天鋼板坯結晶器流場物理模擬及連鑄工藝優化

李炳一

（天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，天津 300301)

天鋼板坯結晶器流場物理模擬及連鑄工藝優化

李炳一

（天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，天津 300301)

為研究結晶器內鋼液流場，通過對工藝參數的優化，進一步提高鑄坯質量，以天津鋼鐵集團有限公司4#-VAI板坯連鑄結晶器為原型進行水模試驗，通過調節拉速、水口浸入深度，研究了結晶器內流場形態、液面波動、流場沖擊深度和保護渣形貌等的變化情況。模擬試驗表明，在現有參數和水口尺寸情況下，結晶器流場合理、液面渣層平穩、坯殼厚度均勻，能夠滿足鑄坯質量要求。

板坯連鑄 結晶器 流場 物理模擬

1 引言

結晶器是連鑄機的核心設備，保證了連鑄坯坯殼的穩定形成，使鋼水中夾雜物的進一步上浮分離以及初生坯殼的生成都在結晶器內完成。在此過程中，要防止注流對局部凝固坯殼的沖刷和保護渣的卷入，導致初生坯殼的厚度不均勻，造成拉漏或產生鑄坯表面裂紋缺陷。

液面波動是結晶器內鋼水流場合理性和活躍性的表現形式，如果結晶器液面過于平靜，會導致結晶器內保護渣熔化不好，造成鑄坯表面缺陷，嚴重時可能會造成鋼水液面凝固結殼，導致結晶器漏鋼。如果結晶器液面波動太大，會造成結晶器卷渣、鋼水二次氧化，同樣會導致鑄坯夾雜與表面缺陷。本文通過結晶器的水模實驗[1-5]，主要包含液面波動的測量、沖擊深度的測量及結晶器流場演示，進行結晶器鋼液面保護渣覆蓋情況的物理模擬，歸納其變化規律及產生鑄坯內部夾雜和表面缺陷的原因，給連鑄工藝的優化提供理論依據，解決連鑄生產過程中因為結晶器液面波動、卷渣等情況引起的鑄坯夾雜物及表面缺陷等問題。

2 試驗原理及水模的建立

2.1 實驗方法

結晶器內的鋼液在流動時受到的作用力：慣性力、重力、粘性力及表面張力，包含這些力的相似準數有：雷諾準數（Re)、弗魯德準數（Fr)和韋伯準數（We)。而相對于鋼水運動時的動量和自身重力，主要考慮慣性力和重力的作用，粘性力的影響忽略不計，需滿足準數相等，即：

其中，m為原型，p為模型，下文相同。

則有：

根據實驗室條件，在實驗中用水來作為模化介質，以1:2的比例建立結晶器的物理模型，使用有機玻璃制作結晶器模型，考慮到結晶器出口流體流動與水箱出水后的流動有所不同，在滿足相似比的基礎上該模型的長度再增加1倍，以減小水從模型流出后的流動對模型內流場的影響。

2.2 實驗裝置

本實驗采用循環水控制系統進行試驗，裝置原理如圖1所示，主要由水路系統和數據采集系統2部分組成，流量計和塞棒用來調節拉速和控制液面。采用水工測量儀，定量測定結晶器內液面的波動;采用DJ800型水工試驗數據采集系統完成結晶器液位的測量工作;在塞棒內加入墨水作為示蹤劑，觀察流股的形狀，測量沖擊深度。

圖1 結晶器模擬實驗裝置圖

2.3 實驗參數的確定

已知長度相似比

由公式（1)可得到如下關系：

速度相似比：

對鑄坯厚度250 mm斷面條件下的結晶器過程進行了模擬，進行0.9～1.4 m/min的6種拉速實驗。

2.4 實驗內容及方法

試驗內容：此次研究中，結晶器的水模實驗主要包含液面波動的測量、沖擊深度的測量及流場顯示，保護渣覆蓋情況的物理模擬。

3 實驗結果及分析

3.1 液面波動測量

3.1.1 液位波動測量結果

研究中對斷面250×2 100 mm2、6種拉速工況條件下的結晶器液面波動進行了測定，結晶器模型液面波動波高的統計結果如表1所示。

表1 各工況下的液面波高測量結果

3.1.2 液面波動測量結果分析

由表1可以看出，實驗條件下，結晶器內液面波動平穩，波高基本都在1 mm以下，在拉速較大（＞1.3 m/min)時波動比較小，平均波動峰值均未超過1.5 mm，根據相似比可得知結晶器內鋼液的平均波動高也均未超過3 mm。

但是隨拉速的不斷增加，各測點波高和平均波高都有上升趨勢，即波高隨拉速的增加而增加。通過對平均波高的線性回歸分析可以看出，各斷面下平均波高（y/mm)與拉速（x/m·min-1)的線性關系顯著，平均波高與拉速的線性關系如下式所示。

