板坯連鑄結(jié)晶器浸入式水口結(jié)構(gòu)研究

張慧書 吳國(guó)璽 陳 韌 孫 野 戰(zhàn)東平 劉 越

(1.遼寧科技學(xué)院冶金學(xué)院，遼寧本溪 117004;2.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110004)

板坯連鑄結(jié)晶器浸入式水口結(jié)構(gòu)研究

張慧書1吳國(guó)璽1陳 韌1孫 野1戰(zhàn)東平2劉 越2

(1.遼寧科技學(xué)院冶金學(xué)院，遼寧本溪 117004;2.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110004)

在實(shí)驗(yàn)室條件下，基于某廠實(shí)際水口結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)狀況重新設(shè)計(jì)了4種不同結(jié)構(gòu)的浸入式水口，然后采用1∶1的水模型對(duì)該廠600 mm×170 mm斷面板坯連鑄結(jié)晶器的流場(chǎng)特征進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析不同拉速下采用不同結(jié)構(gòu)浸入式水口時(shí)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場(chǎng)特征的變化情況，從而優(yōu)選出適合該廠的浸入式水口結(jié)構(gòu)。研究表明，在拉速≤1.6 m/min時(shí)，采用底部形狀為凸底、出口傾角18°、側(cè)出孔尺寸為40 mm×60 mm的橢圓形水口，結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)最為理想，即為最優(yōu)水口結(jié)構(gòu)。

板坯連鑄 結(jié)晶器 浸入式水口 物理模擬 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著冶金技術(shù)的發(fā)展，連鑄已經(jīng)成為鋼鐵生產(chǎn)中一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)[1]。由于結(jié)晶器處于板坯連鑄的核心地位，其內(nèi)部鋼液的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)直接影響到連鑄機(jī)生產(chǎn)是否順利以及鑄坯質(zhì)量的優(yōu)劣。而浸入式水口在提高連鑄可澆性中起到至關(guān)重要作用，其使用效果直接決定著連鑄效率和鋼坯質(zhì)量[2]。因此，有必要對(duì)結(jié)晶器浸入式水口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以改善結(jié)晶器流場(chǎng)，提高鑄坯質(zhì)量[3- 7]。本文針對(duì)某鋼廠在連鑄過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的鋼水粘結(jié)、水口結(jié)瘤、鑄坯卷渣等問(wèn)題，重新設(shè)計(jì)水口結(jié)構(gòu)，采用物理模擬方法與原水口產(chǎn)生的流場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行比較，探究水口結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的影響，對(duì)比分析獲得板坯斷面為600 mm×170 mm時(shí)的最優(yōu)水口結(jié)構(gòu)，以達(dá)到提高鑄坯質(zhì)量、降低粘結(jié)發(fā)生幾率、提高連鑄作業(yè)率等目的。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)裝置及原理

水模型試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。試驗(yàn)采用1︰1有機(jī)玻璃模型進(jìn)行實(shí)物模擬設(shè)計(jì)，以水模擬鋼液，以液態(tài)石蠟?zāi)M保護(hù)渣。利用DJ800浪高儀測(cè)量結(jié)晶器液面波動(dòng)情況，采用攝像機(jī)記錄實(shí)時(shí)流場(chǎng)狀況。根據(jù)相似原理，模型流動(dòng)和原型流動(dòng)應(yīng)保證力學(xué)相似，才能通過(guò)模型流動(dòng)規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)際流動(dòng)狀況?？紤]到鋼水流動(dòng)主要受慣性力和重力控制，所以模型設(shè)計(jì)只考慮幾何和動(dòng)力相似[8]。

因模型比1∶1，所以：

(1)

式中：LS為原型線性尺寸；LM為模型相應(yīng)線性尺寸。

取弗雷德準(zhǔn)數(shù)為決定性準(zhǔn)數(shù)。下標(biāo)M代表模型參數(shù)，S代表原型參數(shù)，則：

FrS=FrM，即：

uS2/g·LS=uM2/g·LM

(2)

流速相似比uM/uS，流量相似比QM/QS分別為：

uM/uS=(LM/LS)0.5=(1/1)=1

(3)

QM/QS=(aM·bM·uM)/

(aS·bS·uS)=1

(4)

式中：aM、aS—模型與原型結(jié)晶器寬度，mm；bM、bS—模型與原型結(jié)晶器厚度，mm。

圖1 水模型試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of water model experimental device

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用的浸入式水口出口為橢圓形，根據(jù)水口底部形狀(見圖2)、出口傾角(θ)、側(cè)出孔面積三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，重新設(shè)計(jì)了4種不同結(jié)構(gòu)的水口進(jìn)行水模擬試驗(yàn)。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，其中編號(hào)N1為該鋼廠原水口的相關(guān)參數(shù)。為了較好地區(qū)分卷渣程度，對(duì)不同的卷渣現(xiàn)象進(jìn)行分級(jí)，如表2所示，渣面狀態(tài)如圖3所示。

