圓坯連鑄結(jié)晶器流場(chǎng)模擬研究

金友林，趙振南，張峻綱，武鴻杰，凌海濤，徐其言

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 特鋼公司，安徽 馬鞍山 243000；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243032)

結(jié)晶器是連鑄機(jī)的核心部件，鋼水在結(jié)晶器內(nèi)冷卻結(jié)晶后被拉坯裝置拉出形成鋼坯，結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面波動(dòng)及拉坯速度等直接影響鑄坯質(zhì)量。研究表明[1-4]，增加拉速會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)鋼液上回流的強(qiáng)度增大，致使結(jié)晶器液面波動(dòng)加劇，對(duì)鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。劉進(jìn)步等[5]、于海岐等[6]研究發(fā)現(xiàn)，隨水口插入深度的增大，結(jié)晶器液面波動(dòng)劇烈程度減小，但夾雜物上浮路徑變長(zhǎng)，不利于初生坯殼的成長(zhǎng)；帥勇等[7]研究表明，水口插入深度較小時(shí)結(jié)晶器液面波動(dòng)劇烈。此外，合理的結(jié)晶器流場(chǎng)需適宜的吹氬量[8-9]。陳志平等[10]研究發(fā)現(xiàn)，吹氬量存在臨界值，超過此值會(huì)迅速引起結(jié)晶器液面波動(dòng)，臨界值取決于結(jié)晶器斷面大小及拉速；王研等[11]、馬范軍等[12]研究表明，浸入式水口吹氬對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及夾雜物的上浮影響較大，但可提高浸入式水口的使用壽命；Bai等[13]數(shù)值模擬研究表明，氬氣泡越小，進(jìn)入結(jié)晶器越深，越易被坯殼捕捉，對(duì)凝固坯殼不利。鑒于前人較少對(duì)結(jié)晶器卷渣進(jìn)行模擬研究，采用控制變量法，綜合考慮拉速、吹氣流量、水口插入深度3 種因素，研究其對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)、流場(chǎng)及卷渣的影響，得出結(jié)晶器提高拉速所需的最佳操作工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

水模擬實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是相似原理，即模型與原型中液體流動(dòng)相似的基本條件是幾何相似和動(dòng)力相似。原型的主體部分是某鋼廠連鑄機(jī)Φ450 mm 圓坯結(jié)晶器，取模型(LM)和原型(LR)的幾何相似比LM∶LR=0.7,采用空氣模擬現(xiàn)場(chǎng)的氬氣吹入，且保證模型與原型修正的弗勞德數(shù)Fr相等[14]。故有

式中：vM，vR分別為模型與原型的氣體速度，m/s；ρ空氣，ρ氬氣，ρ水，ρ鋼分別為空氣、氬氣、水、鋼液的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；LM，LR分別為模型與原型結(jié)構(gòu)尺寸，mm。由式(1)可得出流量Q和吹氣量換算關(guān)系式：

考慮到鋼液與渣層表面張力的影響，需保證模型與原型韋伯?dāng)?shù)We相等,用菜籽油模擬結(jié)晶器保護(hù)渣。故有

式中：v為液體流速，m/s；ρ為液體密度，kg/m3；σ為液體表面張力，N/m。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

結(jié)晶器水模擬實(shí)驗(yàn)包括結(jié)晶器液面波動(dòng)、流場(chǎng)示蹤及卷渣實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1。

表1 結(jié)晶器水模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parmeters of mold water simulation

1.2.1 結(jié)晶器液面波動(dòng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前調(diào)整結(jié)晶器模型入口及出口流量，保持結(jié)晶器液面穩(wěn)定在設(shè)定液位。打開結(jié)晶器頂端吹氣閥，調(diào)整吹氣流量，空氣自浸入式水口正上方進(jìn)入，待吹氣量穩(wěn)定打開DJ1800 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄不同實(shí)驗(yàn)方案下結(jié)晶器液面的液面高度li，液面測(cè)試點(diǎn)位置如圖1。采集時(shí)間為50 s，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)采集1 000 組數(shù)據(jù)，結(jié)晶器液面某點(diǎn)液面波動(dòng)高度Δl=li- -li，-li為一定時(shí)間內(nèi)某點(diǎn)液面高度的平均值，mm。

