薄板坯連鑄結晶器內保護渣卷渣的研究

蔣實

本研究主要是用結晶器水模來模擬結晶器內流場，研究薄板坯結晶器內卷渣機理，得出其主要卷渣方式為切向卷渣，渦旋卷渣，氬氣沖擊鋼渣界面的卷渣，并考察操作參數對卷渣的影響，即拉速越大，浸入深度越淺，吹氣量越大，卷渣可能性越大。從而提出避免卷渣的改進措施。

1 研究內容

基于相似原理，采用1：1的水模型模擬了薄板坯連鑄結晶器內液模界面的流場。采用水工數據采集系統對結晶器液位波動進行了測量，并結合實測數據對薄板坯連鑄結晶器進行了研究。內保護渣的卷渣機理，研究各工藝參數，即吹氣量，浸入深度，拉速等，對保護渣卷入方式及卷入位置的影響，并優化相關工藝參數。

2 連鑄水力模型基本原理

根據相似原理，對不可壓縮粘性流體的穩定等溫流動，應保證模型與實物中的雷諾準數Re和弗魯德準數Fr相等，韋伯準數成比例。采用1：1的水模型，對于動力相似，由于實際結晶器和所選的水模型中液體流動狀態均已處在第二自模化區，故只要保證Fr相等即可實現兩者的動力相似。

3 實驗結果及分析

3.1 拉速的影響

1）拉速對波高的影響

隨著拉速的增大，在結晶器寬度方向各個測點的平均波高相應的有不同程度的增加，說明拉速越大保護渣表面波動幅度越大，卷渣發生的可能性越大。

2）拉速對渣層的影響

隨著拉速的增加，保護渣層越來越容易被沖開，出現鋼液面裸露，這是因為隨著拉速的增加，表面流速加快，波動越來越劇烈，由于兩股回流的作用，在彎月面附近形成駐波，對結晶器渣層產生剪切作用，導致結晶器渣向中心堆積，經過一段時間后，結晶器狹窄表面附近的渣變薄，導致鋼水暴露表面。

另外，隨著拉速的增大，兩股回流流速逐漸增大，相應的剪切力的作用也同時增大，在中間處堆積的厚渣層在剪切力的作用下，卷渣量和卷渣深度逐漸增加，形成了剪切卷渣，一般情況下，當拉拔速度較小時，主要是回流引起的渦旋卷渣，當拉速提高到4.5m/min以上時，保護渣會明顯的向寬面中心區堆積，在距中心區250mm的區域形成一個厚渣層，它受到回流的剪切作用，液渣以切向進入鋼液流場中，被卷入的保護渣，隨著拉速的增大，很難再浮出到表面渣層，嚴重影響鋼坯質量。

3.2 水口浸入深度的影響

1）浸入深度對波高的影響

隨著浸入深度的減小，在結晶器寬度方向各個測點的平均波高反而都有不同程度的增加，說明浸入深度越小，保護渣表面波動幅度越大，卷渣發生的可能性越大。

2）浸入深度對渣層的影響

隨著浸入深度的增大，模擬的保護渣層越來越趨于平穩，但是當浸入深度小于100mm時，渣層很容易就被沖開，這是因為，在水口浸入深度較小的情況下，水口出口距離模擬保護渣層的距離也較小，從而導致了上回流的強度增加，使兩回流間的切向剪切力增大，使得保護渣向中心堆積，于是經過一定時間后，渣面會被沖開。當浸沒深度為100 mm時，結晶器中心處的寬邊處出現了厚渣層。厚渣層的出現直接導致厚渣層底部切向結渣，在調整過程中可發現結渣現象。隨著浸沒深度的減小，厚渣層是逐漸出現，并且逐漸從渣面向結晶器中心方向移動。隨著浸入深度的減小，卷渣量逐漸增加，尤其是在實驗的最低浸入深度下，即100mm，會發生切向卷渣，卷渣量較大，在實際生產過程中應加以避免。

3.3 吹氣量的影響

1）吹氣量對波高的影響

浸入式水口吹入Ar后，由于氣泡的上浮和破裂，對液面產生較大的沖擊和攪動，尤其在水口附近，故吹入Ar時液面波動更劇烈，且Ar流量越大液面波動越大。

2）吹氣量對渣層的影響

無氣時，鋼液沿著側壁上流到彎月面后，經表面水平流動后下落形成上回流，由于兩股流的剪切力使彎月面處的渣層最薄弱。吹氣量由0增至0.3m?/h，鋼液流動狀態，和鋼渣界面形狀均發生了明顯變化，射流對窄邊的沖擊點明顯向上移動，鋼液因受氣泡向上浮起后的托舉作用而使界面升高，并沿著上表面逐漸向水口運動，且最終在水口出口附近形成一個較小的回流區，這導致上回流的渦旋中心從水口與寬面之間移動到水口出口附近，且靠近水口出口附近的液面波動加劇。由于氣泡的上浮作用，抽取了部分在出口附近射流的鋼液滴，從而引起鋼液的彎月面處的流速降低，界面波動相對減弱。

吹氣量的增加顯著改變了鋼液的流動形態和渣層分布。氣泡浮力越大，向上運動的鋼液越多、造成了結晶器表面的回流區幾乎消失，同時氣泡對液面的擾動更為強烈。這種由大量氣泡吹入而造成流動形態改變的后果是——表面不穩定，湍流增加。進而增加的渣進入鋼液的可能性，引起卷渣。但是同時，大的吹氣量也容易使進入鋼液的渣上浮回到渣層中，而控制氣量的大小，使兩者同時兼顧是很重要的。所以為防止浸入式水口粘結和堵塞，實際生產澆鑄低碳或者超低碳鋁鎮靜鋼時，通常在中間包水口，滑板或浸入式水口處向鋼液內吹氬。而大多數薄板坯連鑄由于冷卻快，一般不用吹氬。

4 結論

（1）增大拉速，減小水口浸入深度均會增大表面波動，即增大結晶器內的卷渣傾向。

（2）浸入深度越小，保護渣表面波動幅度越大，卷渣發生的可能性越大。

（3）隨著水口吹Ar通入量的增大，液面的波動會增大，但在結晶器不同寬度位置上不盡相同，吹Ar量視澆鑄鋼種而定。

（作者單位：河南安陽鋼鐵集團有限責任公司第二煉軋廠）