孟祥寧，汪寧，朱苗勇

（東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819）

專(zhuān)家論壇

結(jié)晶器渣圈對(duì)渣道壓力、振痕及渣耗影響的分析

孟祥寧，汪寧，朱苗勇

（東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819）

對(duì)比分析了三種類(lèi)型結(jié)晶器渣圈，闡明了渣圈對(duì)連鑄坯生產(chǎn)過(guò)程的影響。結(jié)果表明，當(dāng)渣圈存在時(shí)，渣道動(dòng)態(tài)壓力變化幅度顯著增大，最大正壓由1.373 kPa提高到21 kPa，壓力增大導(dǎo)致振痕產(chǎn)生，渣圈越厚，振痕越深；同時(shí)，渣圈會(huì)影響保護(hù)渣的消耗量，無(wú)渣圈時(shí)，最大渣耗量為0.009 7 kg/（m·s），渣圈存在時(shí)，最大渣耗量降至0.007 kg/（m·s），較厚的渣圈會(huì)使渣道寬度變窄，在振動(dòng)負(fù)滑脫中期降低保護(hù)渣的消耗量。

結(jié)晶器；保護(hù)渣；渣圈；渣道壓力；振痕；渣耗

結(jié)晶器保護(hù)渣技術(shù)是連鑄生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要組成部分，它對(duì)鑄坯的質(zhì)量和產(chǎn)量起至關(guān)重要的作用。連鑄生產(chǎn)的順利進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量的提高與保護(hù)渣的應(yīng)用密切相關(guān)。加入到結(jié)晶器內(nèi)鋼液面上的保護(hù)渣受熱熔化形成液態(tài)保護(hù)渣，隨著結(jié)晶器往復(fù)振動(dòng)，液態(tài)保護(hù)渣流入結(jié)晶器壁與初凝坯殼之間的間隙，對(duì)鑄坯起潤(rùn)滑作用。保護(hù)渣道入口上部的液渣與結(jié)晶器壁接觸受冷凝固并粘附在結(jié)晶器壁上，在結(jié)晶器壁四周形成“渣圈”。渣圈一旦長(zhǎng)大，可能會(huì)阻礙液渣向保護(hù)渣道內(nèi)流入，導(dǎo)致鑄坯與結(jié)晶器壁潤(rùn)滑不良，傳熱不均，從而引起鑄坯質(zhì)量問(wèn)題。吳杰等對(duì)渣圈形成及防范措施進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述［1］。王新月等通過(guò)分析低合金鋼板坯Q345D生產(chǎn)中易結(jié)渣圈現(xiàn)象，證實(shí)了保護(hù)渣在使用過(guò)程中熔化不均及配碳不當(dāng)是渣圈形成的主要原因［2］。閆威等將液渣和渣圈進(jìn)行對(duì)比研究，分析了保護(hù)渣成分變化后認(rèn)為，高熔點(diǎn)相鈣鋁黃長(zhǎng)石的析出是促使渣圈形成的重要原因［3］。以上研究側(cè)重于渣圈的成因，而對(duì)渣圈作用機(jī)理缺乏深入分析，渣圈形狀直接影響保護(hù)渣的消耗和彎月面處的渣道壓力，而渣道壓力對(duì)連鑄坯振痕的形成有重要影響［4-6］，因此，對(duì)渣圈在振動(dòng)周期內(nèi)的行為和作用機(jī)理仍需深入分析。

本文研究了結(jié)晶器振動(dòng)過(guò)程中不同渣圈形狀對(duì)彎月面渣道入口處動(dòng)態(tài)壓力的影響，闡明了渣圈對(duì)振痕作用機(jī)理和對(duì)保護(hù)渣消耗的影響。

1　數(shù)學(xué)模型

圖1為結(jié)晶器內(nèi)部示意圖。結(jié)晶器往復(fù)振動(dòng)引起渣道壓力發(fā)生周期性變化，而渣道形狀是影響渣道壓力的決定性因素。雷作盛等和孟祥寧等在研究渣道壓力過(guò)程中，彎月面形狀函數(shù)采用Bikerman公式［7-9］。而對(duì)與靠近結(jié)晶器壁一側(cè)的渣道形狀函數(shù)，雷作盛等將其視為直線(xiàn)，孟祥寧等采用固態(tài)渣膜厚度擬合出形狀函數(shù)。上述研究都忽略了渣圈對(duì)渣道壓力的影響。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，渣圈會(huì)不可避免的出現(xiàn)，因此上述計(jì)算結(jié)果與實(shí)際仍有偏差。

