工藝條件對板坯結(jié)晶器流場的影響

田玉石，李樹奎

（北京理工大學材料學院，北京 100081）

連鑄坯的表面缺陷問題絕大多數(shù)產(chǎn)生于結(jié)晶器，因此結(jié)晶器內(nèi)的合理流場對高效連鑄和無缺陷鑄坯的生產(chǎn)至關(guān)重要。浸入式水口直接影響結(jié)晶器內(nèi)流動模式，尤其是液面波動和卷渣行為。基于此，文章展開了詳細論述，希望能對相關(guān)研究有幫助。

1 非穩(wěn)態(tài)澆鑄

1.1 水口堵塞

鋼中的夾雜物會黏附在水口內(nèi)壁并不斷聚集，使水口側(cè)孔的形狀發(fā)生明顯改變，嚴重擾亂鋼流[1]。水口堵塞除了會降低生產(chǎn)效率和水口使用壽命，所形成的堵塞物還會影響鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的流動，容易造成水口兩側(cè)液面起伏大、鋼液偏流，使鋼液中的夾雜物粒子在側(cè)孔堵塞一側(cè)運行的路程變長，增大被坯殼捕獲的概率[2]。側(cè)孔堵塞對液面輪廓也有顯著影響，當水口某一側(cè)孔堵塞嚴重時，其有效面積減小，水口兩側(cè)液面高度差變大、不對稱性增強[3]。這是因為左側(cè)孔的堵塞造成右側(cè)孔的質(zhì)量通量增大，使流股在上回旋區(qū)的動量也增大[4]。因此，當水口堵塞時，應(yīng)該及時停澆或更換水口。

1.2 水口不對中

浸入式水口的對中對結(jié)晶器內(nèi)流場影響很大，當水口不對中時，容易在流速小的一側(cè)產(chǎn)生旋渦，并使結(jié)晶器流場不對稱[5-6]。水口向一側(cè)偏移后，液面出現(xiàn)了相對流動，在流速較小的一側(cè)，會形成旋渦[7]。由于流體本身脈動的作用，液面流場隨時間呈周期性變化。在水口偏離中心所致的不對稱流動和流體本身脈動作用的綜合影響下，形成了偏流渦，其強度和停留時間超過湍動渦。因此，為了連鑄坯的無缺陷生產(chǎn)，必須保證浸入式水口的對中操作。

2 水口浸入深度

為了防止水口渣線被過度侵蝕而造成澆鑄中斷，水口浸入深度在澆鑄期間往往要隨著連澆爐次的數(shù)量適當變化。浸入深度對結(jié)晶器的流場有重要影響，增大水口的浸入深度有利于結(jié)晶器形成雙輥流型，降低自由液面的湍流強度并減小液面波動幅度。因此，增大水口的浸入深度利于減少剪切卷渣現(xiàn)象的發(fā)生，可以改善鑄坯表面質(zhì)量。

圖1 浸入深度對液面旋渦的影響

但水口浸入過深也會使鑄坯出現(xiàn)質(zhì)量問題。不同浸入深度對液面旋渦的影響如圖1所示。當浸入深度為185mm時，旋渦的平均長度約為60mm，頻率為8.25次/min；當進入深度為115mm時，旋渦的平均長度約為23mm，頻率為8次/min[6]。旋渦可以把液渣卷入鋼液內(nèi)部，尤其是當旋渦尺寸較大時，液渣更容易被卷入鋼液深處，形成旋渦卷渣并造成鑄坯夾渣缺陷。水口浸入過深還會使夾雜顆粒深入下回旋區(qū)中，造成大量的顆粒被坯殼捕捉。在連鑄工藝中，結(jié)晶器是去除夾雜物的最后場所。水口浸入過深還會造成液面附近的鋼液流速過慢從而導(dǎo)致液面過冷，使鋼液間的熱量混合不均且減少了傳入液渣層的熱量。這會導(dǎo)致出現(xiàn)液渣層過薄、渣量不足等問題，尤其在水口附近，還會使鑄坯易產(chǎn)生表面缺陷。因此，當工況一定時，水口浸入深度應(yīng)保持在最佳范圍。

3 澆鑄速度

在其他工藝參數(shù)不變的情況下，提高拉速會使結(jié)晶器流型發(fā)生顯著變化，增大結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)湍流波動，進而沖擊鋼（渣）界面動量最大的位置，同時也會加劇流型的不對稱性，而這種不對稱又加劇了液面波動和局部湍動的程度。流型的振蕩周期與流體質(zhì)點在上回流區(qū)的停留時間相對應(yīng)，通常約0.5min以內(nèi)[8]。拉速瞬時變化的大小對結(jié)晶器的流型有很大影響，當拉速以0.3m/min逐漸增大時，結(jié)晶器流型的變化很小；當拉速突然大幅度變化時，流股會以較大的動量強烈沖擊結(jié)晶器壁，導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)的流場劇烈變化，如圖2所示。[9]。在典型的雙輥流型中，提高拉速會增加窄側(cè)鋼液的界面高度，使保護渣流入渣道變得困難，波高會隨著拉速的提高而增大。當液面流速超過波不穩(wěn)定性的臨界值時，液面波動可能會突然大幅度增加[10]。

4 斷面尺寸

在通鋼量不變的情況下，增大斷面寬度或減小斷面厚度會增大結(jié)晶器流型的瞬變趨勢，液面波動、液面流速、沖擊深度均有不同程度的下降，如圖3所示[11]。增大斷面寬度有利于在結(jié)晶器內(nèi)形成單輥流型，流股隨時間不對稱的振蕩嚴重。當拉速一定時，振蕩速率隨斷面寬度的增加而增大[12]。對于寬板坯結(jié)晶器，由于窄側(cè)到水口側(cè)孔距離太遠，難以有效地約束流股，因此脫落的旋渦會造成流股位置的不穩(wěn)定。

當斷面寬厚比超過某一臨界值時，流股會先沖擊結(jié)晶器寬面，當流股擴散角為12°時，此時斷面寬厚比的臨界值為10[13]。當寬厚比大于臨界值時，流股先沖擊寬面，然后上回旋形成兩個窩心；當寬厚比小于臨界值時，流股直接沖向窄面，形成上下兩個回旋區(qū)。

5 結(jié)語

圖2 結(jié)晶器寬度與表面流速的關(guān)系

結(jié)晶器的流場受工藝條件的影響，在給定的水口條件下，為了得到結(jié)晶器內(nèi)合理的流場，必須綜合考慮多重工藝因素的影響。只有掌握了各因素與流場之間的關(guān)系，才能有效進行工藝優(yōu)化。當水口和斷面確定后，通過匹配合理的拉速和浸入深度，可得到最佳的使用條件，提高鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率。