宽板坯连铸结晶器SEN结构和操作参数优化试验研究

关键词：宽板坯连铸；结晶器；水模型；浸入式水口

中图分类号：TF7 文献标识码：A 文章编号：0449—749X(2008)01—0026—04

结晶器在连铸设备中是非常重要的部件，钢液在结晶器内的流动行为与铸坯中的卷渣、卷气、裂纹等许多质量问题直接相关。据统计，在超低碳钢生产过程中，60％的缺陷问题是由结晶器内液面波动而引起的卷渣现象造成的。连铸中间包浸入式水口的形状、出口角度和底部结构直接影响着结晶器内钢液的流动状态和夹杂物的上浮分离。因此，研究不同操作条件下结晶器内钢液的流动状态，从而获得结晶器内优化的流场，对防止保护渣的卷入、气泡的捕捉以及凝固坯壳的不均匀生长都有重要的意义。

1 试验方法和装置

1．1 试验原理和装置

连铸过程中钢液流动受到惯性力、重力、粘性力的作用，为了确保模型结晶器内流体的流动特征同原型结晶器内的相似，根据文献[3]，选用Fr准数模型，即保证模型与原型的Fr数相等，而Re数处于同一自模划区，如下：

式中，m代表模型；P代表原型。

本试验采用1：1的比例模型，即l_f＝1，故此时模型同原型的速度、时间和流量的比分别为：υ_f＝l_f^1/2，t_f＝1，Q_f＝l_f²×υ_f＝1

试验装置示意图如图1所示，模型结晶器的高度为2000mm，宽度为3250mm，上、下沿厚度分别为160、150mm，在模型结晶器内适当位置对称加入隔离装置可获得150 mm×(1800、2300、2800、3250)mm 4种断面，在下半部分加一“蜂窝板”作为置衡器，是为了避免模型结晶器出口对流场的影响。SEN的结构图如图2所示，底部分为凹型和凸型2种，其中3孔时即在底部开一个Φ35 mm的直孔，结构参数如表1所示。

1．2试验方案

试验所要考虑的影响因素是：拉速、水口吹气量、水口浸人深度、水口吐出孔数、水口侧孔倾角和水口底部结构，它们的取值变化如表2所示，可知试验为6个因素、4个水平，故采用拟水平法，选用L₂₅(5⁶)正交表来设计试验工况。试验所要考察的指标是：结晶器液面波动值和流股冲击深度，其中以液面波动值为主要考察指标，液面波动值包括水口附近、断面宽度1／4处和窄面处3个点，由DJ800系统和计算机分别测定和采集。

电容式波高仪的检测原理是，电容丝插人水中时，中心的金属导线为一个电极，水体经支架形成另一电极，构成电容器。电容量只与传感器在水中的长度成正比。传感器的位置固定在一个基准面不变，水位的变化(相对于基准面上下波动的值)将引起电容量的变化，计算机自动计算一定时间内某一固定位置的波动的平均值，将其作为波高。波高的测量精度可以达到0．1 mm、误差±1％。

利用压力传感器测量流股冲击深度。压力传感器贴在模型结晶器的窄面，可以人工沿窄面上下移动，定义流股底部冲击窄面的位置距液面的距离为流股冲击深度，一般取结晶器有效高度为1，用相对百分值((流股冲击深度／结晶器有效高度)×1 00％)表示流股冲击深度。当流场稳定时(水口插入深度、水、气体流量等参数固定一定时间后)，沿窄面上下移动传感器，由下向上，压强突然变大的位置，即为流股冲击深度。

结合正交试验方法进行试验，对试验结果进行极差分析和比较，得到了不同断面宽度结晶器的水口结构和工艺操作的优化参数。各断面的拉速变化及其对应的水流量如表3所示。

2 试验结果与分析

2．1 吹气量的优化

如图3(a)所示，结晶器液面波动随着吹气量的增加而增大。这是由于气泡在结晶器液面破裂逸出也会造成液面的波动，且气量增加，气泡体积增大，使得液面波动更加剧烈；另外气泡对流股具有浮升作用，造成流股由水口侧孔喷出后向上偏移，增加了流股对液面的直接冲击；结晶器宽度为2300～3250mm时，流股冲击到窄面的距离远，粘性阻力作用大，流股大部分在未冲击到窄面之前就向上偏移，直接冲击液面，尤其是1／4处的液面，所以造成液面波动随吹气量的增加而增大。液面波动大，易引起卷渣。故在保证窄面处波动较优及其它点的波动较小的前提下，为了减少卷渣的发生，合理的吹气量应为1～2 L／min。

2．2拉速的优化

如图3(b)所示，随拉速的增加结晶器液面波动增大。宽度大于1800mm时，液面波动是1／4处>水口处>窄面处。拉速增加后，流股冲出孔的速度增大，具有的动能增加，与窄面相碰后沿窄面向上的上回流股动能也增大，从而增大对液面的冲击力度，所以液面波动加剧。为了与高生产率相匹配，而又不致于造成结晶器液面波动过大而引起卷渣，由试验得4个断面合理的拉速范围如下：1800mm取1．3～1．4 m／min；2300 mm取一1．2～1．3 m／min；2800mm取1．1～1．2 m／min；3250 mm为1．1m／min固定值。