圖1　結(jié)晶器內(nèi)部示意圖

彎月面保護(hù)渣道計(jì)算模型如圖2所示。沿拉坯方向?yàn)閤軸，垂直拉坯方向?yàn)閥軸，并規(guī)定垂直指向結(jié)晶器壁一側(cè)的壓力為負(fù)壓，其相反方向壓力為正壓。根據(jù)液渣動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒方程求出渣道壓力pf［10］：

求解公式（1）和（2）的邊界條件：

圖2　彎月面保護(hù)渣道計(jì)算模型

式中，p為壓力變量，Pa；Vr為保護(hù)渣與初凝坯殼相對(duì)速度，Vr=V0+Vc，m/s；V0為結(jié)晶器振動(dòng)速度，m/s；Vc為拉坯速度，m/s；ρf為液態(tài)保護(hù)渣密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；μ為液態(tài)保護(hù)渣黏度，Pa·s；dm為渣道長(zhǎng)度，m；P0為液渣池靜壓力，Pa；P1為渣道出口壓力，Pa；d1為x1處固態(tài)渣膜厚度，m；d2為渣道出口寬度，m；f1和f2為渣道形狀函數(shù)。

式中，h1（x）為彎月面形狀函數(shù)；h0（x）為渣圈形狀函數(shù)。

液渣池靜壓力可由下式計(jì)算：

式中，dL為液渣池深度，m。

彎月面形狀函數(shù)由Bikerman公式計(jì)算為：

本文將三種類(lèi)型的渣圈形狀函數(shù)代入計(jì)算作對(duì)比分析，Ⅰ型：無(wú)渣圈，即h0（x）=0；Ⅱ型：渣圈未完全形成，本文取中間值，即Ⅲ型：完全形成，撈出的渣圈，即h0（x）=g（x）。

g（x）由實(shí)際生產(chǎn)中所撈出的渣圈厚度線(xiàn)性回歸所得，本文計(jì)算所用渣圈如圖3所示，保護(hù)渣性能如表1所示。

圖3　彎月面渣圈示意圖

表1　保護(hù)渣性能

彎月面處初生坯殼厚度較薄，強(qiáng)度較弱，在鋼水靜壓力和周期性變化的渣道壓力作用下易發(fā)生彈性變形，將彎月面處初凝坯殼視為懸臂梁，彎月面底端為固定端，初凝坯殼厚度取1.6 mm，忽略初凝坯殼附近鋼水流動(dòng)的影響，則初凝坯殼所受力為渣道壓力pf和鋼水靜壓力ps。

鋼水靜壓力ps可由下式計(jì)算：

初凝坯殼所受合力k（x）可以表示為：

設(shè)懸臂梁的截面為矩形，則其慣性矩為：

式中，b為初凝坯殼的寬度，m；e為初凝坯殼的厚度，m。

初凝坯殼受力后撓度（彈性形變量）變化為：

式中，E為楊氏模量，GPa，采用Mixwkami等［11］通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，Ts為鋼水固相線(xiàn)溫度，℃。

2　計(jì)算結(jié)果及分析

2.1渣圈對(duì)渣道壓力的影響

在振動(dòng)結(jié)晶器正弦振動(dòng)模式下，根據(jù)Q235鋼的性質(zhì)和在實(shí)際澆鑄過(guò)程中的參數(shù)，對(duì)渣道壓力和初凝坯殼進(jìn)行受力分析，所用參數(shù)如表2所示。

圖4為結(jié)晶器正弦振動(dòng)速度和拉速圖。由于振動(dòng)波形對(duì)稱(chēng)，選取t1、t2、t3、t4、t5和t6時(shí)刻點(diǎn)進(jìn)行分析，t1為速度最大時(shí)刻點(diǎn)，t3時(shí)刻速度為0，t2為t1和t3中間時(shí)刻點(diǎn)，t4為負(fù)滑脫起始點(diǎn)，t6為速度最小時(shí)刻點(diǎn)，t5為t4和t6中間時(shí)刻點(diǎn)。

