結晶器鋼水液面流速檢測技術研究

范正潔,職建軍,徐國棟

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.中央研究院,上海 201999; 2.煉鋼廠,上海 200941)

1 研究背景

結晶器液面流速是影響卷渣最為關鍵的因素之一,所以對于連鑄坯的內部質量和表面缺陷有重要的影響。結晶器液面附近鋼水流速過快,特別是形成了向窄邊方向的流股會造成保護渣和氬氣泡的卷入,形成鑄坯的保護渣和氣泡型缺陷;結晶器液面附近鋼水流速過慢,鋼水對液面的熱量補充不足,不利于保護渣熔化,也容易造成鑄坯的表面質量問題,更甚者會導致鑄坯產生裂紋及漏鋼。結晶器液面附近鋼水流速控制在合理的范圍,對于連鑄坯的最終質量至關重要,所以如何準確有效地測量與優化結晶器液面附近的鋼水流速非常關鍵。

結晶器內鋼水溫度高達1 600 ℃,常規測速裝置和方法都無法對高溫鋼水流速進行有效檢測,所以高溫鋼水流速測量一直是煉鋼領域的技術難題之一。目前檢測高溫鋼水流速方法主要有以下幾種:

(1)卡門渦街法[1]。流體繞流長的圓柱體時發生邊界層分離,在圓柱體后面出現卡門渦街,通過檢測卡門渦街的頻率來得到鋼水的流速。此方法只能測量液體表面某一點的流速,且無法檢測鋼水流速的方向。

(2)電磁感應成像法[2]。該技術的原理是利用金屬具有高電導率的特性,在外加磁場作用下,流體的運動會產生感應電流,導致外加磁場發生變化。通過分析磁場變化與流場的關系得到流場分布。此方法的主要問題是來自保護渣的磁性材料會黏附在傳感器上。

(3)釘耙法。將釘子插入到結晶器液面附近的鋼水中,釘子在流動的鋼水中迎著鋼流的一側液位會顯著升高,釘子提出后會形成有一定斜坡的凝固坯殼。凝固坯殼斜坡的高度和鋼水流速有對應關系,并由此可以計算得到鋼水流速值。此方法的主要問題是只能檢測某一個時刻的速度。

本文研究了阻尼法結晶器鋼水液面流速測量技術,開展測速桿偏轉角和鋼水流速換算關系的理論計算,并開發檢測結晶器液面流速的裝置,在現場開展結晶器鋼水流速測量的工業試驗,此裝置能夠連續準確地檢測結晶器液面鋼水流速。

2 阻尼法結晶器鋼水流速測量裝置和檢測原理

阻尼法結晶器鋼水流速測量裝置示意圖見圖1,包括測速棒和測速棒偏轉裝置。測速棒的偏轉裝置包括測速棒配重﹑偏轉軸承外套﹑偏轉軸承﹑偏轉角度指示板﹑偏轉角度指針和測速棒固定螺釘。偏轉軸承可滑動地套裝在偏轉軸承外套內壁上。偏轉軸承外套的外表面有一個向外延伸的配重桿,配重桿和測速棒用固定螺絲分別安裝在偏轉軸承外套的外表面上,測試棒配重安裝于配重桿上。

圖1 結晶器鋼水流速測量裝置示意圖

阻尼法測鋼水流速原理是利用鋼水流速與沖擊力的對應關系,以及力矩轉動平衡原理來測量鋼水的流速,具體細節為將可以水平方向靈活轉動的測速棒插入結晶器鋼液液面下一定深度,測速棒在鋼水沖擊力的作用下將發生偏轉,其偏轉方向為鋼水的流動方向。將測速棒的偏轉角度與鋼水流速關聯計算,可以得到鋼水的流速。

鋼液流動對測速棒的沖擊力與測速棒處鋼液的水平流速相關。在測速棒被沖擊面處,如圖2所示,根據力矩平衡關系可知公式(1):

圖2 鋼水流速測量原理

IGsinθ=LFcosθ

(1)

式中:F為鋼水沖擊力;G為重力;I為測速棒重心與支點間的距離;L為測速棒浸入鋼液部分的中心位置與支點間的距離;θ為測速棒的偏轉角度。

其中,鋼水沖擊力F如式(2):

(2)

聯立式(1)、(2),整理可得到鋼水流速與測速棒偏轉角度的關系:

