板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面流速水模研究.docx

1、2007年2月30第23卷第1期煉鋼SteelmakingFeb.2007Vol.23No.1板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面流速水模研究陸巧彤，楊榮光，王新華，張炯明，王萬軍(北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京100083)摘X:以某廠板坯連鑄結(jié)晶器為原型，采用1：1的水模型進(jìn)行模擬實驗，研究表明：增加拉速、減小水口的浸入深度、減小水口出口向下的傾角以及增加水口的吹氣扯均會增加結(jié)晶器內(nèi)鋼液的表面流速、增大結(jié)晶器內(nèi)卷渣的傾向，其中拉速的增加對表面流速的影響最大.關(guān)詞：板坯連鑄；結(jié)晶器；水模型；表面流速中圖分類號：TF777.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1002-1043(2007)01P030P5Wa

2、termodelexperimentsonvelocityofliquidsteelsurfaceflowinslabcontinuouscastingmoldLUQiao-tong,YANGRongguang,WANGXin-hua,ZHANGJiong-ming,WANGWan-jun(SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering*UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)Abstract:Takingtheslabcastermoldofaspecificsteel

3、-makingplantastheprototype,watermodelingexperimentsonthevelocityofthesurfaceflowintheslabcastermoldunderthedifferentprocessingconditionsarecarriedoutwitha11scalewatermodel.Resultsshowthatthevelocityofthesurfaceflowinthemoldcanbeacceleratedbyincreasingthecastingspeed,decreasingthesubmergeddepthofSEN,

4、reducingthedownwardanglesofthenozzleoutletsandincreasingArflow-rate.Oftheabovementionedtechnicalmeasures*themosteffectiveoneonthevelocityofthesurfaceflowisincreasingthecastingspeed.Keywords：slabcontinuouscast；mold；watermodel?surfaceflowvelocity作者簡介:陸巧彤(1971-),女(漢族)，廣東德慶人，北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，碩士生,從事連鑄工藝技術(shù)

5、的研究.在對板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場的物理模擬研究中，主要是在實驗室中建立水模型，用水模擬鋼液研究結(jié)晶器中流場的形態(tài)、流股的沖擊位置和旋流區(qū)的大小，觀察不同水口及澆注工藝參數(shù)對鋼液流場及液面波動的影響舊,但對表面流速方面的研究卻較少。板坯連鑄過程中，一方面要求結(jié)晶器液面平靜，保護(hù)渣覆蓋良好，另一方面需要在結(jié)晶器表面區(qū)域有一定的流動，加強(qiáng)液面區(qū)域的熱交換，有利于保護(hù)渣的熔化。結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面流速應(yīng)在一個合適的范圍之內(nèi)，過大的表面流速會引起鋼液裸露甚至卷渣，而過小又會使結(jié)晶器鋼液面熱交換不足，出現(xiàn)液面結(jié)殼,結(jié)晶器潤滑不好，影響鋼坯質(zhì)量。因此，研究結(jié)晶器內(nèi)自由表面的流動狀況、控制表面流速,對于獲得良

6、好的鑄坯質(zhì)量、提高連鑄生產(chǎn)效率以及潔凈鋼生產(chǎn)具有重要意義。本工作結(jié)合某鋼廠板坯連鑄現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況，建立1：1的水模型，對不同工藝條件下，拉速、浸入式水口出口角度，水口浸入深度、水口吹氣量以及結(jié)晶器寬度的變化對結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面流速的影響程度進(jìn)行了研究。1實驗方法根據(jù)相似理論，考慮到結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動主要受慣性力、重力和粘性力的作用,因此應(yīng)保證模型與實物中的Re數(shù)和Fr數(shù)相等。由于實際結(jié)晶器和所選的水模型中流體流動狀態(tài)均已處在第二自模化區(qū)，故只要保證弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr相等即可實現(xiàn)兩者的動力相似。本研究采用1：1的水模型進(jìn)行實驗。實驗裝置如圖1所示，表1為結(jié)晶器水模型的尺寸參數(shù)。結(jié)晶器寬度/mm結(jié)艄器厚

