范正潔,職建軍,徐國(guó)棟

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.中央研究院,上海 201999; 2.煉鋼廠,上海 200941)

1 研究背景

結(jié)晶器液面流速是影響卷渣最為關(guān)鍵的因素之一,所以對(duì)于連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量和表面缺陷有重要的影響。結(jié)晶器液面附近鋼水流速過(guò)快,特別是形成了向窄邊方向的流股會(huì)造成保護(hù)渣和氬氣泡的卷入,形成鑄坯的保護(hù)渣和氣泡型缺陷;結(jié)晶器液面附近鋼水流速過(guò)慢,鋼水對(duì)液面的熱量補(bǔ)充不足,不利于保護(hù)渣熔化,也容易造成鑄坯的表面質(zhì)量問(wèn)題,更甚者會(huì)導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生裂紋及漏鋼。結(jié)晶器液面附近鋼水流速控制在合理的范圍,對(duì)于連鑄坯的最終質(zhì)量至關(guān)重要,所以如何準(zhǔn)確有效地測(cè)量與優(yōu)化結(jié)晶器液面附近的鋼水流速非常關(guān)鍵。

結(jié)晶器內(nèi)鋼水溫度高達(dá)1 600 ℃,常規(guī)測(cè)速裝置和方法都無(wú)法對(duì)高溫鋼水流速進(jìn)行有效檢測(cè),所以高溫鋼水流速測(cè)量一直是煉鋼領(lǐng)域的技術(shù)難題之一。目前檢測(cè)高溫鋼水流速方法主要有以下幾種:

(1)卡門渦街法[1]。流體繞流長(zhǎng)的圓柱體時(shí)發(fā)生邊界層分離,在圓柱體后面出現(xiàn)卡門渦街,通過(guò)檢測(cè)卡門渦街的頻率來(lái)得到鋼水的流速。此方法只能測(cè)量液體表面某一點(diǎn)的流速,且無(wú)法檢測(cè)鋼水流速的方向。

(2)電磁感應(yīng)成像法[2]。該技術(shù)的原理是利用金屬具有高電導(dǎo)率的特性,在外加磁場(chǎng)作用下,流體的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,導(dǎo)致外加磁場(chǎng)發(fā)生變化。通過(guò)分析磁場(chǎng)變化與流場(chǎng)的關(guān)系得到流場(chǎng)分布。此方法的主要問(wèn)題是來(lái)自保護(hù)渣的磁性材料會(huì)黏附在傳感器上。

(3)釘耙法。將釘子插入到結(jié)晶器液面附近的鋼水中,釘子在流動(dòng)的鋼水中迎著鋼流的一側(cè)液位會(huì)顯著升高,釘子提出后會(huì)形成有一定斜坡的凝固坯殼。凝固坯殼斜坡的高度和鋼水流速有對(duì)應(yīng)關(guān)系,并由此可以計(jì)算得到鋼水流速值。此方法的主要問(wèn)題是只能檢測(cè)某一個(gè)時(shí)刻的速度。

本文研究了阻尼法結(jié)晶器鋼水液面流速測(cè)量技術(shù),開(kāi)展測(cè)速桿偏轉(zhuǎn)角和鋼水流速換算關(guān)系的理論計(jì)算,并開(kāi)發(fā)檢測(cè)結(jié)晶器液面流速的裝置,在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展結(jié)晶器鋼水流速測(cè)量的工業(yè)試驗(yàn),此裝置能夠連續(xù)準(zhǔn)確地檢測(cè)結(jié)晶器液面鋼水流速。

2 阻尼法結(jié)晶器鋼水流速測(cè)量裝置和檢測(cè)原理

阻尼法結(jié)晶器鋼水流速測(cè)量裝置示意圖見(jiàn)圖1,包括測(cè)速棒和測(cè)速棒偏轉(zhuǎn)裝置。測(cè)速棒的偏轉(zhuǎn)裝置包括測(cè)速棒配重﹑偏轉(zhuǎn)軸承外套﹑偏轉(zhuǎn)軸承﹑偏轉(zhuǎn)角度指示板﹑偏轉(zhuǎn)角度指針和測(cè)速棒固定螺釘。偏轉(zhuǎn)軸承可滑動(dòng)地套裝在偏轉(zhuǎn)軸承外套內(nèi)壁上。偏轉(zhuǎn)軸承外套的外表面有一個(gè)向外延伸的配重桿,配重桿和測(cè)速棒用固定螺絲分別安裝在偏轉(zhuǎn)軸承外套的外表面上,測(cè)試棒配重安裝于配重桿上。

