降低大方坯中間包臨界液面高度工藝研究

徐向陽，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)和流場形態(tài)影響中包臨界液面高度。通過在中間包底部水口附近加抑流件的水模型優(yōu)化實驗及工業(yè)試驗，確認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尾坯純凈度無影響。

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)計規(guī)定，出水口的布置應滿足鋼流順暢、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較高，為接近300 mm。因此，有必要通過實驗室水模實驗結(jié)合工業(yè)試驗探究合理的中包底部水口附近結(jié)構(gòu)布置，以降低其對中包臨界液面的影響，進一步確定出更符合生產(chǎn)實際的中包水口結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1　渦流產(chǎn)生臨界液面的水模試驗

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象，建立實驗室水力模型進行大方坯連鑄中間包抑制渦流水模實驗，通過優(yōu)化設(shè)置并考慮生產(chǎn)實際，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，實驗裝置如圖1、2所示。大方坯連鑄中間包模型由有機玻璃制成，以水代替鋼液，用示蹤粒子跟蹤水模型內(nèi)部流場變化。

1.2實驗方案

在中間包包底水口附近加小方磚抑流裝置，通過設(shè)置抑流裝置破壞出水口處旋轉(zhuǎn)流動狀態(tài)，達到抑制卷渣，降低卷渣高度的目的，實驗時測量產(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，分別為0、10、20 mm。原型包水口（不加抑流件）與設(shè)置抑流件的實驗方案具體見圖3。

測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，以及通過設(shè)置抑流裝置破壞出水口處旋轉(zhuǎn)流動狀態(tài)，達到抑制卷渣，降低卷渣高度的目的。模擬澆鋼拉速0.75 m/min。每個試驗方案進行3次重復性實驗，以保證實驗結(jié)果的重現(xiàn)性。

1.3水模實驗結(jié)果

對表面凹陷渦、間斷凹陷渦的各方案結(jié)果進行比較分析，表面凹陷渦的出現(xiàn)可視為液面渦流的開始，間斷凹陷渦的出現(xiàn)可視為液面卷渣的開始。實驗方案見表1。

對各方案分析并比較其平均高度的優(yōu)劣，與生產(chǎn)實際a（原型包）比較結(jié)果見表2。由表2可以看出，實際生產(chǎn)時，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)實際a（原型包）方案相比，對于表面凹陷渦出現(xiàn)時的平均液位，（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%。

對于間斷吸氣渦（卷渣開始）出現(xiàn)時的平均液位，（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%。

通過以上對比后認為，（d）（L=20 mm）方案較優(yōu)。

表1　各個實驗方案液面旋渦現(xiàn)象及所對應的液面高度

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

2.1試驗優(yōu)化方案

綜合實驗觀察及卷渣高度測試分析結(jié)果認為，較好的方案是采用單磚（d）（L=20 mm）方案進行生產(chǎn)試驗，并與生產(chǎn)實際進行取樣分析比較。生產(chǎn)實際應用抑流裝置及布置方式見圖4～6。在中間包烘烤前將抑流件安裝在水口旁，具體尺寸見圖4。為對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）水口進行鑄坯試樣分析對比。

2.2中間包準備

抑流件用抗侵蝕的鎂碳磚按設(shè)計尺寸切割而成。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，試驗一個澆次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。試驗后抑流用耐火磚狀態(tài)圖見圖7。抑流件中間包砌筑圖見圖8。

2.3試驗結(jié)果及分析

在方坯重軌鋼上進行了2次工業(yè)試驗，每個澆次各18罐，當中間包澆注到最后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1、2流關(guān)滑板停澆，對比不加抑流件300 mm液位停澆與加抑流件150 mm液位停澆條件下，停澆時中包相應水口鑄余頭上部殘鋼的潔凈度。

2.3.1試驗后的抑流件

試驗后，經(jīng)翻包檢查發(fā)現(xiàn)抑流件完好無損，見圖9。再次確認了其安全性和可靠性。

2.3.2試驗結(jié)果分析

2次試驗取樣為中間包澆注后的水口處鑄余頭部，見圖10。對水口鑄余頭部取樣分析試驗流及對比流的氧含量、氮含量，分析結(jié)果見圖11。

水口鑄余頭部的的T［O］、［N］分析結(jié)果表明，試驗流水口150 mm液位時加抑流件水口與沒加抑流件300 mm液位相比，T［O］、［N］沒有明顯變化，甚至略好于對比流。水口鑄余頭部氧化物分析結(jié)果見表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不大，150 mm液位時加抑流件水口與沒加抑流件相比，氧化物成分沒有明顯變化。

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，通過實驗室水模實驗以及工業(yè)試驗，驗證了該工藝的可行性。

（2）水模實驗的結(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、位置對旋渦高度的影響存在差異，通過水模實驗確定了單磚距水口20 mm為最佳方案。

（3）工業(yè)試驗結(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保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量基本一致。

（編輯 許營）

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，高級工程師，1998年畢業(yè)于包頭鋼鐵學院鋼鐵冶金專業(yè)。

E-mail:25784960@qq.com

2014-09-04