关于中间包水口吹氩的水模拟试验

一、前言中间包水口吹氩,指的是在连铸浇钢时,在中间包水口处吹入氩气的一种工艺方法。关于中间包水口吹氩的试验研究,起初只是为了解决浇注铝镇静钢时的水口堵塞问     

中间包上水口环形吹氩下气泡大小和迁移行为研究

摘要：通过水模型实验研究了上水口环形吹氩工艺下中间包和结晶器内气泡形貌,并结合数值模拟分析了透气砖位置、拉坯速度和吹氩量对中间包和结晶器内气泡尺寸、气泡迁移和中间包近液面钢液流动的影响。结果表明：上水口环形吹氩形成以塞棒为中心的圆台状气泡羽流,气泡浓度沿径向向外逐渐减少;附壁效应使得气泡羽流偏向塞棒壁面流动,增大气泡的碰撞聚并概率和近塞棒壁面的羽流上升速度,对中间包液面产生较大冲击作用;同时,部分细小气泡会随钢液进入水口及结晶器内部;增大吹氩量,中间包内环形气泡羽流中气泡数目明显增多,中间包近液面钢液上升速度增大;增大拉坯速度,环形气泡羽流的宽度和气泡数量逐渐减小,近液面速度减小;增大透气环距水口中心距离,中间包内气泡弥散度增大,环形气泡羽流宽度也随之增大,气泡羽流对中间包液面冲击作用减弱;增大吹氩量和拉坯速度、减小透气环距水口中心距离,进入结晶器的气量和气泡尺寸逐渐增大。实验条件下,透气环内外径为110mm/140mm、拉坯速度为1.2m/min时,吹氩量为4L/min较为合适。     

宽板坯连铸结晶器内氩气分布的水模型

 针对塞棒、上水口吹氩时,吹入的氩气有多少进入到结晶器钢水内和氩气在结晶器断面上如何分布的问题,采用1：1水模型,重点研究了吹气量、吹气方式、拉速、浸入式水口倾角等工艺参数对不同宽度结晶器内气体分布状况的影响。结果表明,吹气量和吹气方式对结晶器内气体分布几乎没有影响,而拉速和水口倾角基本上就决定了宽度方向上的气体分布状况。小的结晶器断面宽度、小的水口倾角、高拉速时窄面附近含气比例更高,氩气泡更易被凝固坯壳所捕捉而使铸坯产生气泡缺陷。     

连铸板坯浸入式水口吹氩工艺研究

研究了浸入式水口吹氩工艺对铸坯质量的影响。进行了实验室物理模拟,实施了改进浇注条件下单流连铸机稳态与非稳态下的现场试验研究。分析结果表明,目前在连铸板坯浸入式水口吹氩工艺设置上存在一定误区,应将水口不堵塞作为吹氩工艺设置的最终目标,而吹氩造成的液面波动等情况可作为实际控制时的间接参考依据。实际吹氩量标准大断面临界吹氩量可稍大,同样断面条件下,高拉速吹气量设置小而低拉速则吹气量设置大。在保证生产顺行情况下,通过对结晶器吹氩气量的优化设置,可减少铸坯针孔等缺陷的产生。     

连铸保护浇注工艺改进

通过改进长水口机械手结构,采用一种新型浸入式开浇长水口,开浇前进行包盖吹氩、浇注过程中对长水 口、浸入式水口板间进行吹氩保护,避免空气进入钢包注流、中间包冲击区、开浇初期钢水、中间包注流等区域,防 止钢水二次氧化,减少了浇注过程中钢水铝损和钢中［N］质量分数,提高了连铸坯质量。     

浇铸参数对结晶器液面波动影响及其工业应用

 板坯连铸结晶器液面的波动行为是结晶器内钢液流动、结晶器自身振动以及辊子挤压铸坯内部未凝固的钢液造成液面波动综合作用的结果。结晶器液位波动的稳定性对板坯连铸过程的卷渣行为有直接影响。在工业板坯连铸生产实践中,一般在结晶器某一区域(比如结晶器中部)利用放射源或涡流传感器检测液位波动来代表该工况下的整体波动水平。利用三维气液两相流动的数学模型研究了浇铸参数对结晶器液位轮廓的影响,浇铸参数包括拉速、吹氩流量、浸入式水口出口角度和浇铸断面。研究结果表明,结晶器不同宽度位置的波动幅值差异较大,且与工艺参数密切相关。液面的波峰与波谷之差随着拉速的增加在窄面附近逐渐增大,随着吹氩流量的增加在水口附近逐渐增大。在水口出口角度15°条件下,水口和窄面附近的液位波动均较大,而在水口出口角度45°条件下,仅在水口附近存在较大的液位波动。研究结果表明,使用板坯连铸常规的15°浸入式水口,当铸坯宽度大于800 mm时,结晶器液面检测需要在水口和窄面附近同时布置液位检测设备,以便更全面反应结晶器的真实液面行为,使液面波动对轧板表面质量指导性增强,有效提高连铸工艺的控制水平。如使用45°浸入式水口可以继续沿用原有的液位检测布置。     

