黃思思，程常桂，張金磊，李 陽，劉 亮

(1. 武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢，430081；2. 武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金新工藝湖北省重點實驗室，湖北 武漢，430081)

連鑄生產(chǎn)中，常采用中間包水口或塞棒吹氬的方式來防止水口結(jié)瘤堵塞。吹入的氬氣進(jìn)入鋼液后形成氬氣泡，在鋼液內(nèi)上浮并穿透鋼-渣界面，然后通過液態(tài)保護(hù)渣、燒結(jié)層、粉狀層逸出結(jié)晶器外。氬氣泡穿過液態(tài)保護(hù)渣時會引起渣體積變化，產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，保護(hù)渣的流動性和傳熱行為隨之改變，進(jìn)而影響了保護(hù)渣的熔化和下渣行為[1-2]。若吹氬過程控制不當(dāng)則可能引起鋼液卷渣，或者因液態(tài)保護(hù)渣厚度不合適而導(dǎo)致鑄坯表面產(chǎn)生缺陷等問題。

冶金工作者針對結(jié)晶器內(nèi)鋼液面上方保護(hù)渣的流動行為開展了大量研究。McDavid等[3]建立三維穩(wěn)態(tài)耦合流動和傳熱的液態(tài)保護(hù)渣模型，考慮了液態(tài)保護(hù)渣底部鋼液對其剪切作用，并將其作為液態(tài)保護(hù)渣流動和傳熱模型的邊界條件，結(jié)果表明，液態(tài)保護(hù)渣中存在一個大循環(huán)區(qū)，其深度隨液態(tài)保護(hù)渣熱導(dǎo)率增加和黏度降低而增加。Sivaramakrishnan[4]研究了液態(tài)保護(hù)渣自然對流和強(qiáng)制對流的相互轉(zhuǎn)變關(guān)系，其認(rèn)為在液態(tài)保護(hù)渣底部剪切速度臨界值之上時，自然對流未被抑制，液態(tài)保護(hù)渣的流動模式為單一的大循環(huán)區(qū)域流動。Zhao等[5]建立了耦合傳熱和流動的液態(tài)保護(hù)渣二維穩(wěn)態(tài)模型，結(jié)果表明，液態(tài)保護(hù)渣中出現(xiàn)自然對流傳熱現(xiàn)象對應(yīng)的雷諾數(shù)(Re)要大于未考慮溫度對黏度影響時的情況，對結(jié)晶器內(nèi)液態(tài)保護(hù)渣層而言，自然對流傳熱受到抑制，但強(qiáng)制對流傳熱則隨著液態(tài)保護(hù)渣底部鋼液產(chǎn)生的剪應(yīng)力的增大而增強(qiáng)。吉新華等[6]建立了三維穩(wěn)態(tài)的耦合傳熱和流動的結(jié)晶器液態(tài)保護(hù)渣模型，考慮了溫度對物性參數(shù)的影響以及自然對流對傳熱的影響，結(jié)果顯示，回流區(qū)域的對流傳熱使得水口附近區(qū)域的液態(tài)保護(hù)渣厚度增大。Lu等[7]建立了三維結(jié)晶器鋼液-液態(tài)保護(hù)渣流動和傳熱耦合數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明，在浸入式水口中心到結(jié)晶器窄面區(qū)域，1/2結(jié)晶器厚度剖面內(nèi)的液態(tài)保護(hù)渣中有一大一小的兩個環(huán)流方向相反的渦流；隨著拉坯速度的增大和保護(hù)渣基礎(chǔ)黏度的降低，液態(tài)保護(hù)渣整體流動速度和溫度均有所提升。但以上研究均沒有考慮到結(jié)晶器吹氬后氬氣泡對液態(tài)保護(hù)渣流動性的影響。

