件）水口滑板停澆，液位繼續(xù)下降到150 mm（6 t鋼水）時(shí)1、2流關(guān)滑板停澆，對(duì)比不加抑流件300 mm液位停澆與加抑流件150 mm液位停澆條件下，停澆時(shí)中包相應(yīng)水口鑄余頭上部殘鋼的潔凈度。

2.3.1試驗(yàn)后的抑流件

試驗(yàn)后，經(jīng)翻包檢查發(fā)現(xiàn)抑流件完好無(wú)損，見(jiàn)圖9。再次確認(rèn)了其安全性和可靠性。

2.3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

2次試驗(yàn)取樣為中間包澆注后的水口處鑄余頭部，見(jiàn)圖10。對(duì)水口鑄余頭部取樣分析試驗(yàn)流及對(duì)比流的氧含量、氮含量，分析結(jié)果見(jiàn)圖11。

水口鑄余頭部的的T［O］、［N］分析結(jié)果表明，試驗(yàn)流水口150 mm液位時(shí)加抑流件水口與沒(méi)加抑流件300 mm液位相比，T［O］、［N］沒(méi)有明顯變化，甚至略好于對(duì)比流。水口鑄余頭部氧化物分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　鑄坯氧化物分析結(jié)果　%

由表3的分析結(jié)果可以看出，150 mm液位與300 mm液位相比，氧化物夾雜總量波動(dòng)不大，150 mm液位時(shí)加抑流件水口與沒(méi)加抑流件相比，氧化物成分沒(méi)有明顯變化。

3　結(jié)論

（1）為了降低大方坯中間包臨界液面高度，提出了在中間包底部水口附近增加抑流件的工藝設(shè)想，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室水模實(shí)驗(yàn)以及工業(yè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該工藝的可行性。

（2）水模實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，中包水口附近抑流件能夠降低產(chǎn)生旋渦的最低高度，抑流件的尺寸、形狀、位置對(duì)旋渦高度的影響存在差異，通過(guò)水模實(shí)驗(yàn)確定了單磚距水口20 mm為最佳方案。

（3）工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，增加抑流件后，中間包臨界液面高度可從300 mm降至150 mm，在降低澆次尾罐停澆液位高度的同時(shí)保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量基本一致。

（編輯 許營(yíng)）

Study on Process for Reducing Height of Critical Liquid Level of Molten Steel in Bloom Tundish

Xu Xiangyang1，Ma Yong1，Zhang Xiaojun1，Zhang Xiaoguang2
（1.General Steelmaking Plant of Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning，China；2.Iron&Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009,Liaoning,China）

The structure and flow pattern in the vicinity of the nozzle at the bottom of the tundish can influence the height of the critical liquid level of molten steel in tundish.Based on experiments of optimization of the water model and industrial tests by installing flow-controlled devices nearby the nozzle at the bottom of the tundish it is confirmed that the newly installed flowcontrolled devices can reduce the height of the critical liquid level of molten steel in tundish and it is also safe to use the flow-controlled devices in industrial production.So the suitable liquid level of molten steel in tundish has no side effect on the purity of the tail casting strands after stopping casting.

tundish;nozzle;critical liquid level of molten steel;water model;flow-controlled device

TF777

A

1006-4613（2015）02-0020-04

徐向陽(yáng)，高級(jí)工程師，1998年畢業(yè)于包頭鋼鐵學(xué)院鋼鐵冶金專業(yè)。

E-mail:25784960@qq.com

2014-09-04