板坯结晶器内吹氩工艺研究

阐述了使用水模研究结晶器吹氩的方法,并在全比例水模型上采用15°凹底水口进行模拟,着重研究结晶器吹氩对板坯结晶器内钢/渣界面流态的影响,以及结晶器宽度、拉坯速度、水口浸入深度等工艺参数对结晶器内气泡分布的影响.     

上水口环形吹氩对中间包内渣眼形成的影响

 中间包上水口环形吹氩可以在塞棒周围形成清洗钢液的环形气幕,同时部分氩气泡随钢液进入上水口内,可以减少非金属夹杂物在水口内壁的黏附,起到防止水口堵塞的作用。然而,不合理的吹氩量会导致中间包内液面渣层受过强的气液羽流冲击而形成渣眼,使得钢液裸露并发生二次氧化,严重影响铸坯质量。采用标准 k ε 湍流模型研究中间包内流体流动,采用DPM模型和VOF模型耦合方法,研究上水口环形吹氩条件下渣眼的形成及演化规律。结果表明,上水口环形吹氩在塞棒周围形成较强的上升流,塞棒上部邻近区域存在多个涡流区;在钢液涡流的影响下,中间包液渣下层远离塞棒区域,上层向塞棒区域迁移;随着吹氩量的增大,平均湍动能增大,塞棒附近钢液速度逐渐增大,钢渣界面钢液速度先增大后减小,渣眼边缘钢液速度先增大后减小然后再增大,速度与垂直方向夹角逐渐减小;增大吹氩量,中间包熔池液面形成以塞棒为中心的渣眼,渣眼面积逐渐增大。试验条件下不产生渣眼的临界吹氩量为4.2 L/min,对应的钢渣界面最大速度为0.247 m/s,与垂直方向夹角为70°。     

连铸浇注过程滑动水口开度控制及喷钢分析

为改善钢包滑动水口反馈控制存在的滞后问题，基于伯努利原理研究了影响滑动水口开度的因素，提出水口开度前馈-反馈控制方案；分析了换包初期长水口与下水口接缝位置的喷钢原因及影响因素。结果表明，在恒拉速条件下，钢包液位逐渐降低，为了稳定中间包液面高度，需要增加滑动水口开度；减小滑动水口及长水口直径、增大水口吹氩速度均会增加钢液流经水口时的压力损失，而长水口浸入深度对钢液压力损失没有影响。开浇时，长水口内气体受钢液压缩及加热影响而压力增大，导致喷钢。采用喇叭型长水口及减小浸入深度可以使得水口内压力变小，降低喷钢现象发生的概率。本研究对实现滑动水口开度的在线实时稳定控制、提高中间包液面稳定性以及提高钢液质量有重要作用。     

开浇第一炉连铸坯夹杂物形成原因与控制措施

应用氮成分分析、Al烧损分析、硫印分析等分析方法,研究了转炉—LF—RH—连铸机生产宽厚板连铸坯开浇第一炉夹杂物形成原因及控制措施。结果表明,通过优化软吹工艺、增设中间包吹氩、减少开浇出苗时间、提高开浇操作水平、快速提拉速与减少浸入式水口插入深度,开浇第一炉连铸坯夹杂物含量比原来明显减少;同时,第一炉表面夹杂缺陷率大大降低,由优化前的42.1%降低为10.5%;铸坯中夹杂物在厚度方向上分布不均匀,铸坯厚度1/4处夹杂物较多,铸坯厚度中心有夹杂物聚集现象;在铸坯宽度方向的边部,钢中所含夹杂物较少;在铸坯宽度方向1/4处,钢中夹杂物显著增多;在铸坯中部,夹杂物明显增加。     

Effects of clogging, argon injection, and continuous casting conditions on flow and air aspiration in submerged entry nozzles

