徐益峰

(江蘇蘇鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，江蘇 蘇州　215151)

引　言

結(jié)晶器是連鑄坯成型器、凝固器及化學(xué)冶金和物理冶金的交接點(diǎn)，因此，人們?cè)絹碓疥P(guān)注優(yōu)化結(jié)晶器中的傳質(zhì)、傳熱過程。鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼水卷渣、結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣對(duì)夾雜物的捕捉、連鑄坯裂紋的形成等均有重要影響，因此結(jié)晶器成為控制鋼水潔凈度的最后環(huán)節(jié)。有人估計(jì)大約有80%的表面缺陷和皮下缺陷是在結(jié)晶器內(nèi)生成的，所以研究不同條件下結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的優(yōu)化，對(duì)防止保護(hù)渣和氣泡卷入、促進(jìn)夾雜物聚集長(zhǎng)大并上浮，以及防止凝固坯殼的不均勻生長(zhǎng)等都有重要意義[1-2]。

江蘇蘇鋼集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“蘇鋼”)蘇信特鋼定位是一個(gè)專業(yè)化的特鋼企業(yè)，產(chǎn)品以高端的汽車用鋼、能源動(dòng)力用鋼等為主，產(chǎn)品的質(zhì)量要求非常高。本研究進(jìn)行的水模擬實(shí)驗(yàn)，找出原有水口存在的問題，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)最優(yōu)的水口、指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)、提升產(chǎn)品質(zhì)量均有重大意義。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

采用水力學(xué)模型對(duì)現(xiàn)用浸入式水口進(jìn)行評(píng)估時(shí)，需要首先建立合適的物理模型，其中包括相似比例的選取、實(shí)驗(yàn)裝置的建立和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定。

1.1.1相似比例

由物理模擬的基礎(chǔ)理論可以知道，對(duì)于結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動(dòng)行為的物理模擬，主要考慮幾何相似和動(dòng)力相似，包括的相似準(zhǔn)數(shù)有雷諾準(zhǔn)數(shù)(Re)、弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)(Fr)和韋伯準(zhǔn)數(shù)(We)。因?yàn)榻Y(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)大部分區(qū)域處于紊流狀態(tài)，Re大于第二臨界值，流體的湍流程度及速度分布不再受Re數(shù)的影響，主要考慮慣性力和重力的關(guān)系，即保證Fr準(zhǔn)數(shù)的相似。同時(shí)，要研究結(jié)晶器內(nèi)鋼液面的流動(dòng)行為，彎月面及鋼液與保護(hù)渣界面處的表面張力對(duì)模擬的影響較大，應(yīng)該考慮Wb準(zhǔn)數(shù)的相似。因此，本研究中重點(diǎn)要保證Fr和Wb兩準(zhǔn)數(shù)的相似。

因此

(1)

即

(2)

(3)

所以為了保證Fr和We同時(shí)得到滿足，模型尺寸應(yīng)為實(shí)物的0.6倍。

(4)

(5)

(6)

其中，工廠連鑄機(jī)原型的流量，也稱通鋼量，是指單位時(shí)間內(nèi)鋼液通過結(jié)晶器斷面的體積。通鋼量(m3·h-1)的計(jì)算公式為

Q=60×結(jié)晶器斷面面積×拉速

(7)

由上面的分析可知，工廠連鑄機(jī)原型和實(shí)驗(yàn)室模型之間的幾何相似比應(yīng)為1∶0.6，并由此可以確定原型中通鋼量與模型中水流量的比例為1∶0.279，這是建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃痛_定試驗(yàn)條件的主要依據(jù)。

1.1.2實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)廠方提供的圖紙及實(shí)際參數(shù)，依據(jù)相似原理建立實(shí)驗(yàn)裝置，原型與模型的尺寸比例是1∶0.6，模型的材質(zhì)選用有機(jī)玻璃，利用水作為介質(zhì)模擬鋼液，利用油和塑料粒子來模擬保護(hù)渣。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1　物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置圖