表2　計(jì)算所用部分參數(shù)值

由于結(jié)晶器振動(dòng)，渣道壓力發(fā)生周期性變化。圖5為三種類(lèi)型渣圈所對(duì)應(yīng)的渣道壓力圖。由圖5可以看出，壓力趨勢(shì)基本相同。t1時(shí)刻結(jié)晶器上振速度達(dá)到最大，渣道壓力達(dá)到最小值。隨著上振速度減小，渣道壓力逐漸增大。t4時(shí)刻，即結(jié)晶器下振速度與拉速相等，結(jié)晶器與鑄坯相對(duì)靜止，渣道壓力基本呈線(xiàn)性分布。t6時(shí)刻結(jié)晶器下振速度達(dá)到最大，渣道壓力達(dá)到最大值。Ⅰ型渣道壓力在彎月面3.4 mm左右處變化幅度達(dá)到最大，最大壓力為1.373 kPa，最小壓力僅為71 Pa。這是由于沒(méi)有渣圈，彎月面頂部渣道開(kāi)闊，壓力易于釋放，結(jié)晶器振動(dòng)對(duì)渣道壓力的影響有限。Ⅱ型渣道壓力在彎月面3.1 mm左右處變化幅度達(dá)到最大，最大壓力為5 082 Pa，最小壓力為-1 568 Pa。渣圈出現(xiàn)使彎月面處渣道寬度變窄，壓力不易于釋放。Ⅲ型渣道壓力在彎月面2.8 mm左右處變化幅度達(dá)到最大，最大壓力為21 kPa，最小壓力為-9.1 kPa。周期性變化的壓力會(huì)來(lái)回推動(dòng)初凝坯殼，當(dāng)渣道壓力對(duì)初凝坯殼產(chǎn)生的應(yīng)力大于自身臨界斷裂強(qiáng)度時(shí)，就很有可能產(chǎn)生初始裂紋，較厚的渣圈也會(huì)阻礙保護(hù)渣的消耗。

圖4　結(jié)晶器正弦振動(dòng)速度和拉速圖

圖5　渣道壓力對(duì)比圖

2.2渣圈對(duì)振痕形成的影響

振痕主要分為“凹陷型”和“鉤狀”兩種，結(jié)晶器往復(fù)振動(dòng)產(chǎn)生周期性施加于初凝坯殼上的機(jī)械力是形成振痕的主要原因［4］。在拉坯方向上鋼水靜壓力呈線(xiàn)性分布，因此渣道壓力的變化和大小直接影響振痕的形成和振痕深度。本文采用工程力學(xué)中的懸臂梁模型對(duì)初凝坯殼受力后的撓度變化進(jìn)行分析，闡明振痕的形成機(jī)理。

圖6　初凝坯殼撓度變化對(duì)比圖

圖6為三種類(lèi)型渣圈下計(jì)算出的初凝坯殼撓度變化圖。當(dāng)無(wú)渣圈時(shí)，周期性變化的渣道壓力對(duì)初凝坯殼幾乎無(wú)影響，坯殼只發(fā)生了微量的變化，沿拉坯方向鋼水靜壓力逐漸增大，使坯殼向結(jié)晶器壁一側(cè)微微鼓起。在第Ⅱ種類(lèi)型渣圈條件下，渣道壓力對(duì)初凝坯殼作用較明顯，在彎月面3.1 mm左右處，坯殼變化量最大，在t6時(shí)刻坯殼變化量達(dá)到最大值0.077 mm，在t1時(shí)刻坯殼反向變化量達(dá)到最大值0.035 mm。第Ⅲ種類(lèi)型渣圈對(duì)振痕影響顯著，在彎月面2.8 mm左右處，坯殼變化量最大，在t6時(shí)刻坯殼變化量達(dá)到最大值0.36 mm，在t1時(shí)刻坯殼反向變化量達(dá)到最大值0.16 mm。