2．3 SEN浸入深度的优化

试验得到，断面宽度大于1800 mm时，液面波动也是1／4处>水口处>窄面处。对于断面宽度1800、2300和2 8 00 mm，SEN浸入深度对液面波动的影响具有较明显双重性，如图4(a)所示。当浸人深度小于120mm时，液面波动随浸人深度的增加而减小；当浸入深度由120mm增加到130 mm时，由于同窄面碰撞后的向上流股到达结晶器液面的距离大，使流股冲击液面的能量低，加上从窄面处回流到水口中心的流股碰撞到水口壁后被反弹，这样在液面上形成了2种方向相反的流股，当2流股的频率近似相等时，2流股的波峰就叠加在一起，类似于机械波的“共振原理”，造成液面波动增大；故对于这3个断面，当SEN浸入深度为120mm t寸，结晶器液面波动较小，较有利于减少卷渣现象的发生。

对于断面宽度3250 mm，由于结晶器宽度最大，流股冲击深度最深，这样增加了流股上回流的阻力，因此减弱了流股对液面的冲击，故液面的波动随浸人深度的增加而减小，如图4(b)所示。故对于此断面，当SEN浸入深度为130 mm时，结晶器液面波动较小。

2．4水口侧孔倾角的优化

对于断面宽度1800、2300和3250mm，侧孔倾角从－10°变化到－25°时液面波动逐渐减小，如图5(a)所示。这是因为当侧孔倾角进一步向下时，流股的冲击深度变深，上回流股到达结晶器液面的距离变大，这样加大了注流上回流的阻力，因此减弱了流股对液面的冲击，故液面的波动减小。可见，此3个断面的侧孔倾角取－2 0°～－2 5°时波动较小。

对于断面宽度2800 mm，侧孔倾角对液面波动的影响具有较明显双重性(图5(b))。当倾角从－10°变化到－15°时液面波动逐渐增大，当倾角再由－15°变化到－20°时液面波动逐渐减小，而当倾角再由－20°变化到－25°。时液面波动反而又增大，即从总体上看侧孔倾角为－20°时液面波动最小。导致这种现象的原因是由于流股对液面的冲击和驻波的综合作用造成的。当侧孔倾角从－10°变化到－15°或从－20°变化到－25°时，流股冲击深度变深，上回流股到达液面的距离增大，使得液面能量交换慢，液面能量降低，促进了驻波的形成，从而使液面波动增大。可见此断面的侧孔倾角取一20°时液面波动较合理，较有利于减少卷渣。

2．5 水口吐出孔数的优化

试验结果分析得到，当水口为3孔时，断面宽度1800、2300、2800和3250 mm结晶器的液面波动值分别比水口为2孔时的液面波动平均减小了15％、23％、33％和26％。可见，引用3孔水口时，较有利于减少因液面波动过大而引起的卷渣几率。

3孔水口侧孔流股的冲击深度比2孔水口小15％～25％。流股的冲击深度小，就可以减少气泡被流股冲击到结晶器底部的量，从而减少气泡被凝固坯壳前沿捕捉而形成铸坯皮下缺陷的机会。但是，采用3孔水口结构时，水口底孔流股的冲击深度要比侧孔流股的冲击深度大50％以上，这不利于结晶器中心区域的气泡和夹杂物的上浮，以及铸坯中心部位坯壳的均匀凝固生长，而且容易造成拉漏事故。

2．6 水口底部结构的优化

取吹气1 L／min、拉速1．4 m／min和浸入深度120 mm时，测得凹型水口在窄面处、1／4处和水口处的波动比凸型水口对应各点的波动分别减小24％、20％和31％，即前者的液面平均波动比后者减少了25％。这是因为，采用凹型水口时，流股从水口的上方下来后，同水口的底部发生碰撞，流股会在凹槽内发生回旋，流股的反弹作用大，使得流股的动能损耗大，则流股出水口时的动能减小，流股对液面的冲击动能也减小，因而液面波动较小。对于其它工况条件下，也有相似的结果。对于流股冲击深度来说，凹型水口比凸型水口减小7％～15％。故采用凹型水口有利于减小液面波动，有利于结晶器钢液中夹杂物和气泡的上浮去除。

3 结论

(1)结晶器液面波动随吹气量的增加而增大，为了避免液面波动过大而引起卷渣，合理的水口吹气量应为1～2：L／min。

（2）3孔水口的液面波动和侧孔流股冲击深度分别比2孔水口的小15％～33％和15％～25％，但3孔水口的底孔流股冲击深度比2孔大50％以上，易引发生产和铸坯的一系列问题。

（3）凹型水口的液面波动和侧孔流股冲击深度分别比凸型水口的小25％和7％～15％，采用凹型水口有利于减小液面波、利于结晶钢液中夹杂物和气光上浮去除。

（4）各断面的其它较优工艺参数值推荐如下：断面宽度180mm，拉速1.3～1.4m/min，SEN深度120mm，水口倾角－20°～－25°；2300mm，拉速1.2～1.3m/min，SEN深度120mm，水口倾角－20°～－25°；2800mm，拉速1.1～1.2m/min，SEN深度120mm，水口倾欠－20；3250mm，拉速1.1m/min，SEN深度130mm，水口倾角－20°～－25°。