結(jié)晶器保護(hù)渣卷渣臨界條件分析范文

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摘要：

通過物理模擬對結(jié)晶器保護(hù)渣的卷渣情況進(jìn)行了分析研究，得出：低粘度保護(hù)渣發(fā)生卷渣的臨界表面流速為87.7mm/s，保護(hù)渣浸入結(jié)晶器液面的臨界深度為22mm；高粘度保護(hù)渣發(fā)生卷渣的臨界表面流速為101.2mm/s，保護(hù)渣的臨界浸入深度為25mm。當(dāng)表面流速大于對應(yīng)的臨界值，從而使得保護(hù)渣的浸入深度超過臨界深度時(shí)，才可能發(fā)生卷渣現(xiàn)象；結(jié)晶器卷渣一般發(fā)生在距結(jié)晶器窄面1/3的位置處。

關(guān)鍵詞：

保護(hù)渣；表面流速；粘度

在當(dāng)代冶金行業(yè)中，結(jié)晶器起著尤為重要的作用。現(xiàn)在的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室對鋼液在結(jié)晶器中進(jìn)行物理模擬的方法為對其流場、表面流動特征的試驗(yàn)，也有一些對結(jié)晶器液面保護(hù)渣的模擬[1]。魯碧為通過改變水口的結(jié)構(gòu)、浸入深度、底部結(jié)構(gòu)等對結(jié)晶器卷渣情況進(jìn)行了分析以及優(yōu)化[2]；張佩通過應(yīng)用塑料粒子和油混合，從而對結(jié)晶器表面保護(hù)渣的卷渣情況進(jìn)行了分析，并通過結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣與液面波動的關(guān)系得出，液面波動在3~7mm的范圍內(nèi)，可能得到保護(hù)渣良好的覆蓋效果，從而減少鑄坯的二次氧化，趙志剛也通過對不同的拉速、不同的浸入深度等因素，來得出結(jié)晶器保護(hù)渣覆蓋最好的參數(shù)[3]。這些對結(jié)晶器保護(hù)渣卷渣的研究，沒有進(jìn)一步研究產(chǎn)生卷渣現(xiàn)象時(shí)，保護(hù)渣浸入深度的臨界值和表面流速的臨界值。本文通過對165mm×565mm斷面低粘度和高粘度保護(hù)渣進(jìn)行物理模擬，從而得出結(jié)晶器保護(hù)渣發(fā)生卷渣時(shí)，保護(hù)渣浸入鋼液的臨界深度，從而為防止保護(hù)渣卷渣提供更為有利的理論依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)裝置及模型建立

在通過收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析影響鑄坯缺陷的因素中，保護(hù)渣卷入占66%，脫氧夾雜物占17%，軋鋼缺陷占17%，因此可以看出，對減少保護(hù)渣卷渣的研究尤為重要[4]。以下為進(jìn)行油膜模擬時(shí)需要用到的參數(shù)和計(jì)算過程，如表1。在對150號齒輪油和煤油進(jìn)行混合時(shí)根據(jù)粘度的比例原理，運(yùn)用無量綱等式：ν渣ν鋼=ν油ν水(1)式中ν表示運(yùn)動粘度，m2/s通過以上參數(shù)和計(jì)算公式可得到，對于實(shí)際中的高粘度，在本文中模擬時(shí)150號齒輪油和煤油的體積比為0.6∶0.34，低粘度下150號齒輪油和煤油的體積比為0.4∶0.54。表2為不同拉速的實(shí)驗(yàn)流量數(shù)據(jù)。在進(jìn)行本次物理試驗(yàn)時(shí)，是通過1∶1的物理模型來模擬結(jié)晶器斷面為165mm×565mm的坯子，只有這樣才能使所選用的流量、拉速、保護(hù)渣的模擬與實(shí)際的聯(lián)系更為緊密，使得試驗(yàn)結(jié)果更為讓人信服。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)前，首先要先將中間包、結(jié)晶器水位升高至需要達(dá)到的高度。然后打開循環(huán)泵使得結(jié)晶器內(nèi)水進(jìn)行循環(huán)，從而可以節(jié)約資源，通過調(diào)節(jié)微調(diào)閥，使得水口的浸入深度保持不變，加入油膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2研究方法

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在本實(shí)驗(yàn)中，通過對結(jié)晶器保護(hù)渣的模擬，來測量斷面為165mm×565mm結(jié)晶器卷渣的情況，測量不同拉速、不同粘度下，保護(hù)渣浸入結(jié)晶器液面的深度，從而得出結(jié)晶器卷渣時(shí)鋼渣浸入結(jié)晶器的臨界深度，然后通過表面流速儀測量其表面流速的臨界值，從而為減少結(jié)晶器卷渣提供更為合理的改進(jìn)方法，為提高鋼廠的鑄坯質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

采用南京水利科學(xué)研究院河鋼儀器設(shè)備研究所研制的LGY-Ⅱ型智能旋槳式流速計(jì)(如圖2)，對液面的表面流速進(jìn)行測定。水流速度的測量原理：測定旋槳在預(yù)定測速歷時(shí)內(nèi)的平均轉(zhuǎn)率，利用自帶的計(jì)算公式計(jì)算出流速。圖3為某一個(gè)斷面，在進(jìn)行表面流速測試時(shí)，測試點(diǎn)的具體位置，其中1#、2#、3#、4#、5#、6#代表的是6個(gè)測試點(diǎn)，且6個(gè)測試點(diǎn)間距是一樣的。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1低粘度保護(hù)