7、度/mm水模型高度/mm浸入式水口尺寸/mm出口高度出口寬度出口厚度1100-19002502000806525«1堵水模型幾何尺寸本實驗采用了南京水利水文自動化研究所防汛設(shè)備廠研制的LS1206B型旋槳式流速計，對結(jié)晶器水模型內(nèi)流體的表面流速進(jìn)行了測定。2實驗結(jié)果及分析2.1拉速對表面流速的影響圖2為拉速與表面流速的關(guān)系圖，比較圖2中的a、b、c不難看出：雖然結(jié)晶器寬度不同，表面流速變化規(guī)律不同：結(jié)晶器寬度較小（1100mm以下）時，隨著表面流向水口方向的推進(jìn),表面流速逐漸增大，到水口附近達(dá)到最大值;結(jié)晶器寬度較大（1500mm以上）時，隨著表面流向水口方向的推進(jìn)，流速值開始逐漸增

8、大，達(dá)到最大值后又開始逐漸減小，但是在各結(jié)晶器寬度下，表面流速的最大值均出現(xiàn)在距結(jié)晶器窄面350mm處。這是因為結(jié)晶器寬度較?。?100mm以下）時，表面流速達(dá)到最大值后表面流已到達(dá)水口附近，與水口和水口另一側(cè)的表面流相遇，沒有了發(fā)展空間，故表面流速呈現(xiàn)出逐漸增大，到水口附近達(dá)到最大值的變化規(guī)律；而結(jié)晶器寬度較大（1500mm以上）時，水口兩側(cè)表面流流動的距離增加，表面3030252015100.0.0.0.(-«.<»«扈褂05O.50100150200250300350距結(jié)晶器軍邊的距高/皿(a)V-V結(jié)品器寬度：UOOmn.部水口浸入深度：120mm匯

9、,歟:水口出口角度:向下】5菖席：篇芯結(jié)品器寬度：1500mm'水口浸入深度：250nn吹氣量：10L/min水口出口角度：向下34-Vc=O.8m/Bin-o-Vc=.0®/zmin-A-kc=l.2/ein-V4m/ain心.6«/心A-芻一一50100150200250300350400450500距結(jié)晶器卒邊的距寓/皿(b)50450.0.4035302520151005000.0.0.Q0.0.0.0.0.(-«)、*««100200300400500600700800距結(jié)初器京邊的距高/血(c)結(jié)晶保寬度：1900水口浸入深

10、度：250吹氣量UOL/ain水口出口角度：0。Vc=O.Wmin-o-Vc=.Om/n)in'A-c=l.2m/min-V-c=l.4m/minVc=l.6m/min05050505050506*0766554433221100QO.O.O.QO.0.0.0.0.0.0.0.0.Q圖2拉速對表面流速的影響流速達(dá)到最大值后表面流尚有足夠的空間發(fā)展,故表面流速呈現(xiàn)出先增加后減少的變化規(guī)律。拉速增大時，結(jié)晶器內(nèi)自由表面的流速均有增大的趨勢，但是在結(jié)晶器不同位置，表面流速變化的程度不同。由圖2可見:在低拉速（1.0m/min以下）下，隨著拉速的增大，表面流速的增幅不大,但在較高拉速（1.2m

11、/min以上）下，隨著拉速的增大，表面流速增加很多，變化明顯。這主要是因為當(dāng)拉速增加時，結(jié)晶器水口出口射流速度增大,流股沖擊結(jié)晶器窄面后形成的上升流的動能隨之增大;上升流行至流體自由表面后改變流向，形成折返向內(nèi)的表面流,此表面流的流速隨著上升流動能的增加而增大，即隨著拉速的增加'流體表面流速增大。隨著拉速增加，當(dāng)水口出口角度向下傾角較大時,對表面流速的增加幅度也有影響。如圖2-b所示，在水口出口角度為34°向下、拉速小于1.4m/min時，隨著拉速的增大，表面流速增加不明顯,但是在拉速為1.6m/min時，表面流速值增加很明顯。這是因為出口角度34°向下水口的沖擊點

12、較深，上升流向上流動的距離增長，導(dǎo)致回上升流的沿程動能損失大，只有當(dāng)拉速增大到一定程度后（1.6m/min）,才能使表面流速明顯增大。2.2SEN浸入深度對表面流速的影響圖3為水口浸入深度與表面流速的關(guān)系圖，由圖3可見，隨著水口浸入深度的增加，結(jié)晶器內(nèi)流體表面流速即有所減小?？梢钥闯?，對于34°向下水口，浸入深度為200mm的表面流速比浸入深度為250mm的表面流速大得不多。也就是說當(dāng)水口出口向下的傾角較大時,水口浸入深度達(dá)到一定程度后，浸入深度的增加將對減小表面流速的作用不大。圖3水口浸入深度對表面流速的影響對于向下25°水口，低浸入深度（120mm）的表面流速比高浸入深