3.2 沖擊壓力實驗結果及分析

3.2.1 沖擊壓力實驗結果

同樣對斷面250×2 100 mm2，6種拉速工況條件下流股對側壁沖擊壓力進行了測定，各工況下各測點的沖擊壓力數據統計結果如表2所示。

表2 流股對側壁沖擊壓力

3.2.2 沖擊壓力實驗結果分析

為減少水口射流對坯殼的沖刷，要求沖擊壓力要盡量小。從表2中可以看出，各斷面及拉速條件下各測點的沖擊壓力都很小，很多測點測量值為負（測量值為負是由水的回流形成負壓造成的)。在所有的實驗條件下，所測得的最大沖擊壓力為-40 Pa。這說明由于從水口流出的流股較分散，速度較小，而且到達窄邊的路徑較長，所以水口射流沒有對窄邊坯殼的形成沖擊。

3.3 流場顯示及沖擊深度實驗結果及分析

3.3.1 流場顯示及沖擊深度實驗結果

對0.9～1.4 m/min 6種不同拉速條件下的結晶器內進行模擬實驗，記錄沖擊深度，250×2 100 mm2，見表3。

表3 各工況條件下的沖擊深度

3.3.2 流場顯示及沖擊深度實驗結果分析

鋼液從水口側孔流出后沖擊到結晶器的窄面，然后形成上下兩部分流股，上面的鋼液流股沖擊窄邊后沿液面向結晶器水口方向流動形成結晶器上部回旋區，下面流股沖擊窄面后向下運動形成結晶器下回旋區。鋼液流股從水口側孔流出時，結晶器充滿度較好，鋼液流股張角比較大，鋼液分布比較分散，對結晶器窄面的沖擊面積較大，所以鋼液流股對結晶器窄面的沖擊壓力比較小。6種不同拉速條件下鋼液流場的形態差異不大，只有流股速度和墨水擴散速度隨著拉速的增大而加快，下部流股向下沖擊的深度也隨著拉速增大而變大。因此，從流場形態上來看，現用水口的結構尺寸比較合理。

3.4 保護渣模擬實驗結果及分析

3.4.1 保護渣模擬實驗結果

實驗中液渣層即油層原始厚度為15～20 mm，各斷面及拉速條件下結晶器液面保護渣覆蓋的模擬結果如圖2和表4所示。

圖2 結晶器液面模擬保護渣形貌（斷面：250×2 100 mm2)

表4 保護渣模擬結果（斷面：250×2 100 mm2)

3.4.2 保護渣模擬實驗結果分析

從圖2可以看出，一般情況下，靠近結晶器窄邊的液渣層略薄，窄邊和水口中間相對較厚，而且隨著拉速增加，液渣層的不均勻程度增加，這主要是上部分回流的沖擊和剪切作用造成的。在大多數實驗條件下，渣層平穩，液渣厚度較均勻;液渣層厚度差較小，各斷面及拉速條件下的最大厚度差在1～10 mm之間不等，水油界面較活躍。即使在拉速較高（1.3 m/min、1.4 m/min)的實驗條件下，液渣層的厚度差達到8～10 mm。

因此，總的說來，在各斷面及拉速＜1.5 m/min條件下，渣層平穩，液渣覆蓋較均勻，能滿足連鑄過程對保護渣覆蓋的要求。

4 結論

（1)通過水模試驗可知，實際生產中結晶器液面比較平穩，絕大多數情況下的波高都在2 mm左右。在拉速較大（1.3 m/min、1.4 m/min)時結晶器液面波動在3 mm左右，拉速在1.5 m/min時，結晶器液位波動大于3 mm。

（2)通過實驗測得的注流的最大沖擊壓力為-40 Pa。這說明由于從水口流出的流股較分散，速度較小，而且到達窄邊的路徑較長，所以水口射流對窄邊坯殼沒有形成沖擊，對窄邊坯殼不能形成明顯影響。

（3)通過保護渣模擬試驗，可知在大多數實驗條件下，渣層平穩，液渣厚度較均勻，液渣層厚度差較小，水油界面活躍;即使在拉速較高（1.3 m/min、1.4 m/min)的實驗條件下，液渣層的厚度差也只是達到8～10 mm，液面活躍但不會出現裸露。

（4)通過天鋼結晶器流場物理模擬試驗表明，結晶器流場比較合理。實際拉速控制在1.5 m/min以下時，液渣覆蓋較均勻，結晶器液位波動可以控制在3 mm以內，渣層平穩，能夠滿足連鑄過程對保護渣覆蓋的要求。

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(TISG Steel-making Subsidiary,Tianjin 300301,China)

Physical Simulation and Casting Process Optimization of TISG Slab Caster Mould Flow Field

Li Bingyi

In order to study the flow field of liquid steel inside mould and furtherimprove slab quality by parameter optimization,the author,utilizing the mould of TISG VAI Slab Caster 4 as a model,carried out hydraulic model experiment to analyze mould flow field form,meniscus fluctuation,flow field impact depth and mould slag morphology.Simulation test showed thatslab quality requirementcould bemetby reasonable mould flow field,stable slag layer and uniform shell thickness with existing parameter and nozzle dimension.

slab casting,mould,flow field,physical simulation

李炳一（1968—)，男，天津人，工程師，主要從事生產工藝技術管理工作。

（收稿 2011-11-25 編輯 崔建華)