圖1 結(jié)晶器鋼水流速測(cè)量裝置示意圖

阻尼法測(cè)鋼水流速原理是利用鋼水流速與沖擊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系,以及力矩轉(zhuǎn)動(dòng)平衡原理來(lái)測(cè)量鋼水的流速,具體細(xì)節(jié)為將可以水平方向靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)速棒插入結(jié)晶器鋼液液面下一定深度,測(cè)速棒在鋼水沖擊力的作用下將發(fā)生偏轉(zhuǎn),其偏轉(zhuǎn)方向?yàn)殇撍牧鲃?dòng)方向。將測(cè)速棒的偏轉(zhuǎn)角度與鋼水流速關(guān)聯(lián)計(jì)算,可以得到鋼水的流速。

鋼液流動(dòng)對(duì)測(cè)速棒的沖擊力與測(cè)速棒處鋼液的水平流速相關(guān)。在測(cè)速棒被沖擊面處,如圖2所示,根據(jù)力矩平衡關(guān)系可知公式(1):

圖2 鋼水流速測(cè)量原理

IGsinθ=LFcosθ

(1)

式中:F為鋼水沖擊力;G為重力;I為測(cè)速棒重心與支點(diǎn)間的距離;L為測(cè)速棒浸入鋼液部分的中心位置與支點(diǎn)間的距離;θ為測(cè)速棒的偏轉(zhuǎn)角度。

其中,鋼水沖擊力F如式(2):

(2)

聯(lián)立式(1)、(2),整理可得到鋼水流速與測(cè)速棒偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系:

U0=(2IGtanθ/LCDρA)1/2

(3)

由此,通過(guò)測(cè)量測(cè)速棒在鋼液中的偏轉(zhuǎn)角度,即可推算出測(cè)量點(diǎn)的鋼液流速。

3 現(xiàn)場(chǎng)結(jié)晶器鋼水流速測(cè)量試驗(yàn)

使用阻尼法流速測(cè)量裝置在寶鋼2#連鑄機(jī)結(jié)晶器液面附近測(cè)量鋼水流速。2#連鑄機(jī)測(cè)量試驗(yàn)工況:結(jié)晶器斷面尺寸為1 200 mm×250 mm,拉速為1.3 m/min,水口傾角為-15°,測(cè)量位置結(jié)晶器寬度方向1/4處,吹氬量為25 L/min,電磁攪拌打開(kāi)。

在檢測(cè)結(jié)晶器鋼水流速時(shí),為延長(zhǎng)測(cè)速棒的持續(xù)時(shí)間,將測(cè)速棒再套入耐材套管,使得所測(cè)鋼水的流速在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)是連續(xù)值。如圖3所示,將測(cè)速棒插入到結(jié)晶器寬面1/4處鋼水液面中,浸入鋼水液面以下深度為100 mm,在結(jié)晶器鋼水流股的沖擊下,測(cè)速棒產(chǎn)生一個(gè)偏轉(zhuǎn)角度。

圖4為試驗(yàn)中結(jié)晶器寬面1/4處測(cè)速棒偏轉(zhuǎn)角度合成。共計(jì)測(cè)量8組數(shù)據(jù),6組鋼水流向水口方向,所占比例為81.3%,偏轉(zhuǎn)角度在35°～45°之間;2組部分流向窄邊方向,所占比例為18.7%,偏轉(zhuǎn)角度在25°～35°之間。

圖4 結(jié)晶器寬面1/4處測(cè)速棒偏轉(zhuǎn)角度

將測(cè)速棒檢測(cè)的偏轉(zhuǎn)角度通過(guò)理論換算公式計(jì)算得到結(jié)晶器寬面1/4處鋼水流速,表1為測(cè)速棒偏轉(zhuǎn)角度和鋼水流速換算計(jì)算參數(shù)。

