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结晶器保护渣卷渣临界条件分析

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摘要:

通过物理模拟对结晶器保护渣的卷渣情况进行了分析研究,得出:低粘度保护渣发生卷渣的临界表面流速为87.7mm/s,保护渣浸入结晶器液面的临界深度为22mm;高粘度保护渣发生卷渣的临界表面流速为101.2mm/s,保护渣的临界浸入深度为25mm。当表面流速大于对应的临界值,从而使得保护渣的浸入深度超过临界深度时,才可能发生卷渣现象;结晶器卷渣一般发生在距结晶器窄面1/3的位置处。

关键词:

保护渣;表面流速;粘度

在当代冶金行业中,结晶器起着尤为重要的作用。现在的大多数实验室对钢液在结晶器中进行物理模拟的方法为对其流场、表面流动特征的试验,也有一些对结晶器液面保护渣的模拟[1]。鲁碧为通过改变水口的结构、浸入深度、底部结构等对结晶器卷渣情况进行了分析以及优化[2];张佩通过应用塑料粒子和油混合,从而对结晶器表面保护渣的卷渣情况进行了分析,并通过结晶器内保护渣与液面波动的关系得出,液面波动在3~7mm的范围内,可能得到保护渣良好的覆盖效果,从而减少铸坯的二次氧化,赵志刚也通过对不同的拉速、不同的浸入深度等因素,来得出结晶器保护渣覆盖最好的参数[3]。这些对结晶器保护渣卷渣的研究,没有进一步研究产生卷渣现象时,保护渣浸入深度的临界值和表面流速的临界值。本文通过对165mm×565mm断面低粘度和高粘度保护渣进行物理模拟,从而得出结晶器保护渣发生卷渣时,保护渣浸入钢液的临界深度,从而为防止保护渣卷渣提供更为有利的理论依据。

1实验装置及模型建立

在通过收集数据,进行统计分析影响铸坯缺陷的因素中,保护渣卷入占66%,脱氧夹杂物占17%,轧钢缺陷占17%,因此可以看出,对减少保护渣卷渣的研究尤为重要[4]。以下为进行油膜模拟时需要用到的参数和计算过程,如表1。在对150号齿轮油和煤油进行混合时根据粘度的比例原理,运用无量纲等式:ν渣ν钢=ν油ν水(1)式中ν表示运动粘度,m2/s通过以上参数和计算公式可得到,对于实际中的高粘度,在本文中模拟时150号齿轮油和煤油的体积比为0.6∶0.34,低粘度下150号齿轮油和煤油的体积比为0.4∶0.54。表2为不同拉速的实验流量数据。在进行本次物理试验时,是通过1∶1的物理模型来模拟结晶器断面为165mm×565mm的坯子,只有这样才能使所选用的流量、拉速、保护渣的模拟与实际的联系更为紧密,使得试验结果更为让人信服。实验装置图如图1所示。实验前,首先要先将中间包、结晶器水位升高至需要达到的高度。然后打开循环泵使得结晶器内水进行循环,从而可以节约资源,通过调节微调阀,使得水口的浸入深度保持不变,加入油膜进行实验。

2研究方法

2.1实验设计

在本实验中,通过对结晶器保护渣的模拟,来测量断面为165mm×565mm结晶器卷渣的情况,测量不同拉速、不同粘度下,保护渣浸入结晶器液面的深度,从而得出结晶器卷渣时钢渣浸入结晶器的临界深度,然后通过表面流速仪测量其表面流速的临界值,从而为减少结晶器卷渣提供更为合理的改进方法,为提高钢厂的铸坯质量提供理论基础。

2.2实验方法

采用南京水利科学研究院河钢仪器设备研究所研制的LGY-Ⅱ型智能旋桨式流速计(如图2),对液面的表面流速进行测定。水流速度的测量原理:测定旋桨在预定测速历时内的平均转率,利用自带的计算公式计算出流速。图3为某一个断面,在进行表面流速测试时,测试点的具体位置,其中1#、2#、3#、4#、5#、6#代表的是6个测试点,且6个测试点间距是一样的。

3实验结果分析

3.1低粘度保护

渣模拟结晶器卷渣的主要原因是:从水口出来的钢液冲击结晶器窄面,从而形成上回流区,对结晶器上表面形成剪切力,从而使得上表面的表面流速增大,当增大到一定程度时,也就是液面波动达到一定的值,从而使得保护渣浸入液面也达到一定的值时,从而使得保护渣被卷入到结晶器中[5,6]。图4~图6为5min内结晶器卷渣的情况,其中图4(a)为结晶器液面静止时的情况,图4(b)、(c)、(d)为开始拉坯时,液面的波动情况。从图4可以看出,在5min内,拉速为1.0m/min时,油膜浸入钢液的最大深度达到了15mm,也就是图中选取的(c);但未发生卷渣现象,而在图5中,拉速为1.1m/min的低粘度保护渣,在5min内,偶尔发生了卷渣现象,最大的油膜浸入深度为22mm;在图6中油膜发生卷渣现象较为严重,图6(b)油膜的浸入深度能达到27mm远高于22mm,在5min内发生卷渣情况更为严重。