U0=(2IGtanθ/LCDρA)1/2

(3)

由此,通過測量測速棒在鋼液中的偏轉角度,即可推算出測量點的鋼液流速。

3 現場結晶器鋼水流速測量試驗

使用阻尼法流速測量裝置在寶鋼2#連鑄機結晶器液面附近測量鋼水流速。2#連鑄機測量試驗工況:結晶器斷面尺寸為1 200 mm×250 mm,拉速為1.3 m/min,水口傾角為-15°,測量位置結晶器寬度方向1/4處,吹氬量為25 L/min,電磁攪拌打開。

在檢測結晶器鋼水流速時,為延長測速棒的持續時間,將測速棒再套入耐材套管,使得所測鋼水的流速在一個時間段內是連續值。如圖3所示,將測速棒插入到結晶器寬面1/4處鋼水液面中,浸入鋼水液面以下深度為100 mm,在結晶器鋼水流股的沖擊下,測速棒產生一個偏轉角度。

圖4為試驗中結晶器寬面1/4處測速棒偏轉角度合成。共計測量8組數據,6組鋼水流向水口方向,所占比例為81.3%,偏轉角度在35°～45°之間;2組部分流向窄邊方向,所占比例為18.7%,偏轉角度在25°～35°之間。

圖4 結晶器寬面1/4處測速棒偏轉角度

將測速棒檢測的偏轉角度通過理論換算公式計算得到結晶器寬面1/4處鋼水流速,表1為測速棒偏轉角度和鋼水流速換算計算參數。

表1 測速棒偏轉角度和鋼水流速換算計算參數

圖5為對試驗中的偏轉角度進行計算后得到的結晶器寬面1/4處流速,過濾掉測量時的擾動,流速絕對值大部分在0.3～0.4 m/s之間波動。在結晶器寬面1/4處鋼水流向改變,產生原因可能是吹氬流量的波動或者水口出流產生的偏流。

圖5 結晶器寬面1/4處鋼水流速

因為寶鋼2#連鑄機使用的是結晶器電磁攪拌裝置,以下試驗測量鋼水流速來驗證結晶器電磁攪拌裝置是否在結晶器表面形成旋轉的流動。圖6～圖9是對結晶器中不同位置流場情況的考察,是3流和4流的測速棒偏轉角度和對應鋼水流速的測量計算,圖中紅色圓圈是浸入式水口位置,箭頭方向表示測速棒移動軌跡。從測量結果來看,不同位置處的鋼液流速不同,最大可達0.2 m/s,3流的流速變化要大于4流。

圖6 結晶器寬面3個位置測速棒偏轉角度(3流)

圖8 結晶器寬面3個位置測速棒偏轉角度(4流)

圖9 結晶器寬面3個位置結晶器鋼水流速(4流)

從測試的結果來看,在電磁攪拌的作用下,結晶器液面附近的流場沒有像設想的那樣,在液面附近旋轉起來。因為在內弧側測的結晶器鋼水流向與外弧側測的鋼水流向是一致的,鋼水流向都是朝向浸入式水口。這表明,在電磁攪拌的作用下,結晶器液面附近鋼水流場主流仍然是窄邊向浸入式水口的流動,并沒有在電磁攪拌作用下在液面附近形成貼著結晶面的旋轉流動。

4 結論

(1)本文自主開發的鋼水流速測量裝置和技術,可以準確直觀地測量結晶器液面附近鋼水的流速,為優化結晶器內流場和連鑄工藝參數提供了有效判定準則。

(2)結晶器表面流速的高溫實際測量結果表明:結晶器內液面附近的鋼水流向發生了改變,當吹氬流量較大時,結晶器表面的流動方向由朝向浸入式水口變為向窄邊方向。

(3)使用耐材棒偏轉阻尼法測量結晶器寬面1/4處鋼水流速,測量數據顯示流速的絕對值基本在0.3～0.4 m/s之間波動,其中81.3%時間的流向朝水口方向,部分時間流向窄邊方向,所占比例為18.7%,產生的原因可能是吹氬流量的波動或者水口出流產生的偏流。

(4)在內弧側測的結晶器鋼水流向與外弧側測的鋼水流向是一致的,表明在電磁攪拌作用下,結晶器液面附近鋼水流場主流仍然是鋼水沖擊到窄邊向浸入式水口的流動,并沒有在液面附近形成貼著結晶面的旋轉流動。