圖2 浸入式水口底部形狀Fig.2 Bottom shape of SEN

表1 浸入式水口的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of SEN

表2 卷渣分級(jí)Table 2 Classifications of slag entrainment

2 結(jié)果與分析

2.1 水口底部形狀對(duì)流場(chǎng)的影響

在板坯斷面尺寸為600 mm×170 mm、插入深度120 mm條件下，變化水口底部形狀即采用N1(原水口)和N2兩種水口進(jìn)行水模擬試驗(yàn)，研究拉速變化(1.4、1.5、1.6 m/min)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)特征的影響。圖4、圖5和表3分別為不同的水口底部形狀下，拉速對(duì)沖擊深度、平均波高和卷渣程度的影響。

圖3 渣面狀態(tài)Fig.3 States of slag surface

圖4 不同拉速下N1、N2水口的沖擊深度變化Fig.4 Impact depths of N1 and N2 nozzles obtained at different casting speeds

圖5 不同拉速下N1、N2水口的平均波高變化Fig.5 Average wave heights of N1 and N2 nozzles produced at different casting speeds

由圖4可以看出，在不同拉速下，N1水口的沖擊深度明顯大于N2水口，兩者的差值范圍在30～50 mm。沖擊深度的增加可減輕回旋區(qū)對(duì)彎月面的沖擊，減少漏鋼幾率，并減少液面保護(hù)渣的卷入。此外，由表3可見，N1水口的卷渣程度明顯優(yōu)于N2水口，僅出現(xiàn)液面波動(dòng)或偶有少量渣滴出現(xiàn)，可防止液渣大量地卷入所引起的鋼中外來(lái)夾雜物的生成。由圖5可以看出，N1水口在不同位置的平均波高與N2水口相差不大。綜合比較，凹型水口N2的液面裸露程度明顯大于凸型水口N1，且在較低拉速時(shí)凹型水口就已發(fā)生較凸型水口嚴(yán)重的卷渣，因此可以得出底部凹型結(jié)構(gòu)的浸入式水口不適宜在該廠連鑄機(jī)上使用。

表3 不同拉速下N1、N2水口卷渣程度的比較Table 3 Comparison of slag entrainment levels of N1 and N2 nozzles at different casting speeds

2.2 出口傾角對(duì)流場(chǎng)的影響

在板坯斷面尺寸為600 mm×170 mm、插入深度120 mm條件下，采用N1、N3和N4三種不同出口傾角的水口進(jìn)行水模擬試驗(yàn)。圖6、圖7和表4分別為不同水口傾角時(shí)，拉速對(duì)沖擊深度、平均波高和卷渣程度的影響。

圖7 不同拉速下N1、N3、N4水口的平均波高變化Fig.7 Average wave heights of N1,N3 and N4 nozzles produced at different casting speeds

表4 不同拉速下N1、N3、N4水口卷渣程度比較Table 4 Comparison of slag entrainment levels of N1, N3 and N4 nozzles at different casting speeds

由圖6可以看出，隨著出口傾角的增大，沖擊深度逐漸加深，從而引起液面波動(dòng)減小。由圖7可以看出，結(jié)晶器內(nèi)不同位置的平均波高也隨著出口傾角的增大而趨于平緩，特別是在1/2結(jié)晶器寬度處，N1和N3水口的平均波高在5～8 mm之間，N4水口明顯降低，在2.5～4.5 mm之間。通過(guò)表4可以進(jìn)一步看出，N4水口的卷渣程度最輕。綜上分析，為了防止卷渣的發(fā)生及減少對(duì)彎月面的沖擊、降低粘結(jié)漏鋼的幾率，水口出口傾角適當(dāng)增加有利于改善鋼液的流動(dòng)狀況。

2.3 水口側(cè)出孔尺寸對(duì)流場(chǎng)的影響

在保證水口底部形狀為凸型的基礎(chǔ)上，采用N4、N5兩種不同側(cè)出孔尺寸的水口進(jìn)行水模型試驗(yàn)。圖8～圖10、表5分別為兩種側(cè)出孔面積的水口下，流場(chǎng)特征隨拉速的變化。

從圖8可以看出，隨著側(cè)出孔面積的增大，即側(cè)孔長(zhǎng)徑由60 mm增大到70 mm后，沖擊深度明顯下降。并且從圖9可以看出，沖擊深度的加深對(duì)液面波動(dòng)的影響也比較明顯，N5水口在結(jié)晶器邊部、1/2和1/4寬度處的平均波高均高于N4水口，特別是N5水口在1.6 m/min拉速時(shí)，在1/2結(jié)晶器寬度處的平均波高達(dá)7.1 mm，為極限波高。

圖8 不同拉速下N4、N5水口的沖擊深度變化Fig.8 Impact depths of N4 and N5 nozzles obtained at different casting speeds

圖9 不同拉速下N4、N5水口的平均波高變化Fig.9 Average wave heights of N4 and N5 nozzles produced at different casting speeds

表5 不同拉速下N4、N5水口卷渣程度比較Table 5 Comparison of slag entrainment levels of N4 and N5 nozzles at different casting speeds

