邯钢板坯连铸机结晶器流场优化研究
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邯钢板坯连铸机结晶器流场优化研究
孙玉虎1 郑伟栋1 盖领军1 胡进洲1 杨海滨1 李玉盘1 颜正国2
(1.邯郸钢铁集团公司,邯郸056015; 2.东北大学材料与冶金学院,沈阳110004)
摘 要:以邯钢第三炼钢厂2号板坯连铸结晶器为原型,通过水模拟实验,研究了浸入式水口底部形状、出口倾角、出口面积,以及水口插入深度等对结晶器流场的影响,确定了适宜的水口结构参数。现场生产实践表明,采用优化后的浸入式水口,能有效地改善结晶器流场,减少漏钢事故。
关键词:结晶器,浸入式水口,水模研究,流场优化
中图分类号TF777.1 文献标识码A
1 前言
合理的结晶器流场分布对改善结晶器的传热条件、防止卷渣、促进夹杂物上浮及改善铸坯表面质量均起着重要的作用[1]。结晶器内钢水流场与浸入式水口结构、水口插入深度、拉坯速度等密切相关。因此,研究结晶器流场,优化浸入式水口结构和水口插入深度是保证连铸生产顺行的重要手段。本文以邯钢第三炼钢厂2号板坯连铸机结晶器为原型,利用水模拟实验,对结晶器浸入式水口结构参数进行优化,以改善结晶器流场,减少漏钢。
2 实验方法及方案
2.1实验方法
本研究模型与原型的几何相似比为1:2.5,为了消除模型结晶器出口处水流速度对模型内部流场的影响,将结晶器模型高度延长至940mm,并在其底部设置一多孔挡板。结晶器原型与模型尺寸如表1所示。
本研究实验装置如图1所示。它是由充当中间包作用的蓄水池、浸入式水口、结晶器模型以及测量结晶器液面波动的DJ800水工实验数据采集系统所组成。DJ800水工实验数据采集系统由计算机、电测仪以及波高传感器等组成。波高传感器在结晶器内测量位置有3处。其中1号传感器安放在离结晶器窄面10mm处,2号安放在结晶器宽度方向1/4处,而3号则安放在水口附近,距其外壁10mm。所有传感器均位于结晶器厚度方向的中心,没人结晶器液面下30mm。
用示踪剂(高锰酸钾)对结晶器内流场进行显示,并用摄像设备对其进行拍照和录像,以作流场分析比较,同时对不同工况条件下结晶器注流冲击深度进行测量。用煤油和真空泵油的混合油模拟保护渣,研究各工况条件下保护渣的卷人情况,观察结晶器液面保护渣的铺展覆盖情况,将其结果作为辅助分析结晶器流场的指标。
2.2实验方案
邯钢第三炼钢厂常规浇注铸坯断面由1600mm×220mm变为1700mm×220mm,其水口结构由凸型水口改为凹型,水口出口倾角15°,出口面积60mm×80mm,拉坯速度0.90m/min,使用该水口多次发生漏钢事故。因此,有必要对水口结构及其相关连铸工艺操作参数进行优化研究。本研究以水口出口倾角、出口面积、水口底部形状为研究因素,各取2个水平,采用全因素、全水平设计了8种结构的水口,考察水口结构对结晶器流场的影响,确定优化水口结构,以及适宜的水口插入深度。实验水口结构参数如表2所示。
3 实验结果分析与讨论
3.1结晶器内流场基本特征
在本实验各工况条件下,结晶器内流场的基本特征为:中间包注流经浸入式水口出口流出后形成一股较强射流,流体倾斜向下流向结晶器窄面,在行进过程中不断扩展,与结晶器窄面碰撞后改变方向,形成向上和向下的两个流股。上升流股沿结晶器窄面向上流动,到达液面后改变方向流向水口,在结晶器表面附近形成一个较强回流,其强弱取决于水口出口倾角、出口面积、底部形状,以及水口插入深度等因素。该回流有利于夹杂物和气泡的上浮去除,并影响自由表面波动,从而影响结晶器保护渣的铺展、保护渣的卷入,以及熔融保护渣的厚度。下降流股沿结晶器窄面向下流动,达到一定深度后,流向结晶器中心,形成与上部回流方向相反、范围更大的回流区。随着水口出口倾角以及插入深度的增大,流股同窄面的碰撞位置下移,冲击深度增大,上、下回流涡心位置整体向下移动,上回流强度明显减弱。这一方面会减小液面波动、避免保护渣卷入钢水内,但另一方面由于上回流减弱,液面过于平静,不利于夹杂物上浮和保护渣的熔化。
3.2水口结构对结晶器流场的影响
本实验以结晶器液面波高、流股冲击深度作为定量评价指标,同时结合卷渣模拟实验定性结果,考察水口结构对结晶器流体流动的影响。其中结晶器液面波动决定了保护渣渣层铺展覆盖情况,液面波动过大,易卷渣,但波动过小,液面过于平静,不利于夹杂物上浮和保护渣的熔化;流股冲击深度影响钢水中夹杂物和气泡的上浮去除,以及铸坯初生坯壳的均匀生长,直接影响浇注过程的顺行和铸坯质量。结晶器内钢水上升和下降流股的强度对结晶器冶金功能的实现具有相互矛盾的制约作用,理想的结晶器流场应是液面波动较小且流股冲击深度较低。
在水口插入深度为160mm操作工艺条件下,水口结构对结晶器流股冲击深度以及液面波动的影响分别如图2、图3所示。
