金友林，趙振南，張峻綱，武鴻杰，凌海濤，徐其言

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 特鋼公司，安徽 馬鞍山 243000；2.安徽工業(yè)大學冶金工程學院，安徽 馬鞍山243032)

結晶器是連鑄機的核心部件，鋼水在結晶器內冷卻結晶后被拉坯裝置拉出形成鋼坯，結晶器內鋼水液面波動及拉坯速度等直接影響鑄坯質量。研究表明[1-4]，增加拉速會導致結晶器內鋼液上回流的強度增大，致使結晶器液面波動加劇，對鑄坯質量產生不利的影響。劉進步等[5]、于海岐等[6]研究發(fā)現，隨水口插入深度的增大，結晶器液面波動劇烈程度減小，但夾雜物上浮路徑變長，不利于初生坯殼的成長；帥勇等[7]研究表明，水口插入深度較小時結晶器液面波動劇烈。此外，合理的結晶器流場需適宜的吹氬量[8-9]。陳志平等[10]研究發(fā)現，吹氬量存在臨界值，超過此值會迅速引起結晶器液面波動，臨界值取決于結晶器斷面大小及拉速；王研等[11]、馬范軍等[12]研究表明，浸入式水口吹氬對結晶器內鋼液的流場、溫度場及夾雜物的上浮影響較大，但可提高浸入式水口的使用壽命；Bai等[13]數值模擬研究表明，氬氣泡越小，進入結晶器越深，越易被坯殼捕捉，對凝固坯殼不利。鑒于前人較少對結晶器卷渣進行模擬研究，采用控制變量法，綜合考慮拉速、吹氣流量、水口插入深度3 種因素，研究其對結晶器液面波動、流場及卷渣的影響，得出結晶器提高拉速所需的最佳操作工藝參數。

1 實驗

1.1 實驗原理

水模擬實驗的理論基礎是相似原理，即模型與原型中液體流動相似的基本條件是幾何相似和動力相似。原型的主體部分是某鋼廠連鑄機Φ450 mm 圓坯結晶器，取模型(LM)和原型(LR)的幾何相似比LM∶LR=0.7,采用空氣模擬現場的氬氣吹入，且保證模型與原型修正的弗勞德數Fr相等[14]。故有

式中：vM，vR分別為模型與原型的氣體速度，m/s；ρ空氣，ρ氬氣，ρ水，ρ鋼分別為空氣、氬氣、水、鋼液的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；LM，LR分別為模型與原型結構尺寸，mm。由式(1)可得出流量Q和吹氣量換算關系式：

考慮到鋼液與渣層表面張力的影響，需保證模型與原型韋伯數We相等,用菜籽油模擬結晶器保護渣。故有

式中：v為液體流速，m/s；ρ為液體密度，kg/m3；σ為液體表面張力，N/m。

1.2 實驗過程

結晶器水模擬實驗包括結晶器液面波動、流場示蹤及卷渣實驗。實驗參數如表1。

表1 結晶器水模擬實驗參數Tab.1 Experimental parmeters of mold water simulation

1.2.1 結晶器液面波動實驗

實驗前調整結晶器模型入口及出口流量，保持結晶器液面穩(wěn)定在設定液位。打開結晶器頂端吹氣閥，調整吹氣流量，空氣自浸入式水口正上方進入，待吹氣量穩(wěn)定打開DJ1800 數據采集系統，實時記錄不同實驗方案下結晶器液面的液面高度li，液面測試點位置如圖1。采集時間為50 s，每個測試點采集1 000 組數據，結晶器液面某點液面波動高度Δl=li- -li，-li為一定時間內某點液面高度的平均值，mm。

圖1 結晶器內液面測試點位置Fig.1 Position of liquid level test point in mold

1.2.2 結晶器流場示蹤實驗

向結晶器倒入100 mL 示蹤劑(紅墨水)，用高速攝像機錄像，觀察示蹤劑在不同實驗方案下進入結晶器后的流動狀態(tài)。實驗分100 組，每組實驗截取示蹤劑剛到達結晶器液面附近、到達結晶器液面附近1 s后、返回結晶器液面、充滿結晶器等4種情況下的照片。

1.2.3 結晶器卷渣實驗

實驗前調整結晶器入口和出口流量，保持結晶器液面穩(wěn)定在設定液位。向結晶器液面倒入厚度為14 mm 的菜籽油模擬結晶器保護渣，調節(jié)吹氣流量，待吹氣穩(wěn)定，用高速攝像機拍攝結晶器卷渣情況。每組實驗截取液面波動最大、卷渣最明顯的照片。

2 結果與分析

2.1 結晶器流場和液面波動情況

2.1.1 吹氣流量對結晶器流場和液面波動的影響

表2 結晶器流場示蹤數據統計Tab.2 Statistics of tracer data of mold flow field

固定某拉速和水口插入深度時，吹氣流量對結晶器液面波動的影響規(guī)律類似，但拉速和水口插入深度分別為0.42 m/min，120 mm 時結晶器液面波動最顯著。因此，討論該條件下結晶器液面波動，其實驗數據處理結果如圖2。由圖2可看出：在拉速和水口插入深度不變的情況下，隨吹氣流量的增加，結晶器自由液面的波動加劇。

