吹氬連鑄結晶器內渣眼形成的水模型實驗

劉中秋， 龐世超， 李寶寬(東北大學 冶金學院，沈陽 110819)

浸入式水口吹氬是目前廣泛采用的連鑄關鍵技術之一，它能夠防止水口結瘤阻塞，延長水口使用壽命；避免空氣吸入，防止鋼液二次氧化；均勻鋼液成分；還可以促進非金屬夾雜物上浮，改善鑄坯的質量.但吹氬也會帶來負面影響，產生的大量氣泡團在水口附近上浮會形成渣眼，造成鋼液裸露；小氣泡以及黏附在其表面的非金屬夾雜物一旦被凝固坯殼捕捉，就會造成鑄坯缺陷.另外，氣泡上浮破碎過程中產生的波動容易使保護渣破碎并被卷入鋼液.

國內外研究人員對結晶器吹氬工藝[1-5]和保護渣[6-9]進行了大量的研究.李寶寬等[1]通過建立數學模型研究了施加磁場和吹入氬氣對結晶器內流場和夾雜物去除的影響.雷洪等[2]通過水模型實驗和數值模擬研究發現：水口吹氬會改變結晶器上部流場形態，造成鋼液射流沖擊點上移，上回流渦心上移并偏向水口.而且隨著吹氬量增加，氬氣泡對周圍鋼液的抽引力增加，容易引起表面卷渣.劉中秋等[3,4]采用大渦模擬和人口平衡模型研究了連鑄結晶器內的兩相瞬態偏流特征以及氣泡粒徑分布.李寶寬等[6]利用黑芝麻顯示結晶器自由液面的流譜，觀察到了上表面的渦流卷渣現象，并用數值模擬分析了其形成原因.朱苗勇等[7]采用水模型實驗對連鑄結晶器內的卷渣行為進行了研究，指出四種卷渣方式：表面回流卷渣、漩渦卷渣、氣泡乳化卷渣和沖擊卷渣，并利用數值模擬研究了板坯連鑄結晶器電磁制動和吹氬耦合作用下吹氬量、拉速和電流強度等參數對鋼/渣界面行為的影響規律，分析了液面波動指數F與液面波動之間的關系.劉中秋和李寶寬[8]采用水模型實驗研究了連鑄結晶器內的偏流和漩渦卷渣，發現即使保證水口對中放置，結晶器上表面漩渦依然存在，多數情況下只有單個漩渦出現，其位置和大小是瞬變的.對稱渦出現的概率較小，尺寸和強度較小，持續時間較短，并考察了拉速、浸入式水口插入深度、滑動水口開度和中間包液位高度對偏流及其周期和漩渦卷渣的影響.

以往大量研究結果表明，連鑄結晶器內保護渣的覆蓋狀態對鑄坯質量的影響至關重要，但主要都集中在結晶器卷渣的相關現象的描述上，而對上表面渣眼形成的物理實驗進行得不夠充分.本文采用水模型實驗研究結晶器上表面渣眼的形成規律，并分析拉速、吹氣量和渣厚對上表面渣眼的影響.

1 實驗原理與系統

進行結晶器水模型實驗要保證幾何相似和動力相似.本實驗模型與原型的幾何相似比λ取值為 1∶4，建立結晶器的物理模型，原型及模型尺寸見表1.鋼液的流動主要受慣性力和重力影響，因此保證模型與原型的弗勞德數Fr相等；考慮到實際鋼液中氬氣泡膨脹對鋼液流動的影響問題，要使原型和模型兩個體系中的氣相修正弗勞德數相等.

對于水與鋼液，保證模型與原型的Fr相等，即

(1)

式中，um是模型中水的流速；up是原型中鋼液的流速.

經計算可得模型與原型的體積流量比為：

(2)

式中，Qm是模型中水的流量；Qp是原型中鋼液的流量.

對于氮氣與氬氣，保證模型與原型的氣相修正Fr相等，即

(3)

并考慮高溫下氬氣的體積膨脹，得到模型和原型的氣體流量之比：

(4)

采用透明有機玻璃做主體材料，建立物理水模型的實驗系統.本實驗氣體采用氮氣，并用氣體流量計監視流量.水從上部水箱排出后通過閥門調節流量，然后通過水口進入結晶器.水從結晶器排出后利用水泵將水抽到上部水箱循環利用，并由流量計監視水流量.