從圖10不同拉速時(shí)液面的裸露情況可以看出，N5水口的裸露面積明顯比N4水口的大，在1.6 m/min拉速時(shí)裸露面積已經(jīng)達(dá)到2/3，通過(guò)表5可以看出引起的卷渣程度達(dá)到A5級(jí)。綜合來(lái)看，由于N5水口的側(cè)出孔面積增大，沖擊深度變淺，引起液面波動(dòng)增大，將對(duì)彎月面的形成及穩(wěn)定造成影響，而且保護(hù)渣卷入鋼液的幾率增大，可以得出N4水口優(yōu)于N5水口，更適合該廠的實(shí)際生產(chǎn)。

圖10 不同拉速時(shí)N4、N5水口液面裸露情況Fig.10 Surface exposed situations of N4 and N5 nozzles at different casting speeds

比較4種不同類型的水口設(shè)計(jì)可以看出，底部形狀為凸型、出口傾角18°、側(cè)出孔面積為40 mm×60 mm的水口能更好地適應(yīng)該廠的實(shí)際生產(chǎn)情況，有利于解決粘結(jié)漏鋼及減少卷渣夾雜物的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

(1)浸入式水口的底部形狀、出口傾角、側(cè)出口面積等參數(shù)對(duì)結(jié)晶器流場(chǎng)產(chǎn)生重要影響。凹型水口的液面裸露程度明顯大于凸型水口，且在較低拉速時(shí)凹型水口就已發(fā)生較凸型水口嚴(yán)重的卷渣；為了防止卷渣的發(fā)生及減少對(duì)彎月面的沖擊、降低粘結(jié)漏鋼的幾率，水口出口傾角適當(dāng)增加有利于改善鋼液的流動(dòng)狀況；側(cè)出口面積增大，沖擊深度變淺，引起液面波動(dòng)增大，將對(duì)彎月面的形成及穩(wěn)定造成影響，而且液渣的卷入幾率增大，因此側(cè)出口面積不宜增大。

(2)結(jié)合4種不同類型的水口設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)特性的影響，得出對(duì)于該廠連鑄結(jié)晶器為600 mm×170 mm的板坯斷面，側(cè)出孔尺寸為40 mm×60 mm、出口傾角18°、凸型底的浸入式水口為最佳水口結(jié)構(gòu)。

[1] 楊文剛, 李紅霞, 劉國(guó)齊,等. 高效連鑄用薄板坯浸入式水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 耐火材料, 2015(5):332- 334.

[2] 趙定國(guó), 郭福建, 韓少偉,等. 連鑄浸入式水口澆鑄技術(shù)進(jìn)展[J]. 河北冶金, 2015(2):27- 30.

[3] 熊霄, 鄧小旋, 王新華,等. 水口出口形狀對(duì)高拉速板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)特征的影響[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào), 2014, 26(7):35- 40.

[4] 顏滔, 侯治波, 吳狄峰. 浸入式水口結(jié)構(gòu)對(duì)大方坯結(jié)晶器內(nèi)夾雜物運(yùn)動(dòng)的影響[J]. 上海金屬, 2012.34(5):51- 56.

[5] 鄧小旋, 熊霄, 王新華,等. 水口底部形狀對(duì)高拉速板坯連鑄結(jié)晶器液面特征的影響[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2014(4)：515- 522.

[6] MORALES R D,TANG Y, GERALD N, et al. Design of a submerged entry nozzle for thin slab molds operating at high casting speeds[J]. ISIJ International, 2012, 52(9):1607- 1615.

[7] CALDERóN- RAMOS I, MORALES R D. The role of submerged entry nozzle port shape on fluid flow turbulence in a slab mold[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2015, 46(3):1314- 1325.

[8] 陳敏,王楠,韓文習(xí),等.板坯連鑄機(jī)浸入式水口結(jié)構(gòu)優(yōu)化的水模研究[J].煉鋼,2007,23(3):36- 40.

收修改稿日期：2016- 12- 14

StudyonSubmergedEntryNozzleStructureinSlabMoldforContinuousCasting

Zhang Huishu1Wu Guoxi1Chen Ren1Sun Ye1Zhan Dongping2Liu Yue2

(1. School of Metallurgy, Liaoning Institute of Science and Technology, Benxi Liaoning 117004, China; 2. School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110004, China)

Under laboratory conditions, four kinds of submerged entry nozzle (SEN) with different structure were redesigned based on the actual nozzle structure and production status in a steel plant. The characteristic of the flowing field in a slab continuous casting mold with a section of 600 mm by 170 mm was studied by ratio of 1 to 1 water model, then the SEN suitable for the plant was optimized, by comparative analysis at the variation of flowing field in mould with different structural SEN at different casting speeds. The research results showed that when the casting speed was not greater than 1.6 m/min, the most ideal flow field was obtained by using the oval outlet nozzle with bottom shape of nozzle mountain- bottom, tilt angle of the nozzle exit of 18°, the side of the hole size of 40 mm by 60 mm, i.e. the optimal SEN structure.

slab continuous casting，mold，submerged entry nozzle(SEN)，physical simulation，structural optimization

國(guó)家自然科學(xué)基金(51574063)；遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(LJQ2015056)

張慧書，女，博士，講師，主要從事冶金過(guò)程模型開發(fā)工作，Email: huishuzhang@163.com