另一方面，吹氬結(jié)晶器內(nèi)，保護(hù)渣熔化和流動與氣泡逸出行為有重要關(guān)聯(lián)。Orrling等[8]研究了保護(hù)渣中氣泡與保護(hù)渣熔化和凝固的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氣泡的產(chǎn)生速率與保護(hù)渣熔化有重要關(guān)聯(lián)，但其研究指出，氣泡是保護(hù)渣開始熔化時保護(hù)渣中的碳氧化而成的，這與結(jié)晶器吹氬產(chǎn)生的氣泡通過液態(tài)保護(hù)渣層逸出的狀態(tài)并不完全相同。本課題組前期研究顯示，吹氬結(jié)晶器內(nèi)氬氣泡進(jìn)入液態(tài)保護(hù)渣后，大氣泡在液態(tài)保護(hù)渣中的上浮方式為通道式上浮，小氣泡主要為自由曲線式上浮，當(dāng)吹氬流量由2 L·min-1增至6 L·min-1時，液態(tài)保護(hù)渣乳化程度增強(qiáng)，隨著吹氬流量進(jìn)一步增大，液態(tài)保護(hù)渣乳化程度反而略有降低[9]；此外，研究還發(fā)現(xiàn)，隨著拉坯速度的增大，吹氬結(jié)晶器1/2厚度剖面上水口附近液態(tài)保護(hù)渣溫度降低，結(jié)晶器中間部位溫度則隨之增高，在較高的拉坯速度下，適度吹氬可以改善液態(tài)保護(hù)渣流動和溫度分布的均勻性，降低鋼-渣界面液態(tài)保護(hù)渣的流動速度峰值[10]。事實上，保護(hù)渣的流動行為與其黏度密切相關(guān)，吹氬條件下，液態(tài)保護(hù)渣中含有較多氬氣泡，故可用表觀黏度來描述含氣液渣的流動性(本文表觀黏度是指通過黏度計直接測定的含氣液渣黏度)。但目前有關(guān)吹氬條件下各工藝參數(shù)與液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度的相關(guān)性研究報道較少。

液態(tài)保護(hù)渣的表觀黏度改變直接影響著保護(hù)渣的流動性和傳熱行為，與不吹氬條件相比，吹氬結(jié)晶器對保護(hù)渣的物性提出了更高的要求?；诖?，本文通過建立吹氬結(jié)晶器水模型，采用黏度計測定不同工藝條件下液渣的表觀黏度，研究了吹氬流量、拉坯速度和液渣初始黏度對結(jié)晶器內(nèi)液渣流動性的影響，以期為合理選擇結(jié)晶器保護(hù)渣黏度和優(yōu)化連鑄工藝參數(shù)提供參考。

1 實驗方法

根據(jù)相似原理，為保證水模型與結(jié)晶器原型中流體運(yùn)動行為相似，并且考慮到慣性力、重力、熔體表面張力和黏性力的影響，需保證原型與模型的弗勞德準(zhǔn)數(shù)Fr和韋伯準(zhǔn)數(shù)We相等，為此，本研究中原型與水模型比例設(shè)置為1∶0.6[11]。水模型實驗裝置及示意圖如圖1所示，其中結(jié)晶器、浸入式水口由有機(jī)玻璃制成。

(a)實驗裝置照片 (b)示意圖

模擬鋼液流量與實際連鑄鋼液流量之間的關(guān)系可由式(1)確定，考慮到實際鋼液和模型中氣體溫度差異，結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程和修正弗勞德準(zhǔn)數(shù)相等原則，原型和模型氬氣流量由式(2)確定[11]：

Qm=0.126Qp

(1)

QArp=4QArm

(2)

式中：Qm、Qp分別為水模型和實際結(jié)晶器內(nèi)鋼液流量，m3·h-1；QArp、QArm分別為原型和模型的氣體流量，L·min-1。

基于國內(nèi)某鋼廠的連鑄工藝條件，原型和水模型實驗的工藝參數(shù)如表1所示，水模型中模擬鋼液(水)流量是根據(jù)拉坯速度、鑄坯截面積結(jié)合式(1)計算得到的。

本實驗中，采用水模擬鋼液，航空煤油和機(jī)油混合油模擬液態(tài)保護(hù)渣。根據(jù)相似原理，模型和原型中流體的運(yùn)動黏度比需滿足式(3)：

(3)

式中：υ表示運(yùn)動黏度，m2·s-1。常溫下，水的運(yùn)動黏度與鋼液相差不大，故使用航空煤油和機(jī)油配比模型可以保證其運(yùn)動黏度與液態(tài)保護(hù)渣相似。

表1 原型和水模型的工藝參數(shù)

為分析保護(hù)渣初始黏度對吹氬結(jié)晶器內(nèi)液態(tài)保護(hù)渣流動性的影響，水模型實驗中模擬保護(hù)渣用混合油的動力黏度分別為30、45、60、75 mPa·s，通過換算，得到對應(yīng)液渣運(yùn)動黏度分別為77.5、62.3、46.9、31.8 mm2·s-1，對應(yīng)的液渣動力黏度為0.209、0.168、0.12、0.086 Pa·s，此值在實際生產(chǎn)中所使用保護(hù)渣的動力黏度范圍內(nèi)[12-13]。

