IF 钢结晶器液面波动控制研究与优化

2021-03-04张燕平姜仁波张玉秀

天津冶金 2021年1期

张燕平，姜仁波，张玉秀

（唐山不锈钢有限责任公司，河北063105）

0 引言

板坯连铸结晶器内，钢液流场以及液面情况对铸坯质量有着重要影响。结晶器钢液流场和液面的不稳定将影响保护渣的熔化和使用效果，从而导致铸坯缺陷的发生[1-4]。在板坯浇铸过程中，若结晶器液面波动剧烈，易将表面保护渣卷入钢水中，使得保护渣上浮不及时形成铸坯内卷渣；若结晶器液面波动微弱，则表明结晶器内流场上回流强度小，会导致结晶器内钢水对流换热条件差，液面热量得不到补充，不利于保护渣的熔化，使得保护渣液渣层厚度不足，润滑作用减弱，易导致铸坯表面裂纹的产生，甚至造成漏钢事故[5-7]。因此，为控制板坯结晶器液面波动范围，需要对影响液面波动的因素进行研究。

本文利用改进的插钉试验装置，测量结晶器内钢液流态和表面流速，确定拉速、浸入式水口（SEN）浸入深度等因素与结晶器内双环流和单环流的关系，并对某一断面下的浇铸参数进行优化。

1 试验方案

为了调查研究不同浇铸参数，如拉速、SEN 浸入深度等对结晶器内流态的影响，控制结晶器卷渣现象的发生，采用了插钉板试验法测量结晶器内钢液流态和表面流速，如图1 所示。插钉法试验主要步骤为：

（1）将插钉板垂直插入需要测量部位的钢水表面；

（2）保持钉子在钢水中3～5 s，当钢水流过钉子时，钢水会沿着钉子升高，与此对应钉子后部会产生一个负压差，钢水流过钉子时会形成一个高度差；

（3）移除钉子，空冷，等待粘在钉子上的钢水凝固。凝固的钢块会出现一个高度差，此高度差可以反映钢水流过该点的速度和方向。

图1 插钉法试验步骤示意图

图2 为插钉试验中用到的钉板示意图，为了避免影响现场的液位检测，钢钉采用不锈钢材质。试验测量时需在结晶器两侧同时插入，必须保证插钉板在操作过程中是垂直放下和提起。插钉板提起后，通过分析凝固在钢钉上的钢块高度差h、钢块直径d以及钢块高度差的方向θ（见图3），可以分析出流过该插钉周围钢水的流速和流向。其流速V 可由下式计算：

式中：V为钢水速度，m/s；d为凝钢直径，m；h为凝钢高度差，m。

图2 插钉法使用的插钉板及试验后钢钉上带出钢块示意图

图3 钢液流速方向定量示意图

2 实验结果与讨论

为研究不同断面条件下的拉速、SEN 插入深度、吹氩流量对结晶器钢水流态的影响，根据DOE设计原理选取4 因子3 水平的筛选试验，共计46种工况，测量钉板110 个。通过现场选取生产断面为1 050 mm×200 mm 的IF 钢，在拉速分别为1.1 m/min、1.6 m/min 时，研究了不同SEN 浸入深度对结晶器弯月面流速、液位分布及液位波动的影响。

2.1 拉速为1.1 m/min 时SEN 浸入深度对液面的影响

为了对比不同SEN 浸入深度下的液位分布，使用插钉凝钢高度的最大值代表液位的高度。由于试验过程无法保证结晶器两侧插钉板的插入深度一致，取归一化后的液位分布来对比SEN 浸入深度对液位的影响。图4 为拉速1.1 m/min 下，水口浸入为140 mm 和170 mm 深度时对弯月面轮廓的影响。

（1）由图4 可知，随着SEN 浸入深度的增大，水口附近的液位逐渐降低，窄面附近的液位逐渐升高；

（2）由图4（a）可以看出，在水口浸入深度为140 mm 时，弯月面速度整体是从水口流向窄面，形成单环流流向，液位由水口向窄面方向逐渐降低；

（3）由图4（b）可以看出，在水口浸入深度为170 mm 时，弯月面速度整体从窄面流向水口，形成双环流流向，结晶器液位沿着窄面向水口方向先降低后升高，在结晶器宽度的1/4 处液位最低。双环流下窄面和水口附近由于钢液环流的抬升作用，使得液位分布呈现先降低后升高的规律；