圖1 結(jié)晶器內(nèi)液面測(cè)試點(diǎn)位置Fig.1 Position of liquid level test point in mold

1.2.2 結(jié)晶器流場(chǎng)示蹤實(shí)驗(yàn)

向結(jié)晶器倒入100 mL 示蹤劑(紅墨水)，用高速攝像機(jī)錄像，觀察示蹤劑在不同實(shí)驗(yàn)方案下進(jìn)入結(jié)晶器后的流動(dòng)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)分100 組，每組實(shí)驗(yàn)截取示蹤劑剛到達(dá)結(jié)晶器液面附近、到達(dá)結(jié)晶器液面附近1 s后、返回結(jié)晶器液面、充滿結(jié)晶器等4種情況下的照片。

1.2.3 結(jié)晶器卷渣實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前調(diào)整結(jié)晶器入口和出口流量，保持結(jié)晶器液面穩(wěn)定在設(shè)定液位。向結(jié)晶器液面倒入厚度為14 mm 的菜籽油模擬結(jié)晶器保護(hù)渣，調(diào)節(jié)吹氣流量，待吹氣穩(wěn)定，用高速攝像機(jī)拍攝結(jié)晶器卷渣情況。每組實(shí)驗(yàn)截取液面波動(dòng)最大、卷渣最明顯的照片。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)晶器流場(chǎng)和液面波動(dòng)情況

2.1.1 吹氣流量對(duì)結(jié)晶器流場(chǎng)和液面波動(dòng)的影響

表2 結(jié)晶器流場(chǎng)示蹤數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of tracer data of mold flow field

固定某拉速和水口插入深度時(shí)，吹氣流量對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)的影響規(guī)律類似，但拉速和水口插入深度分別為0.42 m/min，120 mm 時(shí)結(jié)晶器液面波動(dòng)最顯著。因此，討論該條件下結(jié)晶器液面波動(dòng)，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖2。由圖2可看出：在拉速和水口插入深度不變的情況下，隨吹氣流量的增加，結(jié)晶器自由液面的波動(dòng)加劇。

圖2 不同吹氣流量下結(jié)晶器液面波動(dòng)情況Fig.2 Liquid level fluctuation of mold under different blowing flow

為直觀描述，統(tǒng)計(jì)4種吹氣流量下結(jié)晶器液面波高在±3 mm 范圍內(nèi)的占比，結(jié)果如圖3。由圖3可看出，隨吹氣流量的增加，結(jié)晶器內(nèi)液面波高增大，致使卷渣發(fā)生幾率上升，鋼液易被污染對(duì)鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

圖3 不同吹氣流量下結(jié)晶器液面波高在±3 mm以內(nèi)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.3 Statistical results of liquid level wave height of mold within±3 mm under different blowing flow

2.1.2 水口插入深度對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)的影響

提高拉速會(huì)改變結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)，為改善鑄坯質(zhì)量，提拉速后應(yīng)有合適的水口插入深度。插入深度過小，結(jié)晶器液面波動(dòng)加劇，液面易裸露，會(huì)造成二次氧化；插入深度過大，結(jié)晶器內(nèi)夾雜物上浮路徑增加，且結(jié)晶器液面溫度會(huì)降低，不利于化渣。同上，分析拉速0.46 m/min、吹氣流量2.81 L/min 條件下水口插入深度對(duì)結(jié)晶器液面波高的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖4。圖4 表明，水口插入深度越深，結(jié)晶器液面越穩(wěn)定。

圖4 不同水口浸入深度下結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)情況Fig.4 Liquid level fluctuation of mold under different nozzle immersion depth

