吹氩宽厚板坯连铸结晶器内液面波动行为的水模型研究

第9卷增刊1 过 程 工 程 学 报 Vol.9 Suppl. No.1 2009 年 6 月 The Chinese Journal of Process Engineering June 2009 收稿日期：2008−10−16，修回日期：2009−03−12 基金项目：国家自然科学基金与上海宝钢集团联合资助项目(编号：50674020)；辽宁省博士启动基金资助项目(编号：20071020)； 国家博士后基金资助项目(编号：20080431153) 作者简介：郑淑国(1979−)，男，山东省安丘市人，博士，讲师，主要研究方向为冶金过程的模拟仿真及纯净钢理论与工艺，E-mail: zhengsg@smm.neu.edu.cn. 吹氩宽厚板坯连铸结晶器内液面波动行为的水模型研究 郑淑国， 周海斌， 朱苗勇 (东北大学材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110004) 摘 要：基于相似理论，利用物理模拟研究了吹氩条件下宽厚板坯结晶器内的液面波动行为，考察了吹气量、水口侧 孔倾角及水口浸入深度对结晶器内液面波动行为的影响. 结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，结晶器吹氩后，各气量下液面平均波高均增加了 1.2 倍以上；结晶器内液面平均波高随吹气量的增加先增大后减小；随水口侧孔倾角及浸入深度的增大，液面平均波 高均先减小后增大. 从实验条件下得到的控制液面波动的最佳工艺参数为 4 L/min 的吹气量，−15o的水口侧孔倾角， 140 mm 的水口浸入深度. 关键词：宽厚板坯结晶器；液面波动行为；物理模拟 中图分类号：TF777 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2009)S1−0214−04 1 前 言 浸入式水口吹氩作为板坯浇注过程中防止水口堵 塞的重要工艺，已在生产中得到了广泛应用. 吹氩会加 剧液面波动，增大表面卷渣的概率，增加铸坯缺陷. 因 此，研究吹氩条件下结晶器内液面的波动规律及如何控 制液面波动，对于生产高表面质量的板坯具有重要意义. 吹氩条件下，结晶器内渣钢界面的复杂性和液面波动的 瞬态性，特别是结晶器内的动态波动行为(如漩涡等)， 使得利用数学模拟准确地描述液面波动行为难度较大， 而以相似原理为基础的物理模拟一直是研究结晶器液 面波动的有效手段. 宽厚板坯结晶器内的通钢量要比传统板坯结晶器 内的大，故液面波动会加剧. 目前，对传统板坯结晶器 吹氩时液面波动研究有一些报道[1−8]，但有关宽厚板坯 结晶器内吹氩时界面行为的研究则很少. 本研究采用物 理模拟方法，结合某钢厂宽厚板坯连铸现场生产情况， 系统地研究了吹气量、水口侧孔倾角及水口浸入深度对 结晶器内液面波动行为的影响规律. 2 实验原理 2.1 几何相似和动力相似 水模实验要做到原型和模型的几何相似和动力相 似. 本实验根据相似原理，选用 Fr 准数为相似准数[9]， 用空气近似模拟氩气，建立了 1:2.5 的物理模型. 模型与 原形水流量则存在如下关系： 5 2 m,l p,l ,Q Qλ= (1) 式中，λ为模型与原型的几何相似比，Qm,l和 Qp,l分别为 模型和原型的水流量(m3/h). 对于气体的模拟，还要考虑 实际生产中通入浸入式水口的气体因高温引起的膨胀， 则可以计算出对应于原型的吹氩气体流量[10]. 5 p 2 m,g p,g m , T Q Q T λ= (2) 式中，Tm 和 Tp 分别为模型和原型气体的温度(K)，Qm 和 Qp分别为模型和原型的气体流量(m3/h). 模型和原型 的主要参数见表 1. 表 1 原型和模型的主要参数 Table 1 Main parameters of prototype and model Parameter Prototype Model Mold size (mm) 2200×280 880×112 Immersion depth of SEN (mm) 110~170 44~68 SEN bore size (mm) Φ80 Φ32 Outlet angle of SEN (°) −15 −10~−17.5 Argon gas injection rate (L/min) 0~10 0~0.166 Liquid flow rate (m3/h) 31.421) 3.18 Note: 1) The corresponding casting speed is 0.85 m/min. 2.2 实验方法 实验装置如图 1 所示. 为了避免模型结晶器出口对 流场的影响，模型的高度取 1200 mm. 实验整体设备由 计算机采集系统、供水系统、供气系统组成. 液面波动采用 DJ800 型多功能水工监测系统进行 测定. 