大方坯连铸结晶器四孔伸入式水口研究

______________________________作者简介祝明妹1977-女博士生讲师E-mail:[e-mail]大方坯连铸结晶器四孔伸入式水口研究大方坯连铸结晶器四孔伸入式水口研究大方坯连铸结晶器四孔伸入式水口研究大方坯连铸结晶器四孔伸入式水口研究111231.重庆大学材料科学与工程学院重庆4000442.攀枝花钢铁研究院四川攀枝花6170003.攀枝花新钢钒股份有限公司四川617067摘要本文针对攀钢大方坯连铸结晶器在国内首次提出了采用四孔水口浇注重轨钢的方法通过物理模拟实验测量并分析了结晶器内液面波动冲击压力和冲击深度等因素结合数值模拟结晶器内流体流动现象的结果发现合理的四孔水口形式更适合浇注质量要求高的重轨钢现场试验结果表明采用推荐的四孔伸入式水口浇注开浇顺利使用寿命达到连浇炉数要求结晶器液面平稳液渣层厚度变化小结晶器传热效果良好铸坯质量良好关键词结晶器伸入式水口数理模拟StudyonSubmergedEntryNozzlewithFourHolesforBloomContinuousCastingMoldZHUMing-mei1,WENGuang-hua1,TANGPing1,GUWu-an2,YANGSu-bo3(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing400044,China;2.PanzhihuaIron&SteelResearchInstitute,Panzhihua617000,Sichuan,China;3.PanzhihuaNewSteel&VanadiumCompanyLtd.,Sichuan617067,China)Abstract:Akindofsubmergedentrynozzle(SEN)withfourholesusedforbloomcontinuouscastingwasfirstlymentionedinthedomestic.Thelevelfluctuations,impactingpressureandimpactingdepthinthemoldhadbeenmeasuredandanalyzed.Thefluidflowphenomenainthemoldhadbeencalculated.Consideredtheresultsofphysicalandnumericalsimulations,itcanbedrawnaconclusionthattheappropriateSENwithfourholescanmeetthedemandofheavyrailsteel.ThetrialresultshowedthatwhenadoptingthedesignedSENtheoperationofbeginningcastinghadsucceeded,andtheservicelifehadachievedtotheprospectivetarget.Themoldlevelhadhardlyfluctuated,andthedepthofthefluxhadbeenuniform.Theheattransfereffectivenessofthemoldandthequalityofthebloomhadbeengood.Keyword:mold;submergedentrynozzle;physicalandnumericalsimulation深入了解和控制结晶器内的钢液流动行为是保证高效连铸工艺顺行提高铸坯质量的关键合理的伸入式水口是改善结晶器内钢液流动状态降低注流冲击深度分散注流带入热量促使结晶器内形成均匀坯壳和夹杂物上浮的重要手段冶炼大方坯重轨钢时国内的生产厂家均采用直通型水口或双侧孔水口如武钢和包钢大方坯连铸结晶器使用直通型水口鞍钢大方坯结晶器采用类似板坯连铸的双侧孔水口本文针对攀钢大方坯连铸结晶器在分析伸入式水口设计及评价原则的基础上[1]根据出孔角度和出口面积比等因素的不同设计了16种四孔水口进行了物理实验和数值计算研究结果表明合理的四孔水口更适合浇注质量要求高的重轨钢在实验室研究工作的基础上在国内首次提出利用四孔水口浇注大方坯重轨钢的方法并推荐合适的四孔水口进行工业试验2.1物理模拟实验原理与方法水模拟实验的理论基础是相似原理即模型与实型中液体流动相似的基本条件是几何相似和动力相似对于几何相似根据实际条件选取模型与实型的几何相似比为12对于动力相似考虑到实际结晶器中液体流动状态已处于第二自模化区该系统的流动状态及流速分布与雷诺准数Re无关故须保证模型与实型弗鲁得准数Fr相等根据Fr准数相等可以确定模型实验中不同拉速下的流量1-中间包;2-塞棒;3-伸入式水口;4-结晶器;5-水箱;6-流量计;7-水泵;8-水工采集处理系统图1实验装置示意图Fig.1Schematicofwatermodelexperiment实验装置如图1所示通过流量计调节进出水流量模拟拉速的变化用塞棒控制结晶器液位实验系统地研究了结晶器内的液面波动冲击压力冲击深度液面保护渣覆盖情况采用中国水利水电科学院研制的DJ800型水工采集处理系统来测量结晶器液面波动及结晶器各壁面不同位置的冲击压力采用在水口上方加蓝墨水的方式显示结晶器内流场状况并测量流股的冲击深度采用塑料粒子模拟结晶器保护渣观察不同工况下保护渣覆盖状况2.2数值模拟本文用数值模拟的方法研究了结晶器内流体流动和温度分布状况由于实际结晶器内液体流动十分复杂因