薄板坯连铸结晶器内保护渣卷渣的研究

蒋实

本研究主要是用结晶器水模来模拟结晶器内流场，研究薄板坯结晶器内卷渣机理，得出其主要卷渣方式为切向卷渣，涡旋卷渣，氩气冲击钢渣界面的卷渣，并考察操作参数对卷渣的影响，即拉速越大，浸入深度越浅，吹氣量越大，卷渣可能性越大。从而提出避免卷渣的改进措施。

1 研究内容

基于相似原理，采用1：1的水模型模拟了薄板坯连铸结晶器内液模界面的流场。采用水工数据采集系统对结晶器液位波动进行了测量，并结合实测数据对薄板坯连铸结晶器进行了研究。内保护渣的卷渣机理，研究各工艺参数，即吹气量，浸入深度，拉速等，对保护渣卷入方式及卷入位置的影响，并优化相关工艺参数。

2 连铸水力模型基本原理

根据相似原理，对不可压缩粘性流体的稳定等温流动，应保证模型与实物中的雷诺准数Re和弗鲁德准数Fr相等，韦伯准数成比例。采用1：1的水模型，对于动力相似，由于实际结晶器和所选的水模型中液体流动状态均已处在第二自模化区，故只要保证Fr相等即可实现两者的动力相似。

3 实验结果及分析

3.1 拉速的影响

1）拉速对波高的影响

随着拉速的增大，在结晶器宽度方向各个测点的平均波高相应的有不同程度的增加，说明拉速越大保护渣表面波动幅度越大，卷渣发生的可能性越大。

2）拉速对渣层的影响

随着拉速的增加，保护渣层越来越容易被冲开，出现钢液面裸露，这是因为随着拉速的增加，表面流速加快，波动越来越剧烈，由于两股回流的作用，在弯月面附近形成驻波，对结晶器渣层产生剪切作用，导致结晶器渣向中心堆积，经过一段时间后，结晶器狭窄表面附近的渣变薄，导致钢水暴露表面。

另外，随着拉速的增大，两股回流流速逐渐增大，相应的剪切力的作用也同时增大，在中间处堆积的厚渣层在剪切力的作用下，卷渣量和卷渣深度逐渐增加，形成了剪切卷渣，一般情况下，当拉拔速度较小时，主要是回流引起的涡旋卷渣，当拉速提高到4.5m/min以上时，保护渣会明显的向宽面中心区堆积，在距中心区250mm的区域形成一个厚渣层，它受到回流的剪切作用，液渣以切向进入钢液流场中，被卷入的保护渣，随着拉速的增大，很难再浮出到表面渣层，严重影响钢坯质量。

3.2 水口浸入深度的影响

1）浸入深度对波高的影响

随着浸入深度的减小，在结晶器宽度方向各个测点的平均波高反而都有不同程度的增加，说明浸入深度越小，保护渣表面波动幅度越大，卷渣发生的可能性越大。

2）浸入深度对渣层的影响

随着浸入深度的增大，模拟的保护渣层越来越趋于平稳，但是当浸入深度小于100mm时，渣层很容易就被冲开，这是因为，在水口浸入深度较小的情况下，水口出口距离模拟保护渣层的距离也较小，从而导致了上回流的强度增加，使两回流间的切向剪切力增大，使得保护渣向中心堆积，于是经过一定时间后，渣面会被冲开。当浸没深度为100 mm时，结晶器中心处的宽边处出现了厚渣层。厚渣层的出现直接导致厚渣层底部切向结渣，在调整过程中可发现结渣现象。随着浸没深度的减小，厚渣层是逐渐出现，并且逐渐从渣面向结晶器中心方向移动。随着浸入深度的减小，卷渣量逐渐增加，尤其是在实验的最低浸入深度下，即100mm，会发生切向卷渣，卷渣量较大，在实际生产过程中应加以避免。

3.3 吹气量的影响

1）吹气量对波高的影响

浸入式水口吹入Ar后，由于气泡的上浮和破裂，对液面产生较大的冲击和搅动，尤其在水口附近，故吹入Ar时液面波动更剧烈，且Ar流量越大液面波动越大。

2）吹气量对渣层的影响

无气时，钢液沿着侧壁上流到弯月面后，经表面水平流动后下落形成上回流，由于两股流的剪切力使弯月面处的渣层最薄弱。吹气量由0增至0.3m?/h，钢液流动状态，和钢渣界面形状均发生了明显变化，射流对窄边的冲击点明显向上移动，钢液因受气泡向上浮起后的托举作用而使界面升高，并沿着上表面逐渐向水口运动，且最终在水口出口附近形成一个较小的回流区，这导致上回流的涡旋中心从水口与宽面之间移动到水口出口附近，且靠近水口出口附近的液面波动加剧。由于气泡的上浮作用，抽取了部分在出口附近射流的钢液滴，从而引起钢液的弯月面处的流速降低，界面波动相对减弱。

吹气量的增加显著改变了钢液的流动形态和渣层分布。气泡浮力越大，向上运动的钢液越多、造成了结晶器表面的回流区几乎消失，同时气泡对液面的扰动更为强烈。这种由大量气泡吹入而造成流动形态改变的后果是——表面不稳定，湍流增加。进而增加的渣进入钢液的可能性，引起卷渣。但是同时，大的吹气量也容易使进入钢液的渣上浮回到渣层中，而控制气量的大小，使两者同时兼顾是很重要的。所以为防止浸入式水口粘结和堵塞，实际生产浇铸低碳或者超低碳铝镇静钢时，通常在中间包水口，滑板或浸入式水口处向钢液内吹氩。而大多数薄板坯连铸由于冷却快，一般不用吹氩。

4 结论

（1）增大拉速，减小水口浸入深度均会增大表面波动，即增大结晶器内的卷渣倾向。

（2）浸入深度越小，保护渣表面波动幅度越大，卷渣发生的可能性越大。

（3）随着水口吹Ar通入量的增大，液面的波动会增大，但在结晶器不同宽度位置上不尽相同，吹Ar量视浇铸钢种而定。

（作者单位：河南安阳钢铁集团有限责任公司第二炼轧厂）