13、度（200mm或250mm）的表面流速大,尤其是從水口與結(jié)晶器窄面的中心處到水口附近，表面流速增加明顯;在高浸入深度的條件下，從結(jié)晶器窄面到水口附近，隨著水口浸入深度的增加表面流速的下降幅度逐漸增大，如圖3-b所示。2.3SEN出口角度對表面流速的影響圖4所示的是4種浸入式水口出口角度對結(jié)晶器表面流速影響的關(guān)系圖。由圖4可見，浸入式水口出口角度從0°變化到向下34°,各測點處的表面流速基本上都是在減小的。這是因為在其它工藝參數(shù)不變的情況下，水口角度向下增大時，下部流股運動逐漸加強(qiáng)，流股撞擊結(jié)晶器窄面的位置下移，上升流逐漸減弱,其對液面區(qū)域的擾動減弱.液面趨于穩(wěn)定，表面流速減

14、小。由圖4中a和c可知，對于窄斷面結(jié)晶器（1100mm）和寬斷面結(jié)晶器（19（X）mm）,水口出口角度的變化對結(jié)晶器窄面附近表面流速的影響不大：出口角度分別為0°和向下15°的水口在結(jié)晶器窄面附近的表面流速基本相同、出口角度分別為25°向下和34°向下的水口在結(jié)晶器窄面附近的表面流速也基本相同。這說明對于窄斷面結(jié)晶器和寬斷面結(jié)晶器來說,浸入式水口出口角度的變化對結(jié)晶器窄面附近的表面流速影響不大。而對于較寬斷面的結(jié)晶器1500mm）來說，除水口出口角度為0°外,水口出口角度的變化對結(jié)晶器窄面附近的表面流速影響也不大（見圖4-b）.由圖4-b可見，

15、在寬度為1500mm的結(jié)晶器中，對于出口角度為25°向下的水口和34°向下水口，結(jié)晶器內(nèi)各測點的表面流速相差不大;而15°向下水口在結(jié)晶器窄面的表面流速比水平0°水口在結(jié)晶器窄面的表面流速小了很多。綜上所述，隨著浸人式水口出口角度向下逐漸增大，表面流速逐漸減小。結(jié)晶器寬度不同，水口出口角度對表面流速變化的影響程度不同。2.4水口吹氣量對表面流速的影響浸入式水口吹氣時，氣體在浸入式水口內(nèi)同水進(jìn)行混合并聚合生成許多氣泡,大景的氣泡并不隨流股流向窄面，而是在不同位置脫離主流股直接浮向液面。氣泡上浮到結(jié)晶器液面破裂時,會影響表面流的流動，從而導(dǎo)致表面流速在液面各

16、點處的流動具有不同的特征，即吹氣量對不同測點表面流速的影響規(guī)律各不相同。圖5為吹氣量對表面流速影響的關(guān)系圖。由(a)(a)50100150200250300350距結(jié)晶器窄邊的距M/arn8O.O.O.O.O.O.O.？、»««*0.060.0450100150200250300350距結(jié)晶器軍邊的距離/皿(a)20864202522111110O.O.QO.O.O.O.O.(-S&)、«憤屈褂35302520O.O.O.O.0.050=0°。-0=向下15%-0=向下25°V-0=向下34。結(jié)晶器寬度：1500mm.拉速：1

17、.4m/min,吹氣fit：OL/min.水口浸入深度：250mm距結(jié)晶器窄邊的距K/urn（b）0.050.400100200300400500600700距結(jié)晶器窄邊的距離/皿(b)5050503312211O.O.O.O.O.O.rs.)、«鋸屈褂40O.5O330.0.O.O.O.O.(以日)、«帽褂圖4水口出口角度對表面流速的影響圖5可見:隨著吹氣量的增加，表面流速增大。在較高拉速和水口出口下傾角度較大的條件下，射流股的沖擊深度較深，隨主流股進(jìn)入流場內(nèi)部的氣體比例增大，而且分布相對均勻；氣體脫離主流股上浮到自由液面后破裂,對自由液面的擾動也比較均勻，這樣就使得自由