此假设结晶器内流体流动为不可压缩粘性流体的稳态流动并忽略了结晶器内凝固壳的存在紊流模型采用k-ε双方程模型整个流场考虑了浮力和重力的影响壁面采用无滑移的边界条件自由液面采用无渣条件流体上部保护渣的影响忽略不计考虑到对称性计算区域取有效体积的1/4进行六面体网格划分计算结晶器内的流场和温度场3.1水口出口角度对结晶器内流体流动的影响a)-12ºb)9ºc)15º图2出口角度对结晶器流场影响的数值模拟结果Fig.2Effectofportangleontheflowfieldm/sa)-12ºb)9ºc)15º图3出口角度对结晶器温度场的数值模拟结果Fig.3Effectofportangleonthetemperaturefield水口出口角度可以直接改变钢水在结晶器内的流动路径是影响结晶器内钢液流动状况的重要因素出口角度对结晶器内流场和温度场影响的数值模拟结果如图2和3所示可以看出水口的出口角度对结晶器内的流动和传热影响很大当出口角度从向下到向上变化时钢液沿结晶器壁面向上部的流动趋势加强冲击点位置上移引起热中心上移有利于保护渣的熔化和夹杂物的去除但冲击深度变浅液面波动加剧易引起钢液裸露导致钢水二次氧化0.20.40.60.8-12º9º12º15ºPortAngleLevelFluctuations/mm图4出口角度对液面波动的影响Fig.4Effectofportangleonlevelfluctuations从图4中可以看出其它条件相同时出口角度向下120时液面波动最小当出口角度向上时随着角度的增加液面波动值增加由0.4mm增大到0.8mm出口角度每增加30液面波动值增加0.2mm由于液面波动过大容易出现卷渣现象液面太平静不利于保护渣的熔化所以结晶器液面需要适当的波动范围60708090100110-12º9º12º15ºPortAngleImpactingDepth/mm图5出口角度对冲击深度的物理模拟结果Fig.5Effectofportangleonimpactingdepth流股冲击深度小有利于夹杂物的上浮热中心上移可促使保护渣熔化但流股冲击深度过小容易引起卷渣恶化铸坯质量所以从水口中流出的钢液需要有适当的冲击深度图5给出水口出口角度对冲击深度影响的物理模拟结果可以看出出口角度越大冲击深度越小综合考虑各个因素采用向上12的四孔水口浇注时结晶器液面波动适当冲击深度和冲击压力压力适中对夹杂物的上浮和保护渣的熔化都有利3.2水口出口面积对结晶器内流体流动的影响表1出口面积比对液面波动和冲击压力的影响Table1Effectofportarearatioonlevelfluctuationsandimpactingdepth出口面积比1.71.92.12.3液面波动/mm0.60.50.50.5冲击压力/Kpa3.6453.6353.6353.635表1给出了出口面积比对液面波动和冲击压力的影响从表1可以看出其它条件相同时随着水口面积比由1.7增大到1.9液面波动呈现下降趋K势面积比增加到1.9后液面波动趋于平稳位于窄边距结晶器顶部125mm处的测点的冲击压力随着出口面积比的增加逐渐减小当面积比大于1.9后冲击压力趋于平稳这是由于流量一定时面积比增大钢水出口动能减小所以液面波动和冲击压力值逐渐减小随着面积比的进一步增大流股没有充满整个出口液面波动和冲击压力均趋于稳定综合考虑各个因素采用出口面积比为1.7的四孔水口浇注时流股能够充满整个出口结晶器液面波动适当冲击压力适中综上所述拟向攀钢推荐向上12°面积比为1.7的四孔伸入式水口用一定粒径的塑料粒子模拟结晶器保护渣通过观察塑料粒子覆盖情况在保证低拉速时液面不至于太死高拉速时不至于卷渣的情况下确定该水口的插入深度范围为180220mm根据实验室数理模拟研究结果推荐采用向上12°面积比为1.7的四孔伸入式水口浇注断面为380×280mm2的U75钢进行工业性试验4.1结晶器钢液流动的均匀性结晶器中钢水的热量是通过结晶器壁传给冷却水最终由冷却水带出冷却水带出的热量可以在冷却水的温差上反映出来浇注过程中结晶器宽面冷却水进出水温差波动范围为5.36.1结晶器窄面冷却进出水温差波动范围为5.26.1,结晶器宽窄面冷却进出水温差之差的绝对值分别为0.10.4这说明了结晶器各侧面冷却较均匀即结晶器内钢液流动均匀有利于结晶器内钢液的凝固浇注过程中结晶器液面平稳保护渣熔化良好很少结渣条在距结晶器边部距离为190mm95mm和0mm的位置同时测量结晶器保护渣液渣层厚度分别为12mm13mm和13mm这表明了采用四孔水口时结晶器保护渣液渣层厚度均匀符合重轨钢连铸要求4.2铸坯质量图6铸坯低倍检验照片Fig.6Bloommacrograph表2铸坯内部质量Table2Bloominternalquality类型范围平均中间疏松1.51.51.5中心偏析1.01.01.0中心裂纹00.50.25中间裂纹000针孔00采用四孔水口浇注U75V钢48炉摊检12炉铸坯表面质量良好铸坯无清理率为100%图6是铸坯低倍检验照片表2给出了铸坯内部质量的酸浸低倍检验的评级可以看出铸坯内部质量良好铸坯皮下夹杂分布均匀铸坯表面和皮下针孔夹渣少达到了重轨钢的质量要求攀钢采用四孔水口浇注后开浇顺利使用寿命达到连浇炉数要求结晶器保护渣液渣层厚度变化小结晶器液位平稳结晶器钢液流动均匀传热效果良好铸坯表面无清理率达到100%铸坯合格率达到99.30%这说明采用合理的四孔水口浇注重轨钢质量更加优良(1)在国内首次提出了采用四孔水口浇注重轨钢的方法在分析伸入式水口设计及评价原则的基础上设