結(jié)合第Ⅲ種類(lèi)型渣圈對(duì)振痕形成機(jī)理進(jìn)行描述，圖7為振痕形成機(jī)理圖。圖7中，a時(shí)刻結(jié)晶器向下振動(dòng)且速度越來(lái)越快，渣道正壓越來(lái)越大，將坯殼推向鋼水一側(cè)。在振動(dòng)負(fù)滑脫中期（b時(shí)刻）渣道壓力達(dá)到最大值21 kPa，在彎月面2.8 mm左右處初凝坯殼形變量最大，達(dá)到0.36 mm。由b時(shí)刻至c時(shí)刻，由于拉坯作用，坯殼向下運(yùn)動(dòng)了3.33 mm，此時(shí)彎月面上部渣道壓力為-1 kPa左右。新生成的坯殼強(qiáng)度很弱，在負(fù)壓和鋼水靜壓力作用下初生坯殼向結(jié)晶器壁一側(cè)移動(dòng)。由于冷卻作用，彎月面下部的坯殼厚度增加，強(qiáng)度增大，負(fù)壓很難將b時(shí)刻生成的振痕“吸”回去，僅在渣道負(fù)壓和鋼水靜壓力下向結(jié)晶器壁一側(cè)發(fā)生微量變形。至d時(shí)刻，渣道負(fù)壓達(dá)到最小值-9.1 kPa。彎月面上部坯殼繼續(xù)被吸向結(jié)晶器壁一側(cè)，彎月面下部負(fù)壓約-3 kPa，對(duì)越來(lái)越厚的坯殼不發(fā)生明顯作用。至e時(shí)刻，振痕形成，進(jìn)入下一個(gè)振動(dòng)周期。

圖7　振痕形成機(jī)理圖

2.3渣圈對(duì)渣耗的影響

保護(hù)渣消耗量是評(píng)價(jià)結(jié)晶器潤(rùn)滑的重要指標(biāo)，若彎月面處液渣流入不均勻，會(huì)導(dǎo)致傳熱不良，產(chǎn)生表面缺陷，過(guò)低的渣耗甚至?xí)?dǎo)致粘結(jié)性漏鋼。很多研究者對(duì)保護(hù)渣的消耗機(jī)理做了深入研究［12-15］，本文采用Okazawa等［16］推導(dǎo)出的計(jì)算模型計(jì)算了三種類(lèi)型渣圈下的渣耗量，如圖8。

無(wú)渣圈時(shí)，最大渣耗量達(dá)0.009 7 kg/（m·s），最小渣耗量為0.000 2 kg/（m·s）。而當(dāng)渣圈存在時(shí)，渣耗量有所降低。在第Ⅱ種類(lèi)型渣圈條件下，最大渣耗量降為0.007 6 kg/（m·s），最小渣耗量為-0.002 kg/（m·s）。負(fù)值表明，此時(shí)上振的結(jié)晶器將保護(hù)渣向上攜帶，液渣出現(xiàn)倒流。在第Ⅲ種類(lèi)型渣圈條件下，最大渣耗量為0.007 kg/（m·s），最小渣耗量降至-0.003 8 kg/（m·s）。Ⅱ、Ⅲ型曲線(xiàn)在振動(dòng)負(fù)滑脫中期有明顯“波谷”，因?yàn)樵Φ拇嬖谑乖雷冋?，?dāng)結(jié)晶器下振時(shí)，渣圈隨之向下運(yùn)動(dòng)，雖然負(fù)滑脫時(shí)期的負(fù)壓有利于液渣向渣道吸入，此時(shí)渣道寬度成為渣耗的限制性因素，渣耗降低。

圖8　保護(hù)渣消耗量對(duì)比圖

3　結(jié)論

（1）對(duì)比分析了三種類(lèi)型結(jié)晶器渣圈對(duì)渣道壓力的影響。結(jié)果表明，當(dāng)渣圈存在時(shí)，渣道動(dòng)態(tài)壓力變化幅度顯著增大，最大正壓由1.373 kPa提高到21 kPa，最小負(fù)壓由71 Pa降至-9.1 kPa。

（2）壓力增大導(dǎo)致振痕產(chǎn)生，渣圈越厚，振痕深度越深。

（3）渣圈會(huì)降低保護(hù)渣的消耗量，無(wú)渣圈時(shí)，最大渣耗量為0.009 7 kg/（m·s），渣圈存在時(shí)，最大渣耗量降至0.007 kg/（m·s），較厚的渣圈會(huì)使渣道寬度變窄，在振動(dòng)負(fù)滑脫中期降低保護(hù)渣的消耗量。

［1］吳杰，劉振清.連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣渣圈的研究［J］.包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，20（3）:266-271.

［2］王新月，席常鎖，盧軍輝，等.影響板坯連鑄產(chǎn)生渣圈的因素［J］鋼鐵，2010，26（2）:53-57.