渣模擬結(jié)晶器卷渣的主要原因是：從水口出來的鋼液沖擊結(jié)晶器窄面，從而形成上回流區(qū)，對結(jié)晶器上表面形成剪切力，從而使得上表面的表面流速增大，當(dāng)增大到一定程度時(shí)，也就是液面波動達(dá)到一定的值，從而使得保護(hù)渣浸入液面也達(dá)到一定的值時(shí)，從而使得保護(hù)渣被卷入到結(jié)晶器中[5,6]。圖4~圖6為5min內(nèi)結(jié)晶器卷渣的情況，其中圖4(a)為結(jié)晶器液面靜止時(shí)的情況，圖4(b)、(c)、(d)為開始拉坯時(shí)，液面的波動情況。從圖4可以看出，在5min內(nèi)，拉速為1.0m/min時(shí)，油膜浸入鋼液的最大深度達(dá)到了15mm，也就是圖中選取的(c)；但未發(fā)生卷渣現(xiàn)象，而在圖5中，拉速為1.1m/min的低粘度保護(hù)渣，在5min內(nèi)，偶爾發(fā)生了卷渣現(xiàn)象，最大的油膜浸入深度為22mm；在圖6中油膜發(fā)生卷渣現(xiàn)象較為嚴(yán)重，圖6(b)油膜的浸入深度能達(dá)到27mm遠(yuǎn)高于22mm，在5min內(nèi)發(fā)生卷渣情況更為嚴(yán)重。

3.2高粘度保護(hù)

渣模擬高粘度保護(hù)渣是相對于低粘度保護(hù)渣來說的，圖7~圖10為模擬結(jié)晶器高粘度保護(hù)渣從不卷渣到卷渣，油膜浸入深度變化圖。在圖7和圖8中，結(jié)晶器液面未發(fā)生卷渣現(xiàn)象，拉速為1.0m/min時(shí)油膜進(jìn)入的最大深度為10mm左右，液面波動較小，拉速為1.1m/min時(shí)液面波動有所增加，油膜浸入最大深度在17mm左右，仍未發(fā)生卷渣現(xiàn)象；在圖9中拉速為1.2m/min時(shí)，偶爾發(fā)生了卷渣現(xiàn)象，5min內(nèi)油膜浸入鋼液的最大深度為25mm，也就是圖9(b)的情況，而圖9(c)中油膜最大浸入深度為22mm，未發(fā)生卷渣現(xiàn)象；從圖10可以看出卷渣較為嚴(yán)重，圖10(c)為油膜浸入鋼液的最大深度，達(dá)到了30mm，大于25mm，發(fā)生了卷渣現(xiàn)象，圖9(b)、(d)油膜的浸入深度也大于25mm，因此5min內(nèi)拉速為1.35m/min會使結(jié)晶器發(fā)生嚴(yán)重的卷渣現(xiàn)象。

3.3表面流速

通過油膜模擬結(jié)晶器保護(hù)渣，使得讀者更為方便的觀察油膜的運(yùn)動情況，為了使圖片更具有說明性和理論依據(jù)，表3~表5分別為拉速在1.0、1.1、1.2m/min時(shí)的表面流速情況。為的是可以通過應(yīng)用表面流速，對結(jié)晶器液面出現(xiàn)的卷渣情況進(jìn)行定性的分析。無論是高粘度還是低粘度的保護(hù)渣，在表面流速小于71.4mm/s時(shí)都不發(fā)生卷渣現(xiàn)象，而在拉速為1.1m/min時(shí)，在位置3#和6#處發(fā)生卷渣現(xiàn)象，從而可以看出針對于此低粘度的保護(hù)渣，使其發(fā)生卷渣的臨界表面流速為87.7mm/s，正是由于在3#和6#處的表面流速都超過了此臨界值[7]，才使得結(jié)晶器在此位置卷渣，而在其他位置幾乎不出現(xiàn)卷渣情況。當(dāng)拉速為1.2m/min時(shí)，結(jié)晶器表面的6個(gè)位置幾乎都超過了87.7mm/s，從而使得低粘度保護(hù)渣產(chǎn)生了嚴(yán)重的卷渣現(xiàn)象，這與圖6反應(yīng)的情況是相符的；對于高粘度的保護(hù)渣來說，圖8中的2#、5#位置發(fā)生了卷渣現(xiàn)象，此高粘度的發(fā)生卷渣現(xiàn)象的臨界表面流速為101.2mm/s，雖然3#和6#的表面流速也遠(yuǎn)大于這個(gè)值，但由于表面流速過大，從而使得該位置處的保護(hù)渣覆蓋較少，從而未發(fā)生卷渣現(xiàn)象。此結(jié)果與卷渣一般發(fā)生在水口與結(jié)晶器窄面1/3位置附近的結(jié)論相符[8]。

4結(jié)論

（1）低粘度保護(hù)渣發(fā)生卷渣的臨界表面流速為87.7mm/s，保護(hù)渣浸入結(jié)晶器液面的臨界深度為22mm，因此在進(jìn)行結(jié)晶器優(yōu)化是可以依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。

（2）高粘度保護(hù)渣發(fā)生卷渣的臨界表流速為101.2mm/s，保護(hù)渣剛要發(fā)生卷渣時(shí)的臨界浸入深度為25mm，只有當(dāng)保護(hù)渣的浸入深度大于此臨界深度時(shí)，才可能發(fā)生卷渣現(xiàn)象。

（3）無論是高粘度的保護(hù)渣還是低粘度的保護(hù)渣，發(fā)生卷渣的位置一般在水口與結(jié)晶器窄面1/3位置附近，因?yàn)榇颂幍谋Ｗo(hù)渣的浸入深度較大，表面流速也較大。

參考文獻(xiàn)：

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作者:劉陽 張彩軍 劉中柱 單位:華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院