因结晶器关于水口对称，故选取结晶器一侧的 4 个测点. 具体来说，1 号测点距浸入式水口外侧壁 25 mm，4 号测点距结晶器模型窄面内侧 15 mm，2, 3 号测 点为 1, 4 号测点间距的三等分点且 2 号测点靠近水口一 侧，如图 2 所示. 通过对不同工艺参数(吹气量、水口侧孔倾角、水 增刊 1 郑淑国等：吹氩宽厚板坯连铸结晶器内液面波动行为的水模型研究 215 口浸入深度)下吹氩宽厚板坯结晶器内液面波动行为的 定量 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，探索这些参数对液面波动行为的影响规律， 并找出控制液面波动的最佳工艺参数. 1. Computer 2. Wave-height analyzer 3. Wave sensor 4. Mould 5. Fluid flowmeter 6. Gas flow controller 7. Pressure gauge 8. Air compressing engine 图 1 实验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of experimental setup 图 2 结晶器波高测点位置示意图 Fig.2 Schematic diagram of the position on wave sensor in mould 3 结果分析与讨论 3.1 吹气量对结晶器液面波动的影响 图 3 为吹气量对结晶器液面波动的影响. 由图可以 看出，总体上，吹入气体后界面波动明显加剧，各气量 下四个测点的平均波高均增加了 1.2 倍以上，且其随气 量的增加先增大后减小. 各测点波动随气量的变化规律 不同，具体来说，水口吹入气体后，1, 2 号测点的波高 迅速增大，3 号测点的波高随吹气量的增加先增大后减 小，4 号测点的波高在吹气前后相差不大. 气体以较小 的气量吹入水口并出水口后形成的气泡流股主要分布 在 1 号和 2 号测点之间，该区域湍动加剧，从而使这两 个测点的液面波动值迅速增大；随着吹气量的增大，气 泡流股向窄面附近扩展，到达 3 号测点气泡的数量及频 率逐渐增大，故该测点的液面波动值不断增大；但当气 量超过一定值后(本实验中为 8 L/min)，由于气液流股中 气泡的体积分数较大，液体流股对气泡流股的约束及携 带能力变弱，气泡流股随气量增大已不再向窄面扩展而 是向水口方向回缩，故到达 3 号测点气泡的数量及频率 下降，因此该测点液面波动值减小，且受其影响 4 个测 点的波动平均值也下降. 弯月面附近的 4 号测点由于在 各气量下几乎均无气泡到达，故其液面波动值受吹气影 响较小. 0 2 4 6 8 10 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 1# Outlet angle of SEN: -15? 2# Immersion depth of SEN: 140 mm 3# 4# MeanW av e- he ig ht (m m ) Gas flowrate (L/min) 图 3 吹气量对结晶器液面波动的影响 Fig.3 Effect of gas flowrate on the level fluctuation in mould 由图 3 还可以看出，在 2~10 L/min 的气量范围内， 各气量下液面波动平均值相差不大，差幅在 23.7%以内. 2 和 4 L/min 的吹气量有相对较小的液面波动，但前者 4 个测点的最大波高值比后者的高 30%，故 4 L/min 为控 制液面波动的最佳气量. 3.2 水口侧孔倾角对结晶器液面波动的影响 图 4 为水口侧孔倾角对结晶器液面波动的影响. 由 图可以看出，总体上，随着侧孔倾角的增加，四个测点 的平均波高先减小后增大. 各测点的波高随拉速增大变 化规律也不同. 具体来说，随着侧孔倾角的增加，1, 2 号测点的波高先减小后增大，3 号测点的波高先减小后 增大再减小，4 号测点的波高则先增大后减小. 随着侧 孔倾角的增大，钢水流股在结晶器上部向上流动趋势减 弱，对熔池液面的冲击减弱，故液面波动减弱，因此随 着侧孔倾角由−10o 增大到−12.5o，1~3 号测点的波动均 减弱，而水口附近的 4 号测点由于在−12.5o下，钢液流 股对气泡流股的携带效果最好，气液流股一起增强了弯 月面处回流对流体的剪切作用，故 4 号测点的波动有一 个较明显的增大；随着侧孔倾角的进一步增大，钢液对 气泡流股的携带作用开始变差，气泡流股主要分布在 2 号和 3 号测点之间，故 2, 3 号测点的液面波动变大而 4 号测点的液面波动减弱；随着侧孔倾角的再次增大，钢 液对气泡流股的携带作用进一步变差，多数气泡在水口 216 过 程 工 程 学 报 第 9 卷 附近就脱离钢液流股并上浮至水口附近破裂，故 1, 2 号 测点的液面波动加剧，而 3 号测点的波动减弱，4 号测 点由于离气泡流股较远，故液面波动基本未变. 