連鑄吹氬過程中，氬氣隨鋼液通過浸入式水口進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)，在結(jié)晶器內(nèi)以氣泡形式存在，受水口結(jié)構(gòu)參數(shù)、拉坯速度等因素的影響，沿整個結(jié)晶器寬度方向上，氬氣泡大小和數(shù)量分布并不均勻，上浮進(jìn)入液態(tài)保護(hù)渣中的氣泡數(shù)量和大小存在差異，使得不同位置處液態(tài)保護(hù)渣的含氣率有所不同，為得到結(jié)晶器內(nèi)不同位置處保護(hù)渣的黏度變化，本實驗將從結(jié)晶器窄面至浸入式水口中心區(qū)平均分成5個區(qū)域，依次用1～5標(biāo)明，如圖1(b)所示，利用NDJ-5S型數(shù)字黏度計測定不同區(qū)域液渣的動力黏度，利用高速相機(jī)拍攝鄰近鋼-渣界面的氣泡分布。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 吹氬流量對液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度的影響

對應(yīng)于實際拉坯速度1.0 m·min-1，實驗用模擬保護(hù)渣初始黏度為60 mPa·s，不同吹氬流量下，結(jié)晶器水模型內(nèi)鄰近鋼-渣界面區(qū)域的氬氣泡分布如圖2所示，保護(hù)渣各區(qū)域的表觀黏度增量(測定值相對于未吹氬前液態(tài)保護(hù)渣初始黏度的變化)如圖3所示。

由圖2可知，其他條件相同時，隨著吹氬流量的增大，由鋼-渣界面進(jìn)入液態(tài)保護(hù)渣的氣泡數(shù)量逐漸增多，氣泡尺寸逐漸增大。總體而言，靠近水口區(qū)域上浮氬氣泡數(shù)量更多，結(jié)晶器窄面附近上浮氬氣泡數(shù)量相對較少，這是因為拉坯速度較低時，鋼液出浸入式水口的速度低，氣泡被帶離水口附近區(qū)域的數(shù)量相對較少，有更多的氬氣泡在靠近浸入式水口區(qū)域上浮。

由圖3可知，結(jié)晶器窄面附近區(qū)域液態(tài)保護(hù)渣的表觀黏度增量比臨近水口區(qū)域的表觀黏度增量要低；吹氬流量較小(0.5 L/min)時，浸入式水口附近的5#區(qū)液態(tài)保護(hù)渣黏度增量最大，隨著吹氬流量進(jìn)一步增大，4#區(qū)液態(tài)保護(hù)渣黏度增量提升明顯，逐漸高于5#區(qū)液態(tài)保護(hù)渣的相應(yīng)值。這是因為液態(tài)保護(hù)渣內(nèi)的氬氣泡有阻礙液態(tài)保護(hù)渣流動的效果，使得水口附近液態(tài)保護(hù)渣的表觀黏度測定值較高，當(dāng)吹氬流量較小時，更多氬氣泡在水口臨近區(qū)域上浮，使得該處液態(tài)保護(hù)渣含氣率高，液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度較大，而隨著吹氬流量的增大，鋼液內(nèi)氣泡數(shù)量增多，有更多氣泡被帶離水口區(qū)域，故4#區(qū)液態(tài)保護(hù)渣的表觀黏度隨著吹氬流量的增大提升明顯。

另外，當(dāng)吹氬流量較小時，靠近結(jié)晶器窄面區(qū)域(1#、2#區(qū))液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度增量變化不大，這是因為該區(qū)域鋼液內(nèi)氣泡含量本身很低，外加鋼液上回流流動使鋼-渣界面的氣泡向水口方向移動，最終導(dǎo)致該區(qū)域保護(hù)渣內(nèi)含氣率低，保護(hù)渣黏度變化不明顯。隨著吹氬流量進(jìn)一步增大，2#區(qū)保護(hù)渣黏度增量超過了1#區(qū)保護(hù)渣的相應(yīng)值。這是因為隨著吹氬流量的增大，氣泡離開水口速度增大，這使得鋼液內(nèi)更多的氣泡遠(yuǎn)離水口方向，從而導(dǎo)致保護(hù)渣內(nèi)含氣率峰值向窄面方向移動，最終導(dǎo)致遠(yuǎn)離水口方向保護(hù)渣黏度變化隨著吹氬流量的增大而更加明顯。

對比不同吹氬流量下液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度最大增量和最小增量之差可以看出，隨著吹氬流量的增大，沿結(jié)晶器寬度方向上液態(tài)保護(hù)渣黏度差值增大，結(jié)晶器寬度方向上液態(tài)保護(hù)渣流動性的差異性也增大，相比較而言，靠近結(jié)晶器窄面處的液態(tài)保護(hù)渣由于流動性好，更有利于下渣，而靠近水口區(qū)域液態(tài)保護(hù)渣黏度大，流動性相對較差，不利于下渣。

