大方坯結晶器水模擬研究①

徐益峰

(江蘇蘇鋼集團有限公司技術中心，江蘇 蘇州　215151)

引　言

結晶器是連鑄坯成型器、凝固器及化學冶金和物理冶金的交接點，因此，人們越來越關注優化結晶器中的傳質、傳熱過程。鋼水在結晶器內的流動狀態對結晶器內鋼水卷渣、結晶器內保護渣對夾雜物的捕捉、連鑄坯裂紋的形成等均有重要影響，因此結晶器成為控制鋼水潔凈度的最后環節。有人估計大約有80%的表面缺陷和皮下缺陷是在結晶器內生成的，所以研究不同條件下結晶器內流場的優化，對防止保護渣和氣泡卷入、促進夾雜物聚集長大并上浮，以及防止凝固坯殼的不均勻生長等都有重要意義[1-2]。

江蘇蘇鋼集團有限公司(以下簡稱“蘇鋼”)蘇信特鋼定位是一個專業化的特鋼企業，產品以高端的汽車用鋼、能源動力用鋼等為主，產品的質量要求非常高。本研究進行的水模擬實驗，找出原有水口存在的問題，對優化設計最優的水口、指導實際生產、提升產品質量均有重大意義。

1　實驗方法

1.1　實驗模型的建立

采用水力學模型對現用浸入式水口進行評估時，需要首先建立合適的物理模型，其中包括相似比例的選取、實驗裝置的建立和實驗參數的確定。

1.1.1相似比例

由物理模擬的基礎理論可以知道，對于結晶器內的鋼液流動行為的物理模擬，主要考慮幾何相似和動力相似，包括的相似準數有雷諾準數(Re)、弗魯德準數(Fr)和韋伯準數(We)。因為結晶器內的流場大部分區域處于紊流狀態，Re大于第二臨界值，流體的湍流程度及速度分布不再受Re數的影響，主要考慮慣性力和重力的關系，即保證Fr準數的相似。同時，要研究結晶器內鋼液面的流動行為，彎月面及鋼液與保護渣界面處的表面張力對模擬的影響較大，應該考慮Wb準數的相似。因此，本研究中重點要保證Fr和Wb兩準數的相似。

因此

(1)

即

(2)

(3)

所以為了保證Fr和We同時得到滿足，模型尺寸應為實物的0.6倍。

(4)

(5)

(6)

其中，工廠連鑄機原型的流量，也稱通鋼量，是指單位時間內鋼液通過結晶器斷面的體積。通鋼量(m3·h-1)的計算公式為

Q=60×結晶器斷面面積×拉速

(7)

由上面的分析可知，工廠連鑄機原型和實驗室模型之間的幾何相似比應為1∶0.6，并由此可以確定原型中通鋼量與模型中水流量的比例為1∶0.279，這是建立實驗模型和確定試驗條件的主要依據。

1.1.2實驗裝置

根據廠方提供的圖紙及實際參數，依據相似原理建立實驗裝置，原型與模型的尺寸比例是1∶0.6，模型的材質選用有機玻璃，利用水作為介質模擬鋼液，利用油和塑料粒子來模擬保護渣。實驗裝置如圖1所示。

圖1　物理模擬實驗裝置圖

在實驗裝置中，通過調節流量計的進、出水量來模擬不同拉速，用塞棒來控制結晶器液面的穩定。考慮到水箱出水口對結晶器出口流體的影響，實驗中將結晶器延長了50%，并在結晶器和水箱之間加了一塊打有圓孔的有機玻璃板，結晶器結構示意圖如圖2所示。

工廠使用的直通型浸入式水口的下部結構如圖3(a)所示，實驗模型中水口的結構和尺寸如圖3(b)所示。

圖2　 結晶器模型的示意圖(單位:mm)

圖3　 水口結構和尺寸示意圖(單位：mm)

1.1.3實驗條件

根據現場的澆注條件和前面確定的幾何相似比，便可以得到模型中的實驗條件，表1即是現場澆注條件和模型實驗條件的對應表。

表1　原型與模型對應的澆注條件

注①：該數值是由平均拉速0.60 m/min換算得到。

2　實驗結果及分析

現有260 mm×340 mm斷面下拉速為0.60 m/min時的液渣行為和流場情況實驗。

2.1　液渣行為

液渣行為在實驗過程中主要是指卷渣情況和液渣分布情況。下面對二者進行依次分析。表2給出了直通型水口澆注條件下結晶器內卷渣次數統計和液渣分布情況。其中卷渣次數為5 min內統計得到，并且進行三次統計取平均值。由表2可以看出，在現有澆注條件下，結晶器內并未出現卷渣，說明結晶器內上循環流較弱。

表2直通型水口澆注條件下結晶器內卷渣次數統計和液渣層厚度分布

參數/位置卷渣次數渣層厚度/mm左-窄0.010.78左-1/40.011.29左-水口0.010.78右-水口0.011.02右-1/40.011.02右-窄0.010.75

澆注時液渣分布的均勻性也是考察水口優劣的重要因素，現有水口澆注時液渣厚度分布如表2所示。從表中可以看出，渣層最厚處在結晶器1/4處，厚度為11.29 mm；而最薄存在于窄邊，厚度為10.75 mm，厚度差為ΔD=MaxD-minD=0.54 mm，數值很低，說明結晶器內渣層分布均勻，圖4所示也可證實這點。

2.2　流場情況

流場也是考察浸入式水口優劣的重要因素之一。現有水口澆注時不同時刻的流場如圖5所示。由圖可知，流股從水口流出，直接向下流動，并未與結晶器壁碰撞，其沖擊深度非常大，在觀察范圍內為

無窮大。沖擊深度較大，不利于夾雜物和氣泡的上浮去除。

圖4　現用水口澆注條件下液渣層的分布情況

圖5　現用水口不同時刻的流場

3　結束語

從實驗結果分析可知：目前使用的直通型水口，注流沖擊深度較大，上循環流態弱，液面不活躍，表面速度過低。因此，為了進一步提高產品質量，需要設計新的水口來改進目前水口存在的問題。

參考文獻：

[1] 高家銳.動量、熱量、質量傳輸原理[M].重慶：重慶大學出版社，1992.

[2]肖興國，謝蘊國. 冶金反應工程學基礎[M].北京：冶金工業出版社, 1997.