澆鑄參數(shù)對結(jié)晶器液面波動(dòng)影響及其工業(yè)應(yīng)用

陳斌^1,2,3，李海波^1,2,3，季晨曦^1,2,3，劉國梁^1,2,3，周海忱^1,2,3

(1. 首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院， 北京 100043；2. 綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100043；3. 北京市能源用鋼工程技術(shù)研究中心， 北京 100043)

摘要：板坯連鑄結(jié)晶器液面的波動(dòng)行為是結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)、結(jié)晶器自身振動(dòng)以及輥?zhàn)訑D壓鑄坯內(nèi)部未凝固的鋼液造成液面波動(dòng)綜合作用的結(jié)果。結(jié)晶器液位波動(dòng)的穩(wěn)定性對板坯連鑄過程的卷渣行為有直接影響。在工業(yè)板坯連鑄生產(chǎn)實(shí)踐中，一般在結(jié)晶器某一區(qū)域(比如結(jié)晶器中部)利用放射源或渦流傳感器檢測液位波動(dòng)來代表該工況下的整體波動(dòng)水平。利用三維氣液兩相流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型研究了澆鑄參數(shù)對結(jié)晶器液位輪廓的影響，澆鑄參數(shù)包括拉速、吹氬流量、浸入式水口出口角度和澆鑄斷面。研究結(jié)果表明，結(jié)晶器不同寬度位置的波動(dòng)幅值差異較大，且與工藝參數(shù)密切相關(guān)。液面的波峰與波谷之差隨著拉速的增加在窄面附近逐漸增大，隨著吹氬流量的增加在水口附近逐漸增大。在水口出口角度15°條件下，水口和窄面附近的液位波動(dòng)均較大，而在水口出口角度45°條件下，僅在水口附近存在較大的液位波動(dòng)。研究結(jié)果表明，使用板坯連鑄常規(guī)的15°浸入式水口，當(dāng)鑄坯寬度大于800 mm時(shí)，結(jié)晶器液面檢測需要在水口和窄面附近同時(shí)布置液位檢測設(shè)備，以便更全面反應(yīng)結(jié)晶器的真實(shí)液面行為，使液面波動(dòng)對軋板表面質(zhì)量指導(dǎo)性增強(qiáng)，有效提高連鑄工藝的控制水平。如使用45°浸入式水口可以繼續(xù)沿用原有的液位檢測布置。

關(guān)鍵詞：液位輪廓；氣液兩相流；數(shù)值模擬；液位檢測；板坯；連鑄結(jié)晶器

1 引言

結(jié)晶器液位波動(dòng)與結(jié)晶器卷渣行為和最終產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)。穩(wěn)定、控制良好的結(jié)晶器液位對連鑄機(jī)保持恒定拉速、穩(wěn)定生產(chǎn)和減少液面卷渣至關(guān)重要。在工業(yè)澆鑄生產(chǎn)實(shí)踐中，一般在結(jié)晶器某一特定區(qū)域(比如結(jié)晶器中部)利用放射源或渦流傳感器檢測液位來代表該工況的整體液位波動(dòng)。但利用該液位波動(dòng)數(shù)據(jù)分析其與軋板質(zhì)量關(guān)系過程中經(jīng)常存在波動(dòng)數(shù)據(jù)與后續(xù)軋板表面缺陷數(shù)據(jù)對應(yīng)偏差的情況。因此，將某一位置液位波動(dòng)作為該工況下結(jié)晶器液位波動(dòng)的方法有待進(jìn)一步優(yōu)化。

研究這一問題的核心在于明確工藝參數(shù)對結(jié)晶器寬度不同位置處液位波動(dòng)的影響?，F(xiàn)有文獻(xiàn)研究工藝參數(shù)對結(jié)晶器液面波動(dòng)的影響很少考慮結(jié)晶器寬度位置的因素。比如Jeon Y等通過建立尺寸為1∶1的薄板坯連鑄結(jié)晶器水模型，發(fā)現(xiàn)隨著結(jié)晶器寬厚比減小，液面波動(dòng)的周期性變化特征減弱。鄧小旋等采用水模型和插釘板試驗(yàn)研究了在固定通鋼量條件下連鑄坯寬度對結(jié)晶器液面特征的影響，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器液面控制應(yīng)根據(jù)鑄坯寬度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。任磊等通過插釘法得到了不同時(shí)刻下結(jié)晶器液面輪廓，研究發(fā)現(xiàn)連鑄生產(chǎn)過程中結(jié)晶器內(nèi)、外弧側(cè)液位有差異。陳威等通過插釘法研究了吹氬流量對結(jié)晶器內(nèi)流場分布的影響，并且定量分析了液位波動(dòng)的變化，結(jié)果表明，液位波動(dòng)隨著吹氬流量的增加而增大。Anagnostopoulos J等模擬了水-油界面的行為，研究表明，降低拉速和增大水口出口角度可以減少液面波動(dòng)。朱苗勇等通過數(shù)值模擬和水模試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了結(jié)晶器內(nèi)鋼-渣界面行為，發(fā)現(xiàn)提高拉速會(huì)使液面波動(dòng)明顯加劇。

關(guān)于不同位置處結(jié)晶器液位波動(dòng)對比也有一些研究。比如CHEN Y等研究了兩側(cè)四孔“自制動(dòng)”浸入式水口對結(jié)晶器液面波動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)“自制動(dòng)”水口下從水口到窄面方向液位波動(dòng)平穩(wěn)。任磊通過水模型試驗(yàn)對寬板坯連鑄結(jié)晶器在窄面、寬度1/4處以及水口兩側(cè)的液位波動(dòng)進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)窄面液面波動(dòng)范圍在-0.5~+0.5 mm內(nèi)占總波動(dòng)次數(shù)的26.7%；寬度1/4處液面波動(dòng)范圍在-0.5~+0.5 mm內(nèi)占總波動(dòng)次數(shù)的36%。但較少有文獻(xiàn)報(bào)道工藝參數(shù)對結(jié)晶器不同位置液位波動(dòng)的影響規(guī)律以及基于該研究優(yōu)化液位檢測位置。

本研究通過數(shù)值模擬計(jì)算了結(jié)晶器內(nèi)鋼液-氬氣的流動(dòng)，研究了拉速、吹氬流量、水口出口角度以及澆鑄斷面對結(jié)晶器液位分布的影響，研究結(jié)果為優(yōu)化結(jié)晶器液位波動(dòng)檢測位置提供了直接參考依據(jù)。

2 精選圖表