由图 4 还可以看出，除−10o倾角的水口下液面平均 波高较大外，其他 3 个倾角下液面平均波高相差不大. 且在 3 个倾角中，−12.5o倾角下液面平均波高是最小的， 但 4 个测点的最大波高相对较大；而−15o的侧孔倾角下 液面平均波高较小且 4 个测点的最大波高最小，故−15° 为控制液面波动的最优水口侧孔倾角. -10 -11 -12 -13 -14 -15 -16 -17 -18 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Immersion depth of SEN: 140 mm 1# Gas flowrate: 4L/min 2# 3# 4# Mean Outlet angle of SEN (o) W av e- he ig ht (m m ) 图 4 水口侧孔倾角对结晶器液面波动的影响 Fig.4 Effect of outlet angle of SEN on the level fluctuation in mould 3.3 水口浸入深度对结晶器液面波动的影响 图 5 为水口浸入深度对结晶器液面波动的影响. 由 图可以看出，总体上，随着浸入深度的增加，4 个测点 的平均波高先减小后增大. 各测点的波高随拉速增大变 化规律也不同. 具体来说， 随着拉速的增加，1, 2, 3 号 测点的波高先减小后增大，4 号测点的波高则逐渐减小. 吹氩后，气泡流股分布在 1 号和 3 号测点之间，而弯月 面附近的 4 号测点几乎没有气泡到达. 随着水口浸入深 度的增大，撞击到窄面后向上的流股到达结晶器液面的 距离变大，流股到达液面时的动能损失较大而对液面冲 击减弱，故随着水口浸入深度的增大各个测点的波动逐 渐减小；随着浸入深度的进一步增加，由于气泡在钢液 中的行程变长，在钢液流的作用下，大量的小气泡更易 形成尺寸较大的大气泡并在气液界面破裂而使界面波 动加剧，故 1~3 号测点的波动加剧，而水口附近的 4 号 测点受气量影响较小，故随浸入深度的增加，波动进一 步减弱. 总体来看，140 mm 的水口浸入深度下 4 个测点的 平均波高及各测点的最大波高都是最小的，故其为控制 液面波动的最佳水口浸入深度. 需要说明的是，原则上，液面波动小，发生卷渣的 110 120 130 140 150 160 170 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 W av e- he ig ht (m m ) Immersion depth of SEN (mm) Outlet angle of SEN: -17.5° 1# Gas flowrate: 4 L/min 2# 3# 4# Mean 图 5 水口浸入深度对结晶器液面波动的影响 Fig.5 Effect of immersion depth of SEN on the level fluctuation in mould 概率就小. 本实验得到的优化工艺参数能较好地控制液 面波动，故这些工艺参数引起卷渣的几率较小. 但由于 吹氩条件下，宽厚板坯结晶器内的界面卷混行为比较复 杂，有关其内的卷渣机理及不同工艺参数对界面卷混行 为的影响规律还需作更进一步的深入研究. 4 结 论 利用物理模拟研究了吹氩条件下宽厚板坯结晶器 内的液面波动行为. 考察了吹气量、水口侧孔倾角及水 口浸入深度对结晶器内液面波动行为的影响规律. 结果 表明： (1) 结晶器吹氩后，界面波动明显加剧. 各个测点 的平均波高随吹气量的增加先增大后减小，对于本实 验，4 L/min 为控制液面波动的最佳气量. (2) 随着水口侧孔倾角的增加，各个测点的平均波 高先减小后增大. 对于本实验，−15°为控制液面波动的 最优水口侧孔倾角. (3) 各个测点的平均波高随水口浸入深度的增加先 减小后增大，对于本实验，140 mm 为控制液面波动的 最佳水口浸入深度. 参考文献： [1] 万晓光，韩传基，蔡开科. 连铸板坯结晶器浸入式水口试验研究 [J]. 钢铁，2000, 35(9): 21−23. [2] Teshima T, Kubota J, Suzuki M, et al. Influence of Casting Conditions on Molten Steel Flow in Continuous Casting Mold at High Speed Casting of Slabs [J]. Tetsu-to-Hagané, 1993, 79(5): 576−582. [3] 王妍，郑炜，朱立新，等. 宝钢一炼钢厂连铸机结晶器浸入式水 口吹氩的水模研究 [J]. 宝钢技术，2000, 6: 26−32. [4] 陆巧彤，杨荣光，王新华，等. 板坯连铸结晶器内液面波动的水 模型研究 [J]. 