圖2 不同吹氣流量下結晶器液面波動情況Fig.2 Liquid level fluctuation of mold under different blowing flow

為直觀描述，統計4種吹氣流量下結晶器液面波高在±3 mm 范圍內的占比，結果如圖3。由圖3可看出，隨吹氣流量的增加，結晶器內液面波高增大，致使卷渣發(fā)生幾率上升，鋼液易被污染對鑄坯質量產生不利影響。

圖3 不同吹氣流量下結晶器液面波高在±3 mm以內的統計結果Fig.3 Statistical results of liquid level wave height of mold within±3 mm under different blowing flow

2.1.2 水口插入深度對結晶器液面波動的影響

提高拉速會改變結晶器內鋼液的流動狀態(tài)，為改善鑄坯質量，提拉速后應有合適的水口插入深度。插入深度過小，結晶器液面波動加劇，液面易裸露，會造成二次氧化；插入深度過大，結晶器內夾雜物上浮路徑增加，且結晶器液面溫度會降低，不利于化渣。同上，分析拉速0.46 m/min、吹氣流量2.81 L/min 條件下水口插入深度對結晶器液面波高的影響，實驗數據處理結果如圖4。圖4 表明，水口插入深度越深，結晶器液面越穩(wěn)定。

圖4 不同水口浸入深度下結晶器內液面波動情況Fig.4 Liquid level fluctuation of mold under different nozzle immersion depth

圖5 為結晶器液面波高在±3 mm 以內的數據統計。圖5 表明，水口插入深度越深，結晶器液面波高在±3 mm以內的占比越大，液面越趨穩(wěn)定，渣金界面的波動變小，降低了發(fā)生卷渣的幾率。

圖5 不同水口浸入深度下結晶器液面波高在±3 mm內的統計結果Fig.5 Statistical results of liquid level wave height of mold within±3 mm underdifferent nozzle immersion depth

2.1.3 拉速對結晶器液面波動的影響

提高拉速是提高鋼產量的有效方法，隨著拉速的提高，結晶器鋼液上下回流強度増大，液面受到的上回流剪切力増加，保護渣隨鋼液上下波動，卷渣發(fā)生幾率加大，漩渦產生的頻率和強度也增強，漩渦卷混發(fā)生幾率變大，表面流速也增大。同上，討論吹氣流量3.74 L/min、水口插入深度60 mm 條件下原拉速(0.40 m/min)及提高拉速(0.42，0.44，0.46 m/min)后結晶器液面波動情況，結果如圖6。圖7為結晶器液面波高在±3 mm 內的統計結果。根據圖6，7 得知，結晶器拉速在0.40～0.46 m/min 時，拉速的改變并未對結晶器液面波動產生明顯影響。

圖6 不同拉速下結晶器液面波動情況Fig.6 Liquid level fluctuation of mold under different drawing speed

圖7 不同拉速下結晶器液面波動在±3 mm以內的數據統計Fig.7 Statistical results of liquid level fluctuation of mold within±3 mm under different drawing speed

2.2 結晶器卷渣情況

通過結晶器卷渣研究可得出，隨插入深度的變小及吹氣流量的增大，結晶器表面渣層波動加劇，卷渣現象愈明顯。為進一步探究結晶器提高拉速對卷渣的影響，分析最佳操作工藝參數(水口插入深度140 mm、吹氣流量1.12 L/min)下，拉速在0.40～0.46 m/min范圍時，拉速對結晶器卷渣的影響，結果如圖8。根據圖8 可知，在最佳操作工藝參數下，氣泡對結晶器液面的擾動很小，拉速在0.40～0.46 m/min范圍時，隨拉速的變化結晶器鋼渣界面波動情況基本一致，卷渣情況良好。

圖8 不同拉速下結晶器卷渣情況Fig.8 Slag entrainment in mold under different drawing speed

綜上，對于圓坯連鑄結晶器可提高拉速，但應將吹氣流量控制在不高于1.12 L/min、水口插入深度最少保持在140 mm。

3 結 論

以某廠圓坯連鑄結晶器為研究對象，對其進行水模擬實驗，研究拉速、浸入式水口插入深度以及吹氣流量對結晶器液面波動、流場和卷渣的影響，得到以下主要結論：

1)固定拉速和吹氣流量，隨水口插入深度增加結晶器液面愈平穩(wěn)，卷渣現象減弱；

2)固定吹氣流量和水口插入深度，拉速在0.40～0.46 m/min 范圍時，拉速變化對結晶器流場和保護渣的影響不明顯；

3)提高拉速后，水口插入深度大于140 mm、吹氣流量小于1.12 L/min可有效改善結晶器內部流場。