表1 測(cè)速棒偏轉(zhuǎn)角度和鋼水流速換算計(jì)算參數(shù)

圖5為對(duì)試驗(yàn)中的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行計(jì)算后得到的結(jié)晶器寬面1/4處流速,過(guò)濾掉測(cè)量時(shí)的擾動(dòng),流速絕對(duì)值大部分在0.3～0.4 m/s之間波動(dòng)。在結(jié)晶器寬面1/4處鋼水流向改變,產(chǎn)生原因可能是吹氬流量的波動(dòng)或者水口出流產(chǎn)生的偏流。

圖5 結(jié)晶器寬面1/4處鋼水流速

因?yàn)閷氫?#連鑄機(jī)使用的是結(jié)晶器電磁攪拌裝置,以下試驗(yàn)測(cè)量鋼水流速來(lái)驗(yàn)證結(jié)晶器電磁攪拌裝置是否在結(jié)晶器表面形成旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)。圖6～圖9是對(duì)結(jié)晶器中不同位置流場(chǎng)情況的考察,是3流和4流的測(cè)速棒偏轉(zhuǎn)角度和對(duì)應(yīng)鋼水流速的測(cè)量計(jì)算,圖中紅色圓圈是浸入式水口位置,箭頭方向表示測(cè)速棒移動(dòng)軌跡。從測(cè)量結(jié)果來(lái)看,不同位置處的鋼液流速不同,最大可達(dá)0.2 m/s,3流的流速變化要大于4流。

圖6 結(jié)晶器寬面3個(gè)位置測(cè)速棒偏轉(zhuǎn)角度(3流)

圖8 結(jié)晶器寬面3個(gè)位置測(cè)速棒偏轉(zhuǎn)角度(4流)

圖9 結(jié)晶器寬面3個(gè)位置結(jié)晶器鋼水流速(4流)

從測(cè)試的結(jié)果來(lái)看,在電磁攪拌的作用下,結(jié)晶器液面附近的流場(chǎng)沒(méi)有像設(shè)想的那樣,在液面附近旋轉(zhuǎn)起來(lái)。因?yàn)樵趦?nèi)弧側(cè)測(cè)的結(jié)晶器鋼水流向與外弧側(cè)測(cè)的鋼水流向是一致的,鋼水流向都是朝向浸入式水口。這表明,在電磁攪拌的作用下,結(jié)晶器液面附近鋼水流場(chǎng)主流仍然是窄邊向浸入式水口的流動(dòng),并沒(méi)有在電磁攪拌作用下在液面附近形成貼著結(jié)晶面的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。

4 結(jié)論

(1)本文自主開(kāi)發(fā)的鋼水流速測(cè)量裝置和技術(shù),可以準(zhǔn)確直觀地測(cè)量結(jié)晶器液面附近鋼水的流速,為優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)和連鑄工藝參數(shù)提供了有效判定準(zhǔn)則。

(2)結(jié)晶器表面流速的高溫實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明:結(jié)晶器內(nèi)液面附近的鋼水流向發(fā)生了改變,當(dāng)吹氬流量較大時(shí),結(jié)晶器表面的流動(dòng)方向由朝向浸入式水口變?yōu)橄蛘叿较颉?/p>

(3)使用耐材棒偏轉(zhuǎn)阻尼法測(cè)量結(jié)晶器寬面1/4處鋼水流速,測(cè)量數(shù)據(jù)顯示流速的絕對(duì)值基本在0.3～0.4 m/s之間波動(dòng),其中81.3%時(shí)間的流向朝水口方向,部分時(shí)間流向窄邊方向,所占比例為18.7%,產(chǎn)生的原因可能是吹氬流量的波動(dòng)或者水口出流產(chǎn)生的偏流。

(4)在內(nèi)弧側(cè)測(cè)的結(jié)晶器鋼水流向與外弧側(cè)測(cè)的鋼水流向是一致的,表明在電磁攪拌作用下,結(jié)晶器液面附近鋼水流場(chǎng)主流仍然是鋼水沖擊到窄邊向浸入式水口的流動(dòng),并沒(méi)有在液面附近形成貼著結(jié)晶面的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。