［3］閏威，陳偉慶，C Lippold，等.無(wú)磁鋼20Mn23AlV保護(hù)渣液渣和渣圈性能變化對(duì)連鑄的影響［J］.特殊鋼，2013，34（1）:45-48.

［4］E Takeuchi，J K Brimacombe.The Formation of Oscillation Marks in the Continuous Casting of Steel Slabs［J］.［5］E Pavel，R Lopez，K C.Mills，et al.A Unified Mechanism for the Formation of Oscillation Marks［J］.Metallurgical and Materials transactions B，2012，43B:109-121.

Metallurgical Transactions B，1984，15B:493-509.

［6］J Sengupta，B G Thomas，H J Shin，et al.A New Mechanism ofHook Formation during Continuous Casting of Ultra-Low-Carbon Steel Slabs［J］.Metallurgical and Materials Transactions B，2006，37A:1 597-1 611.

［7］雷作勝，任忠鳴，楊松華，等.連鑄保護(hù)渣道動(dòng)態(tài)壓力的研究［J］.上海金屬，2001，23（2）:14-18.

［8］孟祥寧，朱苗勇，程乃良，等.高拉速下連鑄坯振痕形成機(jī)理及振動(dòng)參數(shù)優(yōu)化［J］.金屬學(xué)報(bào)，2007，43（8）:839-846.

［9］J J Bikerman.Physical surfaces［M］.New York:Academic Press，1970.

［10］孟祥寧，朱苗勇，程乃良.高拉速下連鑄坯振痕形成機(jī)理及振動(dòng)參數(shù)優(yōu)化［J］.金屬學(xué)報(bào)，2007，43（8）:839-846.

［11］H Mixwkami，K Murakami.Mechanical properties of continuously cast steel at high temperature［J］.Nihan Kohan Corporation Testu-to-Hagané（Iron and Steel），1977（63）:146-265.

［12］A Jonayat，B G Thomas.Transient thermo-fluid model of meniscus behavior and slag consumption in steel continuous casting［J］.Metallurgical and Materials Transactions B，2014，45B:1 842-1 864.

［13］H J Shin，S H Kim，B G Thomas，et al.Measurement and prediction of lubrication，powder consumption，and oscillation mark profiles in ultra-low carbon steel slabs［J］.The Iron and Steel InstituteofJapanInternational，2006，46（11）:1635-1644.

［14］K Tsutsumi，H Murakami，T Kanazawa，et al.Estimation of mold powder consumption in continuous casting［J］.Tetsu-to-Hagané，1998，84（9）:617-624.

［15］S Sridhar，K C Mill，S T Mallaband.Powder consumption and melting rates of continuous casting fluxes［J］.Ironmaking and Steelmaking，2002，29（3）:194-198.

［16］O Kensuke，K Toshiyuki，Y Wataru，et al.Infiltration phenomena of molten powder in continuous casting derived from analysis using Reynolds equation part 1:steady analysis［J］.The Iron and Steel Institute of Japan International，2006，46（2）:226-233.

（編輯許營(yíng)）

Analysis on Influences of Mold Slag Rim on Channel Pressure，Oscillation Marks and Slag Consumption

Meng Xiangning，Wang Ning，Zhu Miaoyong
（School of Material and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，Liaoning，China）

The influences of slag rim on the process of continuous casting strand production were explained based on the comparative analysis of three different types of mold slag rims.The results show that when slag rim was used，the amplitude of variation of the dynamic channel pressure changed significantly，indicating that the maximum positive pressure increased to 21 kPa from 1.373 kPa，which caused the oscillating marks and the thicker the slag rim was，the deeper the oscillating marks would be.At the same time，slag rim would have influence on consumption of the slag.When slag rim was not used，the maximum consumption of slag was about 0.009 7 kg/（m·s）while slag rim was used，the maximum consumption of slag was decreased to 0.007 kg/（m·s）.And also thicker slag rim would make the width of slag channel narrow down，which would cut down the consumption of slag during the metaphase of negative strip time in oscillation.

mold；slag；slag rim；slag channel pressure；oscillation marks；slag consumption

TF777

A

1006-4613（2015）06-0001-05

2015-11-02

孟祥寧，博士，副教授，研究方向：高效連鑄基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究。E-mail：mengxn@smm.neu.edu.cn