由图2、图3可以看出,随水口出口倾角的增大,流股冲击深度增大,液面波动减小。分析认为,随出口倾角向下增大,水口出口流股的方向逐渐下倾,流股在结晶器窄面冲击点下移,结晶器下部流股运动逐渐加强,下回流区涡心高度也随之下移,冲击深度增大;而向上流股则因流程增大,强度逐渐减弱,因而对结晶器液面冲击强度减弱,液面趋于平静。因此增大水口出口的角度,可减小液面波动,降低卷渣概率,但水口角度过大,流股冲击深度过大,热流中心下移,不利于夹杂物的上浮以及凝固坯壳的均匀生长。
由图2可以看出,出口面积对流股冲击深度影响较小。从理论上讲,在通钢量一定的条件下,随水口出口面积的增大,水口出口流速减小,流股冲击深度随之减小,而本实验所反映的趋势与之相比有一定出入。由图3可知,出口面积由60mm×70mm增至60ram×80mm时,结晶器液面波动没有减小,甚至有增大的趋势。分析认为,对应于一定的拉坯速度,水口出口流出流体的流量一定,当出口的面积适当增大时,出口流股的平均速度减小,对结晶器窄面的冲击强度相应降低,则上升流股所形成的回流强度减弱,对结晶器自由表面的冲击强度降低,液面波动减小。但当出口的面积大到一定尺寸时,流出出口的流体不能完全充满出口,此时出口流速并不能随着出口面积的增大而减小。而且出口面积过大,水口两侧流体流量易失去平衡,在水口出口的上部产生回流,即产生倒吸现象,使水口附近液面产生旋涡,反而影响结晶器液面的平稳。
由图2、图3还可队看出,凸型水口的流股冲击深度以及3个测点液面波动剧烈程度较凹型水口要大一些。分析认为,对于凹型水口,中间包注流流股经与浸入式水口底部凹槽碰撞接触后,消耗一部分湍动能,流股经底部凹槽碰撞在其反弹作用下形成上升流股,与下降流发生碰撞,使其湍动能得以进一步衰减,因而对结晶器窄面冲击强度减弱,液面波动减小;而对于凸型水口,注流流股与凸型水口的尖叉碰撞后,在出口倾角的导向作用下,以一定射流角流向结晶器窄面,因而冲击深度深,对结晶器窄面冲击强度较大,液面波动也较大。结晶器液面各处波动剧烈程度差别较小将有利于结晶器保护渣在结晶器液面的铺展、覆盖,并能有效防止卷渣的发生。
表3示出了结晶器卷渣模拟实验结果。由表3可知,凹型结构水口结晶器液面渣层基本完全覆盖,且渣层活跃,而凸型结构水口,其结晶器保护渣层不能完全覆盖液面,结晶器液面有部分裸露,且在水口出口倾角较小时,有轻微卷渣。
综合以上实验结果,分析认为出口面积60mm×70mm,出口倾角12°,底部结构为凹型的水口比较合理,因此将1号水口作为进一步研究对象,考察其不同插入深度下结晶器内流体流动行为。
3.3水口插入深度工艺操作参数的优化
在拉速为0.90m/min,对1号水口在不同插入深度(120、140、160、180和200mm)工艺条件下进行了卷渣模拟实验。实验结果显示,在插入深度为140~200mm时,保护渣基本上能覆盖结晶器液面,但在插入深度为120ram时,有轻微卷渣。以上实验结果表明,该结构水口还不十分理想,有必要对其进行进一步优化研究。为此在以上实验的基础上,模拟了出口角度13°、出口面积60mm×70mm、凹型底部结构的水口在结晶器内流场。实验结果表明,该结构的水口在水口插人深度为120~180ram时,可在结晶器内获得较为理想的流场,结晶器渣层覆盖较为均匀,且渣层活跃,没有卷渣;而在水口插入深度为200mm时,结晶器液面渣层过于平静,不利于化渣。
4现场使用效果
邯钢第三炼钢厂2号板坯连铸机铸坯断面由1600ram×220mm改为1700mm×220mm,使用优化前的水口,在两个月内漏钢多达7次,从2007年11月份起使用优化后的水口结构,至2008年3月底已经稳定运行4个月,没有发生一次漏钢事故。
5 结 论
本研究以结晶器液面波动、注流冲击深度、保护渣覆盖以及卷入为评定指标,重点分析浸入式水口形状、出口倾角、出口面积、插入深度等对结晶器流场的影响,优化浸入式水口结构以及相关连铸工艺参数。研究结果表明:
(1)凹型底部结构的水口,其液面波动剧烈程度较凸型小,冲击深度也较浅;
(2)增大水口出口倾角,流股冲击深度增大,液面波动减小;
(3)水口出口面积过大,不仅不能降低液面波动,反而导致水口出口上部产生倒吸,液面波动加剧;
(4)在本实验条件下,优化浸入式水口结构及工艺参数为凹型底部结构,出口面积为60mm×70mm,水口出口角度为13°,水口插入深度为120~180mm。
参考文献
1 M.Iguchi,J.Yoshida,T.Shimiza.Model Study on the Entrapment of Mold Powder into Molten Steel,ISJJ Int.,2000,40(7):785—691.
2 Emling W H,Waugaman T A.Subsurface·Mold Slag Entrapment in Ultra Low Carbon Steels.Steelmaking Conference Proceedings,1994,77 1371.
3 张先倬.冶金传输原理,北京:冶金工业出版社,1991.
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