The inter-related effects of nozzle clogging, argon injection, tundish bath depth, slide-gate opening position, and nozzle-bore diameter on the steel flow rate and pressure in continuous-casting slide-gate nozzles are quantified using computational models of three-dimensional (3-D) multiphase turbulent flow. The results are validated with measurements on operating steel continuous slab-casting machines and are presented for practical conditions with the aid of an inverse model. Predictions show that initial clogging may enhance the steel flow rate due to a potential streamlining effect before it becomes great enough to restrict the flow channel. The clogging condition can be detected by comparing the measured steel flow rate to the expected flow rate for those conditions, based on the predictions of the inverse model presented here. Increasing argon injection may help to reduce air aspiration by increasing the minimum pressure, which is found just below the slide gate. More argon is needed to avoid a partial-vacuum effect at intermediate casting speeds and in deeper tundishes. Argon flow should be reduced during shallow tundish and low casting speed conditions (such as those encountered during a ladle transition) in order to avoid detrimental effects on flow pattern. Argon should also be reduced at high casting speed, when the slide gate is open wider and the potential for air aspiration is less. The optimal argon flow rate depends on the casting speed, tundish level, and nozzle-bore diameter and is quantified in this work for a typical nozzle and range of bore diameters and operating conditions.     

210 t BOF-RH-CC炼钢过程无取向硅钢XG800WR洁净度的试验研究

两炉次无取向硅钢XG800WR(/%:0.003～0.004C、0.71～0.75Si、0.32～0.33Mn、0.004～0.007S、0.016P)的炼钢流程为铁水预处理(KR)-210 t顶底复吹转炉-钢包吹氩-RH脱碳精炼-230 mm×1220 mm板坯连铸。53 t中间包钢水过热度为25～30℃,钢包到中间包采用长水口全程吹氩保护浇铸,中间包至结晶器采用浸入式水口浇铸。结果表明,在RH、中间包、结晶器过程中钢中总氧以及夹杂物数量和尺寸均明显降低;但在钢包到中间包过程T[O]、[N]和钢中夹杂物数量增加,说明长水口浇铸过程存在二次氧化。连铸坯中T[O]、[N]平均他分别为11×10^-6和30×10^-6,显微夹杂物数量平均为4个/mm~2。铸坯中的显微夹杂物主要为3～5 μm的AIN,同时存在少量的MnS、Al₂O₃·AIN和Al₂O₃·MgO·MnS。     

异型坯连铸长水口浸入深度对36 t中间包流场和温度场的影响

通过建立的中间包钢液流动传热三维耦合数学模型,采用FLUENT软件模拟研究了H-型钢用三流异型坯连铸长水口浸入深度(100~200 mm)对36t中间包Q235B钢水(0.12%~0.20%C)流场和温度场的影响。结果表明,随长水口浸入深度的增加,中间包内钢水自由液面波动有减少趋势;中间包各流出口钢水平均停留时间差和各流钢水出口温度差显著增大;该中间包异型坯连铸过程合适的长水口浸入深度约为125 mm。     

1 850 mm×230 mm板坯连铸结晶器流场与温度场数值模拟

为研究连铸工艺参数对结晶器内部钢液的作用规律,对涟钢1 850 mm×230 mm板坯连铸结晶器流场和温度场进行了系统的数值模拟,研究了不同吹氩量(0～7 L/min)、不同水口浸入深度(110～150 mm)和不同拉速(0.9～1.2 m/min)对结晶器内钢液行为的综合影响。结果表明,随着吹氩量增加,自由液面的钢液流速和温度总体呈现降低的趋势;随着水口浸入深度增加,自由液面的钢液流速先降低后增加;随着拉速增加,自由液面的钢液流速增加;水口浸入深度和拉速对温度场的影响较小。当吹氩量为5 L/min、水口浸入深度为130 mm、拉速为0.9 m/min时,结晶器自由液面具有较小的钢液流速和湍动能,同时液面具有较好的温度均匀性。通过数值模拟研究,为合理选择结晶器相关工艺参数提供了理论依据。     

Study on dimension and migration behavior of bubble under annular argon blowing at tundish upper nozzle