（4）由图4（a）和图4（b）可知，随着SEN 浸入深度的增加，水口附近钢液向上的抬升作用减小，因此在SEN 浸入深度变化的过程中，浸入深度为170 mm 时水口附近液位低于浸入深度为140 mm 时水口附近液位。

图4 拉速1.1 m/min 下，水口浸入深度对弯月面轮廓影响

图5（a）、（b）分别对比了拉速1.1 m/min 下，SEN 浸入深度为140 mm 和170 mm 时，结晶器液位分布及液位波动的情况。试验时插钉前后各稳定4 min 左右。结果表明在拉速1.1 m/min 的条件下，随着SEN 浸入深度的增大，液位波动变化较大。SEN 浸入深度为140 mm 时，液位波动基本在2 mm以内；SEN 浸入深度为170 mm 时，液位波动存在较大值（500 s 后为170 mm 深的数值）。

为定量分析水口浸入深度对结晶器液位波动的影响，试验选取了SEN 浸入深度分别为140 mm和170 mm 两种情况下的结晶器液位波动范围占比情况进行对比分析，其中结晶器液面波动区间分为小于1 mm、1～2 mm、2～3 mm 和大于3 mm 四个范围，具体如图6 所示。由图6 可以看出，浸入深度为140 mm 和170 mm 时，0～1 mm 和1～2 mm 范围内的液位波动比例相近；但SEN 浸入深度在170 mm时，2～3 mm 及大于3 mm 的液位波动比例明显高于SEN 浸入深度140 mm 时的波动比例。由此可知，140 mm 的插入深度对结晶器液位稳定更有利，因此实际生产中拉速较低时，SEN 浸入深度应控制浅一些。

图5 拉速1.1 m/min 下，水口浸入深度对结晶器液位的影响

图6 1.1 m/min 时水口浸入深度对结晶器液位波动比例影响

2.2 拉速1.6 m/min 时SEN 浸入深度对液面的影响

在不改变其他条件的情况下，增大拉速至1.6 m/min 时，SEN 浸入深度分别为140 mm 和170 mm时，流场形态均为双环流。图7 为拉速1.6 m/min下，水口浸入为140 mm 和170 mm 深度时对弯月面轮廓影响。

图7 拉速1.6 m/min 下水口浸入深度对弯月面轮廓影响

由图7 可知，与拉速1.1 m/min 时相比，当拉速增大，双环流随之增强，浸入式水口浸入深度的影响相对减弱，因此1.6 m/min 下弯月面速度分布整体增加。

图8（a）、（b）分别对比了拉速1.6 m/min 下，SEN浸入深度为140 mm 和170 mm 时，结晶器液位分布及液位波动的情况。试验时插钉前后各稳定4 min 左右。结果表明：在拉速1.6 m/min 的条件下，随着SEN浸入深度增加，液位波动相应增大，插入深度170 mm 的液位稳定性明显低于插入深度140 mm 的液位稳定性。SEN 浸入深度为140 mm 时，液位波动基本在2 mm 以内；SEN 浸入深度为170 mm 时，液位波动存在较大值（500 s 后为170 mm 深的数值）。

图8 拉速1.6 m/min 下水口浸入深度对结晶器钢液面的影响

图9 为拉速在1.6 m/min 时，SEN 浸入深度分别为140 mm 和170 mm 两种情况下，对结晶器液位波动范围占比情况的影响，其中结晶器液面波动区间分为了小于1 mm、1～2 mm、2～3 mm 和大于3 mm 四个范围。由图9 可知，浸入式水口浸入深度从140 mm 增大至170 mm 时，1～2 mm 液位波动比例分别为9.7%和14.6%。可以看出SEN 浸入深度为170 mm 时液位波动较为剧烈，因此在拉速1.6 m/min 时，SEN 浸入深度浅一些更有利于结晶器液位的稳定。