圖5 為結(jié)晶器液面波高在±3 mm 以內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。圖5 表明，水口插入深度越深，結(jié)晶器液面波高在±3 mm以內(nèi)的占比越大，液面越趨穩(wěn)定，渣金界面的波動(dòng)變小，降低了發(fā)生卷渣的幾率。

圖5 不同水口浸入深度下結(jié)晶器液面波高在±3 mm內(nèi)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.5 Statistical results of liquid level wave height of mold within±3 mm underdifferent nozzle immersion depth

2.1.3 拉速對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)的影響

提高拉速是提高鋼產(chǎn)量的有效方法，隨著拉速的提高，結(jié)晶器鋼液上下回流強(qiáng)度増大，液面受到的上回流剪切力増加，保護(hù)渣隨鋼液上下波動(dòng)，卷渣發(fā)生幾率加大，漩渦產(chǎn)生的頻率和強(qiáng)度也增強(qiáng)，漩渦卷混發(fā)生幾率變大，表面流速也增大。同上，討論吹氣流量3.74 L/min、水口插入深度60 mm 條件下原拉速(0.40 m/min)及提高拉速(0.42，0.44，0.46 m/min)后結(jié)晶器液面波動(dòng)情況，結(jié)果如圖6。圖7為結(jié)晶器液面波高在±3 mm 內(nèi)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。根據(jù)圖6，7 得知，結(jié)晶器拉速在0.40～0.46 m/min 時(shí)，拉速的改變并未對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)產(chǎn)生明顯影響。

圖6 不同拉速下結(jié)晶器液面波動(dòng)情況Fig.6 Liquid level fluctuation of mold under different drawing speed

圖7 不同拉速下結(jié)晶器液面波動(dòng)在±3 mm以內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistical results of liquid level fluctuation of mold within±3 mm under different drawing speed

2.2 結(jié)晶器卷渣情況

通過結(jié)晶器卷渣研究可得出，隨插入深度的變小及吹氣流量的增大，結(jié)晶器表面渣層波動(dòng)加劇，卷渣現(xiàn)象愈明顯。為進(jìn)一步探究結(jié)晶器提高拉速對(duì)卷渣的影響，分析最佳操作工藝參數(shù)(水口插入深度140 mm、吹氣流量1.12 L/min)下，拉速在0.40～0.46 m/min范圍時(shí)，拉速對(duì)結(jié)晶器卷渣的影響，結(jié)果如圖8。根據(jù)圖8 可知，在最佳操作工藝參數(shù)下，氣泡對(duì)結(jié)晶器液面的擾動(dòng)很小，拉速在0.40～0.46 m/min范圍時(shí)，隨拉速的變化結(jié)晶器鋼渣界面波動(dòng)情況基本一致，卷渣情況良好。

圖8 不同拉速下結(jié)晶器卷渣情況Fig.8 Slag entrainment in mold under different drawing speed

綜上，對(duì)于圓坯連鑄結(jié)晶器可提高拉速，但應(yīng)將吹氣流量控制在不高于1.12 L/min、水口插入深度最少保持在140 mm。

3 結(jié) 論

以某廠圓坯連鑄結(jié)晶器為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行水模擬實(shí)驗(yàn)，研究拉速、浸入式水口插入深度以及吹氣流量對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)、流場(chǎng)和卷渣的影響，得到以下主要結(jié)論：

1)固定拉速和吹氣流量，隨水口插入深度增加結(jié)晶器液面愈平穩(wěn)，卷渣現(xiàn)象減弱；

2)固定吹氣流量和水口插入深度，拉速在0.40～0.46 m/min 范圍時(shí)，拉速變化對(duì)結(jié)晶器流場(chǎng)和保護(hù)渣的影響不明顯；

3)提高拉速后，水口插入深度大于140 mm、吹氣流量小于1.12 L/min可有效改善結(jié)晶器內(nèi)部流場(chǎng)。