實驗中采用水和豆油模擬連鑄結晶器液態保護渣，通過無量綱分析應滿足：

(5)

式中，υ為運動黏度，m2/s.

實際生產所用的保護渣與鋼水的運動黏度之比為54～97[10]，利用式(5)得出模擬實驗用油的運動黏度范圍應在(5.4～9.7) ×10-5m2/s. 本研究選用的豆油運動黏度為6.42 ×10-5m2/s，符合模擬要求.此外，實驗中采用的水和油的表面張力分別為72.8 和33.1 mN/m.其余參數見表1.

表1 結晶器結構和物性參數Table 1 Structure and property parameters of the mold

圖1 ImageJ 軟件對渣眼圖片的處理Fig.1 Treatments of slag eye image from ImageJ software(a)—原始圖片； (b)—處理后圖片

采用攝像機捕捉結晶器上表面的渣層覆蓋情況，并利用ImageJ 軟件對渣眼面積進行定量分析，其分析過程如下：打開所要分析的圖像，如圖1(a)所示；設定圖像的比例尺；通過調節色彩對圖像進行修正，得到如圖1(b)中紅色區域所示，

進而統計渣眼平均面積.

2 結晶器內流場特征

圖2給出了吹氣條件下連鑄結晶器內的瞬態流場特征，對應工況：拉速為0.6 m/min，吹氣量為1.6 L/min，渣厚為10 mm.利用墨汁作為示蹤劑顯示流場，鋼液流股自水口出口沖出后，在水口附近上浮的氣泡團帶動下，部分鋼液會改變原來射流的方向在水口附近上浮；其余鋼液流股繼續維持原有射流，并在向窄面運動的過程中不斷地擴散發展，直至沖擊到結晶器窄面，如圖2(a)所示.當射流沖擊到結晶器窄面后，分成上下兩個流股，如圖2(b)所示；由于氣泡的浮力作用，射流的強度被減弱，向下的流股很快地形成下回流，與以往的觀點不同的是，本實驗發現，下回流流股也分成了兩部分：一股向上流動，另一股繼續沿著窄面向下運動，如圖2(c)所示.觀察上表面的保護渣覆蓋情況，結果發現：渣層是波動的，瞬態變化的，在加入墨汁的第10 s(圖2d)，水口附近將出現渣眼.

圖2 結晶器內的瞬態流場Fig.2 Transient flow field in the mold(a)—1 s； (b)—2 s； (c)—5 s； (d)—10 s

3 上表面渣眼特征

圖3示出了吹氣條件下連鑄結晶器上表面渣眼特征和內部氣泡分布，其中內部的氣泡分布是采用高速攝像機捕捉的(4500幀/s).由圖可知，當吹氣量較大時，由于氣泡的團聚作用，大量的氣泡在水口附近上浮，帶動鋼液一起沖擊到渣層，造成鋼液裸漏，形成渣眼.部分離散氣泡從水口與窄面的中間部位穿過渣層，形成了零星的鼓泡點.對比可知，限制氣泡的團聚作用可以抑制水口附近渣眼的形成.

圖3 結晶器上表面渣眼特征和內部氣泡分布Fig.3 Slag eye in the top surface and bubble distribution in the mold

3.1 拉速的影響

圖4和圖5分別給出了不同拉速下的結晶器上表面渣眼形貌和面積.對應工況：吹氣量為0.5 L/min，渣厚為10 mm.在小拉速下，由于鋼液射流強度較小，沖擊到窄面后形成的上回流強度較小，不足以吹開窄面渣層；但大量氣泡在水口附近上浮，可能造成水口附近形成渣眼，如圖4(a)所示.當拉速逐漸增大，窄面開始出現渣眼，而且隨著拉速的增大而增加，如圖4(b)和4(c)所示.這是因為窄面附近的渣眼主要是由于從浸入式水口沖出來的鋼液射流沖擊到窄邊后形成的上回流沖擊到渣層后引起的.當拉速增加時，在窄邊附近形成的上回流強度就會增加，從而增大了對渣層的沖擊，使渣眼變大.另外，隨著拉速的增加，水口附近渣眼的面積不斷減小，當拉速達到 0.8 m/min 后，水口附近的渣眼就消失了(見圖5).這是因為在拉速較小的情況下氣泡主要在水口附近上浮，氣泡群對渣層的沖擊以及氣泡的破裂，會造成液面裸露，形成渣眼.隨著拉速的增加，射流對氣泡的橫向作用力增大，氣泡橫向移動的距離就會越遠，使得氣泡的分布和大小變得均勻，因此使水口附近的渣眼變小，甚至消失.由圖5可知，隨著拉速的增加，水口附近渣眼面積由786 mm2減小至0 mm2，窄邊附近渣眼面積由0 mm2增大至 7 476 mm2，渣眼總面積由786 mm2增大至 7 476 mm2.