包头钢铁学院学报, 2006, 25(1): 13−17. [5] 张永亮，朱苗勇，张胜军，等. 浸入式水口堵塞过程板坯结晶器 内流动与液面波动的模拟 [J]. 特殊钢，2006, 27(5): 27−29. [6] 张胜军，朱苗勇，张永亮，等. 高拉速吹氩板坯连铸结晶器内的 增刊 1 郑淑国等：吹氩宽厚板坯连铸结晶器内液面波动行为的水模型研究 217 卷渣机理研究 [J]. 金属学报，2006, 42(10): 1087−1090. [7] Lu Q T, Yang R G, Wang X H, et al. Water Modeling of Mold Powder Entrapment in Slab Continuous Casting Mold [J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2007, 14(5): 399−404. [8] 何况年，肖寄光，韦耀环，等. 宽板坯连铸结晶器 SEN 结构和操 作参数优化试验研究 [J]. 钢铁, 2008, 43(1): 26−29. [9] Wang Z, Mukai K, Ma Z Y, et al. Influence of Injected Ar Gas on the Involvement of the Mold Powder under Different Wettabilities between Porous Refractory and Molten Steel [J]. ISIJ Int., 1999, 39(8): 795−803. [10] Singh V, Dash S K, Sunitha J S, et al. Experimental Simulation and Mathematical Modeling of Air Bubble Movement in Slab Caster Mold [J]. ISIJ Int., 2006, 46(2): 210−218. Study on Simulation of Level Fluctuation in Wide and Thick Slab Continuous Casting Mould with Argon Blowing ZHENG Shu-guo, ZHOU Hai-bin, ZHU Miao-yong (School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shengyang, Liaoning 110004, China) Abstract: A physical model was established to study the level fluctuation in a wide and thick slab continuous casting mould with argon blowing, and the effects of gas flowrate, outlet angle and immersion depth of submerged entry nozzle (SEN) investigated. The results showed that the average level fluctuations in the mould all had more than 1.2 times increase under the experimental gas flowrates than that without argon blowing. With the increase of gas flowrate, the average level fluctuation increased first and then decreased. While, the average level of fluctuation decreased to a minimum, then increased with the increase of outlet angle and immersion depth of SEN. Furthermore, the optimal process parameters to restrain the level fluctuation were obtained as follows: argon gas flow rate of 4 L/min, nozzle side port angle of −15° and nozzle submergence depth of 140 mm. Key words: wide and thick slab continuous casting mold; level fluctuation behavior; physical modeling