18、表面各點處表面流速的增加幅度一致（見圖5）。雖然吹氣量越大，表面流速越大,但表面流速值并非隨吹氣量的成倍增加而倍增，如圖5-a所示，吹氣量由4L/min增加到10L/min,增加了2.5倍，但除水口附近外,表面流速值僅有少量增加；由于水口附近氣泡上浮的密度較其它位置大，故吹氣量增大對這一區(qū)圖5吹氣量對表面流速的影響域影響較大。2.5工藝參數(shù)對表面流速的交互影響上述工藝參數(shù)對結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面流速的影響程度不同，在這些工藝參數(shù)中，拉速對結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面流速的影響最大。此外,各工藝參數(shù)對表面流速大小的影響也是相互聯(lián)系的，也就是說,改變某一或某些工藝條件可以減輕或抵消另一個或另一些工藝參數(shù)的不良影響。

19、文獻(xiàn)資料認(rèn)為結(jié)晶器鋼液表面最大的速度在0.10.3m/s范圍內(nèi)鑄坯表面缺陷最少。為將結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面流速控制在一個合適的范圍內(nèi)，以減少或避免卷渣，在采用較高拉速時，就應(yīng)考慮適當(dāng)增加水口的浸入深度和加大水口出口向下的傾角；在水口浸入深度較淺時,就應(yīng)考慮適當(dāng)降低拉速或（和）加大水口出口向下的傾角；在水口吹A(chǔ)r流量較大時，就應(yīng)考慮適當(dāng)降低拉速、增加水口浸入深度和加大水口出口向下的傾角。根據(jù)本研究結(jié)果，同時考慮將結(jié)晶器內(nèi)液面波動控制在±3mm以內(nèi)可知，當(dāng)結(jié)晶器寬度為1900mm、采用1.4m/min的拉速時，選擇25°向下的水口出口角度、250mm的水口浸入深度和10L/min的吹

20、氣量（考慮到氣體膨脹，即現(xiàn)場的Ar流量在4L/min左右）可將板坯結(jié)晶器內(nèi)流場的表面流速控制在合理的范圍內(nèi)，從而減小和避免結(jié)晶器內(nèi)卷渣。3結(jié)論（1）在結(jié)晶器窄面附近的表面流速值不大，結(jié)晶器寬度較?。?100mm以下）時,隨著表面流向水口方向的推進(jìn)，表面流速逐漸增大，到水口附近達(dá)到最大值;結(jié)晶器寬度較大（1500mm以上）時，隨著表面流向水口方向的推進(jìn),流速值開始逐漸增大，當(dāng)表面流速在水口與結(jié)晶器窄面中間一定位置達(dá)到最大值后又開始逐漸減小。（2）增加拉速、減小水口的浸入深度和減小水口出口向下的傾角均會增加結(jié)晶器內(nèi)自由表面的表面流速。對于出口角度為15°34°向下的水口，隨著吹

21、氣量的增加，結(jié)晶器內(nèi)自由表面的表面流速也增加。（3）拉速對結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面流速的影響最大。各工藝參數(shù)對表面流速大小的影響是相互聯(lián)系的，即改變某一或某些工藝條件可以減輕或抵消另一或另一些工藝參數(shù)的不良影響，從而減少或避免卷渣。，考文獻(xiàn)1 PJFlinta.Three-dimensionalfinitedifferencemodelofheattransferflowandsoiidify-calculationinthecontinuousslabcasterC/SteelmakingConferenceProceedings.Warrendale：IronandSteelSociety,199

22、0.481-490.2 川上公成，石果守幸，等.實驗$主體fc-Ti未橐固X5"7內(nèi)介$物鐵鋼，1973,59(3):387-395.3 PeterAudrzejewski.Karl-UlrichKohler,WolfgangPlusch-kell.ModelinvestigationsonthefluidflowincontinuouscastingmouldsofwidedimensionsJj.SteelResearch1992,63,(6):242-246.4 雷洪.朱苗勇，汪溫泉，等.水口吹基對結(jié)晶器穹月面波動的影響門中國有色金屬學(xué)1998,(9):468-471.5 DharmendraGupta,AKIjihiri.Water-modelingstudyofthesurfacedisturbancesincontinuousslabcaster。.MetallurgicalandMaterialsTransactionsB«1994,25B：227-233.6 JKubota.Mechanismoflevelfluctuation