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宽板坯连铸结晶器内钢液流动与铸坯表面质量的关系研究

任磊  
【摘要】:本文采用水模型实验和工业实验相结合的方法,对原型断面为2040mmx200 mm,连铸钢种SUS304的宽板坯连铸结晶器内钢液流态、流场对称性、液而波动、液面流速、液面卷渣以及结晶器内的湍流特征(瞬时速度、脉动速度、湍流动能及耗散率、涡度、应力率、雷诺应力、相对静压力)等变化规律,气液两相流,以及连铸坯表面振痕、皮下各层夹杂物的分布规律进行了系统研究。通过对该厂宽板坯连铸结晶器内钢液流态、流场对称性、液面波动、液面流速、湍流特征的分析以及考虑卷渣条件,得出了优化结晶器内钢液流动的措施:水口浸入深度由160 mm增加至180-200 mm;水口出口角度由+5°改为0°;连铸拉速由0.8~0.85 m·min~(-1)提高至0.9~1.0 m·min~(-1)。该钢厂对于优化效果的考核指标为连铸坯表面修磨率,在优化前铸坯表面修磨率为100%,采取优化措施的炉次对应的铸坯修磨率降为30%。宽板坯连铸结晶器水-油模型中,油滴从油相脱离进入水中的主要方式为窄面弯月面受上升流冲击导致窄面局部裸露(没有油相覆盖),在油层较厚的部位油滴卷入结晶器内部。在水口浸入深度为50 mm时,若硅油粘度为5×10~(-5)m~2·s~(-1),滴脱离油相进入结晶器内部的临界拉速为0.60 m·min~(-1);若硅油粘度为1×10~(-4)m~2.s~(-1),油滴脱离油相进入结晶器内部的临界拉速为0.62 m·min~(-1);若硅油粘度为2×10~(-4)m~2·s~(-1),油滴脱离油相进入结晶器内部的临界拉速为0.65 m·min~(-1)。在拉速为0425 m·min~(-1)时,若硅油粘度为5×10~(-5)m~2.s~(-1),油滴脱离油相进入结晶器内部的临界水口浸入深度为44 mm;若硅油粘度为1×10~(-4)m~2·s~(-1),油滴脱离油相进入结晶器内部的临界水口浸入深度为35 mm;若硅油粘度为2×10~(-4)m~2.s~(-1),汕滴脱离油相进入结晶器内部的临界水口浸入深度为23 mm。现场插钉实验显示,宽板坯连铸过程中,内弧侧和外弧侧的液面高度以及液面流速并非完全一致,存在内弧侧与外弧侧流场不对称的情况,说明对称流不仅只是以水口为中心结晶器左右两侧流场的对称,还应包括以结晶器厚度方向中心面为对称中心,内弧侧与外弧侧流场的对称。宽板坯边部振痕与拉坯方向夹角变化是上升流对窄面处弯月面的冲击、结晶器振动、钢液凝固等综合因素造成的;振痕间距的变化是弯月面形状的变化在拉坯方向上的位移,理想振痕间距区间为5.96-9.96 mm。宽板坯表面的“褶皱”振痕形成机理为:在浇铸过程中某一时刻,由于弯月面处于气液两相交汇处,又与结晶器铜板接触,冷却条件较好,由于弯月面不同位置处热量传输的细微差异,温度较低的位置钢液开始凝固,凝固枝晶开始生成,此处钢液局部粘滞力增加,流动性变差,与结晶器铜板短时间内处于粘连状态,不能随弯月面其他纯液相同步自由变化,而是在较短的时间内与结晶器振动同步,使粘连部位动能增加,由于结晶器的振动,粘连的部分从结晶器壁很快脱落,增加的动能转化为波动,随着坯壳向下移动并生长,弯月面局部波动异常现象被永久的记录在铸坯表面,从而形成了局部的“褶皱”振痕。宽板坯表面“褶皱”振痕的形成过程中,由于其处于局部低温,凝固枝晶开始生成,形成的固液共存态粘滞力比周围钢液大很多,结晶器内夹杂物上浮过程中若进入“褶皱”振痕发生区被捕获的概率大大提升,在结晶器弯月面“褶皱”振痕越容易产生的地方,夹杂物越容易被捕获,该位置铸坯夹杂物越多,洁净度越差。而宽板坯内弧面皮下2 mm,尺寸大于10μm的夹杂物数量密度的结果验证了上述推论的正确性,间接地验证了本文提出的“褶皱”振痕机理的合理性。另外,宽板坯皮下5 mm处夹杂物数量最多,数密度最大,铸坯洁净度最差,说明结晶器中坯壳厚度为5 mm的位置夹杂物最容易被捕获。


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