圖4 不同拉速下的結晶器上表面渣眼Fig.4 Slag eye in the top surface with different casting speeds(a)—0.5 m/min； (b)—0.6 m/min； (c)—0.8 m/min

圖5 不同拉速下的結晶器上表面渣眼面積Fig.5 Slag eye area in the top surface with different casting speeds

3.2 吹氣量的影響

圖6和圖7分別給出了不同吹氣量下的結晶器上表面渣眼形貌和面積.對應工況：拉速為0.8 m/min，渣厚為10 mm.吹氣會改變結晶器內的流場結構，當不吹氣時，從浸入式水口出口流出的鋼液射流直接沖向窄面，沒有氣泡的浮力作用，鋼液射流能量損失較少，所以上回流流股增強，從而造成窄邊附近形成較大渣眼，如圖6(a)所示.當吹氣后，由于射流會受到氣泡浮力的作用，使得窄面附近的上回流變弱，從而抑制窄邊形成渣眼，由圖6(b)和6(c)可知，隨著吹氣量的增加，窄邊渣眼的面積減小.相反，在拉速恒定的條件下，隨著吹氣量增加，在水口附近上浮的氣泡數量增加，造成水口附近的渣眼面積增大.對比渣眼面積(圖7)可知，當吹氣量較小時窄邊附近的渣眼面積較大，隨著吹氣流量的增加窄邊渣眼面積變小(由3 260 mm2減小至0 mm2)，水口附近渣眼變大(由0 mm2增大至1 580 mm2)，但是開始時窄邊的眨眼面積遠大于水口附近渣眼的面積，所以開始時渣眼的總面積不斷減小，當吹氣量達到一定值后(1 L/min)，水口附近的渣眼面積占主要部分，所以渣眼總面積又開始不斷增大.

圖6 不同吹氣量下的結晶器上表面渣眼Fig.6 Slag eye in the top surface with different gas flow speeds(a)—0 L/min； (b)—0.8 L/min； (c)—1.3 L/min

圖7 不同吹氣量下的結晶器上表面渣眼面積Fig.7 Slag eye area in the top surface with different gas flow speeds

3.3 渣厚的影響

圖8和圖9分別給出了不同初始渣厚下的結晶器上表面渣眼形貌和面積.對應工況：拉速為0.7 m/min，吹氣量為0.8 L/min.由兩圖可知，隨著渣層厚度增加，窄邊渣眼的面積由4 646 mm2減小至0 mm2，這是因為隨著渣層厚度的增加，上回流吹開油層形成渣眼就需要克服更多的渣層重力作用.水口附近的渣眼面積由1 938 mm2減小至177 mm2，這是因為隨著渣層厚度的增加，氣泡吹開渣層需要克服的力增大.總之，隨著渣層厚度的增加，水口附近和窄邊的渣眼面積都不斷減小，所以渣眼總面積也不斷減小.

圖8 不同渣厚下的結晶器上表面渣眼Fig.8 Slag eye in the top surface with different slag layer thicknesses(a)—4 mm； (b)—10 mm； (c)—16 mm

圖9 不同渣厚下的結晶器上表面渣眼面積Fig.9 Slag eye area in the top surface with different slag layer thicknesses

4 結 論

本文采用水模型實驗研究了吹氬條件下連鑄結晶器上表面的渣眼形成，并對拉速、吹氣量和渣層厚度進行了參數研究，研究結果對實際生產具有一定指導意義.具體結論如下：

(1)水口出口流出鋼液射流沖擊到窄面后形成的下回流流股分成了兩部分：一股在射流下部向上流動，另一股繼續沿著窄面向下運動.

(2)隨著拉速的增加，水口附近渣眼逐漸減小，窄邊渣眼逐漸增大，渣眼總面積逐漸增大.

(3)隨著吹氣量的增加，水口附近渣眼逐漸增大，窄邊渣眼逐漸減小，渣眼總面積先減小后增大.

(4)隨著渣層厚度的增加，水口附近和窄邊渣眼面積都不斷減小，渣眼總面積不斷減小.

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