(c) 吹氬流量1.5 L·min-1 (d) 吹氬流量2 L·min-1

圖3 吹氬流量對結(jié)晶器內(nèi)液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度的影響

2.2 拉坯速度對液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度的影響

隨著拉坯速度的提高，鋼液沖擊結(jié)晶器窄面的強(qiáng)度增大，結(jié)晶器內(nèi)鋼液上回流更強(qiáng)烈，上回流驅(qū)動著更多的液態(tài)保護(hù)渣向浸入式水口區(qū)域遷移。結(jié)晶器窄面附近區(qū)域(1#區(qū))的液態(tài)保護(hù)渣層變得更薄，不能滿足液態(tài)保護(hù)渣黏度測定實驗對其厚度的要求，因此，在討論拉坯速度對液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度影響時，不考慮1#區(qū)中液態(tài)保護(hù)渣黏度的變化規(guī)律。

結(jié)晶器水模型中吹氬流量為1 L·min-1、模擬保護(hù)渣黏度為60 mPa·s以及實際拉坯速度分別為0.8、1.0、1.2、1.4 m·min-1時，結(jié)晶器水模型內(nèi)氬氣泡分布如圖4所示，對應(yīng)結(jié)晶器內(nèi)各區(qū)域保護(hù)渣表觀黏度增量的變化如圖5所示。

由圖4可知，其他條件相同時，隨拉坯速度增大，結(jié)晶器內(nèi)氬氣泡分布更為均勻，這是因為拉坯速度越大，出水口側(cè)孔的鋼液流速越快，對浸入式水口內(nèi)氬氣泡的剪切作用增強(qiáng)，相應(yīng)的結(jié)晶器內(nèi)氬氣泡尺寸降低，氣泡更容易被高速流動的鋼液帶離水口區(qū)域，使得氬氣泡在結(jié)晶器寬度方向分布更為分散。

從圖5可以看出，隨著拉坯速度的增大，水口附近區(qū)域(4#、5#區(qū))的保護(hù)渣黏度增量呈下降趨勢，靠近結(jié)晶器窄面區(qū)域(2#、3#區(qū))的保護(hù)渣黏度增量呈上升趨勢。這是因為拉坯速度為0.8 m·min-1時，結(jié)晶器內(nèi)鋼液流速偏低，導(dǎo)致從水口進(jìn)入鋼液內(nèi)的氣泡水平速度很低，大部分氣泡剛出水口就由于浮力作用直接上浮進(jìn)入保護(hù)渣中，這使得靠近水口區(qū)域保護(hù)渣黏度相對更大；隨著拉坯速度的提高，鋼液流速隨之增大，在鋼液攜帶作用下，鋼液中氣泡向結(jié)晶器窄面方向的移動速度也會增大，最終導(dǎo)致結(jié)晶器窄面區(qū)域氣泡含量上升，該區(qū)域保護(hù)渣黏度增量上升，在吹氬流量不變的情況下，水口附近區(qū)域氣泡含量下降，液態(tài)保護(hù)渣含氣率低，保護(hù)渣表觀黏度下降。

(a)拉坯速度0.8 m·min-1 (b) 拉坯速度1.0 m·min-1

(c) 拉坯速度1.2 m·min-1 (d) 拉坯速度1.4 m·min-1

圖5 拉坯速度對結(jié)晶器內(nèi)液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度的影響

在1.2 m·min-1的拉坯速度下，3#、4#、5#區(qū)域保護(hù)渣黏度增量相差不大，這是因為在此條件下，以上區(qū)域液態(tài)保護(hù)渣內(nèi)氬氣泡分布較為均勻，渣中含氣率差異不大。當(dāng)拉坯速度進(jìn)一步增至1.4 m·min-1時，3#區(qū)保護(hù)渣黏度增量明顯高于其他區(qū)域保護(hù)渣的相應(yīng)值，這是因為隨著拉坯速度的增大，更多的氣泡隨鋼液流動向結(jié)晶器窄面附近移動，氣泡的平衡分布被打破，在3#區(qū)域上浮的氬氣泡數(shù)量更多，液態(tài)保護(hù)渣含氣率較高，保護(hù)渣的表觀黏度測定值也相對較高。