3.2高粘度保护

渣模拟高粘度保护渣是相对于低粘度保护渣来说的,图7~图10为模拟结晶器高粘度保护渣从不卷渣到卷渣,油膜浸入深度变化图。在图7和图8中,结晶器液面未发生卷渣现象,拉速为1.0m/min时油膜进入的最大深度为10mm左右,液面波动较小,拉速为1.1m/min时液面波动有所增加,油膜浸入最大深度在17mm左右,仍未发生卷渣现象;在图9中拉速为1.2m/min时,偶尔发生了卷渣现象,5min内油膜浸入钢液的最大深度为25mm,也就是图9(b)的情况,而图9(c)中油膜最大浸入深度为22mm,未发生卷渣现象;从图10可以看出卷渣较为严重,图10(c)为油膜浸入钢液的最大深度,达到了30mm,大于25mm,发生了卷渣现象,图9(b)、(d)油膜的浸入深度也大于25mm,因此5min内拉速为1.35m/min会使结晶器发生严重的卷渣现象。

3.3表面流速

通过油膜模拟结晶器保护渣,使得读者更为方便的观察油膜的运动情况,为了使图片更具有说明性和理论依据,表3~表5分别为拉速在1.0、1.1、1.2m/min时的表面流速情况。为的是可以通过应用表面流速,对结晶器液面出现的卷渣情况进行定性的分析。无论是高粘度还是低粘度的保护渣,在表面流速小于71.4mm/s时都不发生卷渣现象,而在拉速为1.1m/min时,在位置3#和6#处发生卷渣现象,从而可以看出针对于此低粘度的保护渣,使其发生卷渣的临界表面流速为87.7mm/s,正是由于在3#和6#处的表面流速都超过了此临界值[7],才使得结晶器在此位置卷渣,而在其他位置几乎不出现卷渣情况。当拉速为1.2m/min时,结晶器表面的6个位置几乎都超过了87.7mm/s,从而使得低粘度保护渣产生了严重的卷渣现象,这与图6反应的情况是相符的;对于高粘度的保护渣来说,图8中的2#、5#位置发生了卷渣现象,此高粘度的发生卷渣现象的临界表面流速为101.2mm/s,虽然3#和6#的表面流速也远大于这个值,但由于表面流速过大,从而使得该位置处的保护渣覆盖较少,从而未发生卷渣现象。此结果与卷渣一般发生在水口与结晶器窄面1/3位置附近的结论相符[8]。

4结论

(1)低粘度保护渣发生卷渣的临界表面流速为87.7mm/s,保护渣浸入结晶器液面的临界深度为22mm,因此在进行结晶器优化是可以依据此标准来进行。

(2)高粘度保护渣发生卷渣的临界表流速为101.2mm/s,保护渣刚要发生卷渣时的临界浸入深度为25mm,只有当保护渣的浸入深度大于此临界深度时,才可能发生卷渣现象。

(3)无论是高粘度的保护渣还是低粘度的保护渣,发生卷渣的位置一般在水口与结晶器窄面1/3位置附近,因为此处的保护渣的浸入深度较大,表面流速也较大。

参考文献:

[1]陆巧彤,杨荣光,王新华,等.板坯连铸结晶器保护渣卷渣及其影响因素的研究[J].钢铁,2006,41(07):29-32.

[2]鲁碧为.板坯连铸结晶器钢液流动控制研究[D].沈阳:东北大学,2012.

[3]赵志刚.立式板坯连铸过程结晶器内钢液行为的数学物理模拟[D].昆明:昆明理工大学,2012.

[4]徐海伦.板坯连铸结晶器内气泡行为和液渣分布规律的研究[D].重庆:重庆大学,2007.

[5]薛伟锋.马钢薄板坯连铸中间包和结晶器数理模拟研究[D].重庆:重庆大学,2005.

[6]杜恒科.宽板坯连铸结晶器保护渣理化性能研究及应用[D].重庆:重庆大学,2006.

[7]薛伟锋,文光华,唐萍,等.板坯连铸结晶器内保护渣模拟方法的研究[J].钢铁研究,2005,33(3):13-16.

[8]雷洪,许海虹,朱苗勇,等.高速连铸结晶器内卷渣机理及其控制研究[J].钢铁,1999,34(8):20-23.

作者:刘阳 张彩军 刘中柱 单位:华北理工大学冶金与能源学院

Acta Mathematica Scientia杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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