在實(shí)驗(yàn)裝置中，通過調(diào)節(jié)流量計(jì)的進(jìn)、出水量來模擬不同拉速，用塞棒來控制結(jié)晶器液面的穩(wěn)定?？紤]到水箱出水口對(duì)結(jié)晶器出口流體的影響，實(shí)驗(yàn)中將結(jié)晶器延長(zhǎng)了50%，并在結(jié)晶器和水箱之間加了一塊打有圓孔的有機(jī)玻璃板，結(jié)晶器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

工廠使用的直通型浸入式水口的下部結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭兴诘慕Y(jié)構(gòu)和尺寸如圖3(b)所示。

圖2　 結(jié)晶器模型的示意圖(單位:mm)

圖3　 水口結(jié)構(gòu)和尺寸示意圖(單位：mm)

1.1.3實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的澆注條件和前面確定的幾何相似比，便可以得到模型中的實(shí)驗(yàn)條件，表1即是現(xiàn)場(chǎng)澆注條件和模型實(shí)驗(yàn)條件的對(duì)應(yīng)表。

表1　原型與模型對(duì)應(yīng)的澆注條件

注①：該數(shù)值是由平均拉速0.60 m/min換算得到。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

現(xiàn)有260 mm×340 mm斷面下拉速為0.60 m/min時(shí)的液渣行為和流場(chǎng)情況實(shí)驗(yàn)。

2.1　液渣行為

液渣行為在實(shí)驗(yàn)過程中主要是指卷渣情況和液渣分布情況。下面對(duì)二者進(jìn)行依次分析。表2給出了直通型水口澆注條件下結(jié)晶器內(nèi)卷渣次數(shù)統(tǒng)計(jì)和液渣分布情況。其中卷渣次數(shù)為5 min內(nèi)統(tǒng)計(jì)得到，并且進(jìn)行三次統(tǒng)計(jì)取平均值。由表2可以看出，在現(xiàn)有澆注條件下，結(jié)晶器內(nèi)并未出現(xiàn)卷渣，說明結(jié)晶器內(nèi)上循環(huán)流較弱。

表2直通型水口澆注條件下結(jié)晶器內(nèi)卷渣次數(shù)統(tǒng)計(jì)和液渣層厚度分布

參數(shù)/位置卷渣次數(shù)渣層厚度/mm左-窄0.010.78左-1/40.011.29左-水口0.010.78右-水口0.011.02右-1/40.011.02右-窄0.010.75

澆注時(shí)液渣分布的均勻性也是考察水口優(yōu)劣的重要因素，現(xiàn)有水口澆注時(shí)液渣厚度分布如表2所示。從表中可以看出，渣層最厚處在結(jié)晶器1/4處，厚度為11.29 mm；而最薄存在于窄邊，厚度為10.75 mm，厚度差為ΔD=MaxD-minD=0.54 mm，數(shù)值很低，說明結(jié)晶器內(nèi)渣層分布均勻，圖4所示也可證實(shí)這點(diǎn)。

2.2　流場(chǎng)情況

流場(chǎng)也是考察浸入式水口優(yōu)劣的重要因素之一。現(xiàn)有水口澆注時(shí)不同時(shí)刻的流場(chǎng)如圖5所示。由圖可知，流股從水口流出，直接向下流動(dòng)，并未與結(jié)晶器壁碰撞，其沖擊深度非常大，在觀察范圍內(nèi)為

無窮大。沖擊深度較大，不利于夾雜物和氣泡的上浮去除。

圖4　現(xiàn)用水口澆注條件下液渣層的分布情況

圖5　現(xiàn)用水口不同時(shí)刻的流場(chǎng)

3　結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知：目前使用的直通型水口，注流沖擊深度較大，上循環(huán)流態(tài)弱，液面不活躍，表面速度過低。因此，為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，需要設(shè)計(jì)新的水口來改進(jìn)目前水口存在的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高家銳.動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳輸原理[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1992.

[2]肖興國，謝蘊(yùn)國. 冶金反應(yīng)工程學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社, 1997.