The water model experiments were carried out to study the bubble morphology in the tundish and mold with the process of annular argon blowing at tundish upper nozzle. The effects of the position of gas permeable brick, the casting speed and the argon flow rate on the bubble size distribution, the bubble migration behavior and the flow behavior of liquid steel near the liquid level in tundish were further investigated, coupled with the numerical simulation. The results show that with the process of annular argon blowing at tundish upper nozzle, a frustum cone shaped bubble plume can be formed around the stopper rod. The concentration of argon bubbles gradually decreases outward along the radial direction of the stopper rod. Owing to the wall attached effect, the bubble plumes float upward along the stopper rod, which can increase the collision probability between bubbles and the velocity of bubble plumes, causing a larger impact strength on the liquid level in tundish. In addition, a part of small bubbles are wrapped into the nozzle and the mold due to the drag force of liquid steel. With increasing argon flow rate, the number of bubbles in annular bubble plumes and the vertical velocity of liquid steel near the liquid level in tundish increase significantly. With increasing casting speed, the width and the bubble number of annular bubble plumes gradually decrease, leading to a decrease of the vertical velocity of liquid steel near the liquid level in tundish. Increasing the distance between the annular gas permeable brick and the center of tundish upper nozzle, the dispersion of bubbles and the width of bubble plumes increase, and the impact strength of bubbles acting on the liquid level in tundish becomes weaker. As the argon flow rate and the casting speed increase, and the distance between the gas permeable brick and the center of tundish upper nozzle decreases, the gas volume and bubble size in the mold increase. Under the experimental conditions, when the inner and outer diameters of the annular gas permeable brick are 110mm and 140mm, respectively, and the casting speed is 1.2m/min, the appropriate argon flow rate is 4L/min.     

板坯连铸结晶器内钢液表面流速的水模型研究

以承德钢铁厂板坯连铸结晶器为原型,采用1∶1的水模型进行试验,研究了拉速、浸入式水口出口角度、水口浸入深度、水口底面结构及结晶器断面宽度等工艺参数对板坯结晶器内表面流速的影响。结果表明:拉速对表面流速的影响最大,随着拉速的提高,结晶器内钢液表面流速明显增大,当断面宽度为1 650 mm,拉速由0.7 m/min提高到1.4 m/min,表面流速由0.04 m/s提高到0.1 m/s;波浪面结构的浸入式水口表面流速效果最优。     

板坯结晶器内流场作用下钢液传热凝固的数值模拟

以钢厂230 mm×2 150 mm板坯连铸机为研究对象,通过三维数值模拟分析了拉坯速度(0.8～2.3m/min)、水口浸入深度(100～200 mm)、铸坯宽度(1 100～2 150 mm)对结晶器内流场作用下的钢液传热、凝固特征的影响。结果表明,拉坯速度等参数变化不会改变结晶器内钢液流动的基本特征,但会显著影响到结晶器内窄边坯壳的发育状况。水口浸深、铸坯宽度和拉坯速度的变化对于结晶器熔池液面钢水过热度也有不同程度影响:小断面,大拉速和水口浸入深度较小时熔池液面过热度较大,最大达6.2 K。     

0.12%~0.16%C铬钼钢连铸板坯表面纵裂的控制

12Cr2Mo,14CrMo和15CrMo钢的生产流程为铁水-110t BOF—LF—VD-300 mm×（1700~2400）mm板坯CC工艺。分析了钢中碳含量,Mn/S,结晶器倒锥度,结晶器冷却工艺和保护渣,浸入式水口插入深度等因素对连铸板坯表面纵裂的影响。通过将优化前3种钢的结晶器倒锥度1.10优化成12Cr2Mo钢1.20,14CrMo钢1.15,15CrMo钢1.10,浸入式水口的插入深度由原先的170~180 mm调整到140~150 mm,使用粘度较低的保护渣（碱度1.25,1300℃粘度0.129 Pa·s）,以增加渣液的流动性,连铸板坯表面纵裂缺陷得到了有效的控制,纵裂率由原先的8.9%降低到优化后的3.2%。     

吹氩连铸结晶器液面波动行为的时频分析

时频分析是一种研究波动信号特征、揭示波动现象内在机理的有效方法。将时频分析方法应用于吹氩连铸结晶器内的液面波动特性研究,采用水模型试验获取液面波动数据进行时频分析,研究吹氩量、拉速、水口浸入深度和结晶器宽度等工艺参数对液面波动行为的影响,探究液面波动的内在机理。结果表明,振幅较高的频率集中在0～2.5 Hz,其中振幅最大的主频率位于0.1 Hz附近,此外1.5 Hz和2.5 Hz处也存在较高的峰值;通过时域分析发现,增大吹氩量和拉速、或减小水口浸入深度和结晶器宽度将加剧液面波动;通过频域分析发现,拉速、水口浸入深度、结晶器宽度与液面波动主频率有较强的关联性,说明三者均与液面波动的主要振动源高度相关。