綜上所述，拉坯速度對沿結(jié)晶器寬度方向上的液態(tài)保護(hù)渣流動性差異性有較大影響，拉坯速度為1.2 m·min-1時，沿結(jié)晶器寬度方向上的液態(tài)保護(hù)渣流動性差異性相對較小，而拉坯速度為1.4 m·min-1時，沿結(jié)晶器寬度方向上的液態(tài)保護(hù)渣流動性差異性增大，這一方面與氬氣泡分散更為均勻有關(guān)，另一方面，由于氬氣泡尺寸減小，其在液態(tài)保護(hù)渣內(nèi)停留時間相對更長，使得單位時間液渣含氣率增大。

2.3 液渣初始黏度對液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度的影響

對應(yīng)實際拉坯速度為1.0 m·min-1、結(jié)晶器水模型中吹氬流量為1.0 L·min-1，不同模擬保護(hù)渣初始黏度下結(jié)晶器水模型內(nèi)各區(qū)域保護(hù)渣表觀黏度增量的變化如圖6所示。

圖6 液渣初始黏度對結(jié)晶器內(nèi)液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度的影響

從圖6可以看出，隨著液態(tài)保護(hù)渣初始黏度的增大，水口附近區(qū)域(3#～5#區(qū))保護(hù)渣的表觀黏度增量均呈先上升后下降的趨勢，靠近結(jié)晶器窄面區(qū)域保護(hù)渣黏度變化不顯著。這是因為隨著保護(hù)渣初始黏度的增大，鋼-渣界面張力變大，氬氣泡克服張力進(jìn)入液態(tài)保護(hù)渣內(nèi)需要更大的浮力，這在某種程度促進(jìn)了液態(tài)保護(hù)渣的聚集，使得氣泡有合并長大的趨勢，液態(tài)保護(hù)渣內(nèi)氣泡尺寸增大，此外，液態(tài)保護(hù)渣的界面張力也降低了氬氣泡進(jìn)入液態(tài)保護(hù)渣的初始速度。

當(dāng)液態(tài)保護(hù)渣初始黏度較低(30 mPa·s)時，由于氣泡數(shù)量較多的緣故，可能會出現(xiàn)氣泡在液態(tài)保護(hù)渣中碰撞長大的現(xiàn)象，又因為液態(tài)保護(hù)渣黏度較低，這類大氣泡會很快從液態(tài)保護(hù)渣中逸出，而氬氣泡進(jìn)入液態(tài)保護(hù)渣的起始速度也較大，兩者綜合作用使得保護(hù)渣含氣率低，液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度增量相對較低。當(dāng)液態(tài)保護(hù)渣黏度由30 mPa·s增至60 mPa·s，鋼-渣界面張力降低了氬氣泡進(jìn)入液態(tài)保護(hù)渣內(nèi)的初始速度，同時液態(tài)保護(hù)渣黏度增大也使得氬氣泡上浮速度變慢，兩者綜合作用大于氬氣泡長大帶來的上浮力作用，使得液態(tài)保護(hù)渣含氣率增大，對應(yīng)的液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度增量也隨之增大。當(dāng)液態(tài)保護(hù)渣黏度為75 mPa·s時，氬氣泡尺寸增大更為明顯，上浮速度加快，此時氬氣泡尺寸增大所產(chǎn)生的上浮力作用的影響更為顯著，使得液態(tài)保護(hù)渣內(nèi)含氣率降低，對應(yīng)的液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度增量也隨之降低。

本實驗條件下，液態(tài)保護(hù)渣初始黏度由30mPa·s增至60 mPa·s，結(jié)晶器寬度方向上液態(tài)保護(hù)渣的黏度差異性逐步增大。從降低結(jié)晶器寬度方向液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度差異性的角度來看，采用低黏度渣更利于其均勻性下渣。

3 結(jié)論

(1)其他條件不變，當(dāng)吹氬流量較小時，更多氬氣泡在臨近水口區(qū)域上浮，該處液態(tài)保護(hù)渣含氣率高，液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度大；隨著吹氬流量的增大，有更多氣泡被帶離水口區(qū)域，液態(tài)保護(hù)渣黏度峰值向遠(yuǎn)離水口方向偏移，并且沿結(jié)晶器寬度方向上液態(tài)保護(hù)渣表觀黏度差值和流動性差異性也隨之增大。

(2)隨著拉坯速度的提高，水口附近區(qū)域保護(hù)渣表觀黏度的增量呈下降趨勢，靠近結(jié)晶器窄面區(qū)域的保護(hù)渣表觀黏度增量呈上升趨勢。

(3)隨著液態(tài)保護(hù)渣初始黏度的增大，水口附近區(qū)域保護(hù)渣表觀黏度增量呈先上升后下降的趨勢，靠近結(jié)晶器窄面區(qū)域保護(hù)渣表觀黏度變化不顯著。