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中薄板坯连铸钢液纯净度控制理论工艺与应用研究

王军  
【摘要】: 薄板坯连铸连轧工艺由于其流程短、单位投资少、能耗低和劳动生产率高等特点受到钢铁界的重视和关注。中薄板坯(厚度在100~170 mm)连铸是介于常规连铸和薄板坯连铸之间的一种铸机,其生产工艺和铸坯品质独特,过程工艺控制复杂。因此,如何控制中薄板坯连铸生产工艺以保证产品质量就显得尤为重要。针对目前中薄板坯连铸工艺生产存在的连铸钢液纯净度难于满足要求的问题,从中薄板坯连铸钢液精炼工艺研究、中间包钢液纯净化研究、结晶器内钢液流场与液面波动行为控制以及连铸钢液纯净度控制工艺现场应用研究等方面着手,采用现场应用试验与数理模拟相结合的研究方法对中薄板坯连铸生产工艺展开了全面的研究,主要研究内容和已获得的结果如下: (1)结合中薄板坯连铸现场生产过程,对中薄板坯生产用钢水的精炼工艺过程进行了现场在线优化实验研究,考察并优化了钢包顶渣改质、LF炉精炼和喂线等精炼工艺。结果表明:钢包出钢过程采用预熔型顶渣改质剂配加白石灰代替混合型改质剂,可明显提高顶渣碱度并降低Σ(MnO+FeO)含量,使回硫现象得到制止;LF炉精炼处理后的钢水综合质量较高,但LF炉精炼脱硫效率不高,其深脱硫工艺控制水平有待于进一步提高;根据钢水喂线量和[Als]含量之间的回归线性关系式确定喂线量,可有效控制钢水氧含量和夹杂物形态。 (2)利用相似原理,建立中薄板坯中间包内流体流动的水力学模型,通过对中间包内流体流动和停留时间分布特征的研究,考察了湍流控制器结构、拉速和多孔挡墙等对中间包内过程的影响规律,提出了适合现场生产用的最佳中间包控流装置组合方案;同时,利用连续性方程、动量方程、湍流模型方程和示踪剂传质方程建立了描述中间包内钢水流动的三维湍流数学模型,分析了水模型实验提出的最佳中间包控流装置组合方案下的中间包内钢水流场和停留时间分布规律,对多孔挡墙结构设置下的中间包内钢水流动特征也进行了考察,为进一步揭示中间包内的流动特征和验证最佳控流装置方案的合理性提供了理论依据,也为现场生产和优化操作参数提供指导依据。水模实验和数值模拟结果表明:最佳的控流装置组合结构为湍流控制器方形,坝与堰的距离540mm,堰高180mm,坝底缝200mm。在相同拉速(2.4 m/min)下,多孔挡墙设置下的中间包在不加湍流控制器时,其死区体积比为11.83%,加湍流器时降为9.1%,活塞流体积比由28.08%增至37.94%。 (3)通过水力学模拟实验与数学模拟结合的方法建立了描述结晶器内流体流动和钢(水)/渣(油)界面行为的三维数学与物理模型,分析了三孔浸入式水口的浸入深度、侧孔倾角和底孔直径以及拉速、结晶器宽度和吹氩等工艺参数对结晶器内流体流动、液面波动和卷渣行为的影响规律,给出了操作参数与流动和界面波动间的定量关系,并提出了优化和控制结晶器内流场和抑制钢/渣界面波动的措施。数学物理模拟的结果表明:在一定拉速下,增加水口浸入深度、侧孔倾角和底孔直径均能明显降低结晶器内流体界面速度和稳定液面波动;提高拉速明显加剧钢/渣界面波动和增加界面速度;吹氩则使水口附近的钢/渣界面波动加剧。拉速2.5 m/min时,最大界面速度由水口浸入深度100 mm时的0.53 m/s减至浸入深度160 mm时的0.16m/s,最大波高由界面破裂状态(100 mm)降至13 mm(160 mm);同样,最大界面速度由水口侧孔倾角向下10°时的0.58 m/s减至倾角向下25°时的0.17 m/s,钢/渣界面最大波高也由破裂状态降至10 mm;随水口底孔直径由Φ35×30 mm增至Φ35×45mm,界面亦由破裂状态到最大波高为11 mm,最大界面速度由0.44 m/s降至0.28m/s;拉速由1.8 m/min升至3.0 m/min过程中,最大波高由3 mm增至钢/渣界面破裂状态,最大界面速度亦由0.1 m/s增至0.51 m/s。 (4)在中间包和结晶器内流动行为模拟研究的基础上,进行了中间包湍流控制器和结晶器水口改进的现场在线工艺应用试验,对铸坯和成品材质量进行了系统分析,以进一步明确铸坯质量优劣和工艺改进效果;同时,对包晶钢连铸生产工艺也进行了在线优化研究。结果表明:铸坯中主要缺陷为中心疏松、中间裂纹和三角区裂纹;铸坯中条痕及起皮缺陷的存在主要是复合夹杂和保护渣等卷入钢液所致,改进水口密封碗和采用新型中间包覆盖剂等措施可有效消除此类缺陷。使用中间包湍流控制器的钢液混合段时间为4.11 min,钢液全氧去除率为24.06%,液面平稳,卷渣几率、钢液夹杂和气体含量均明显降低。通过调整结晶器水口底孔直径(由Φ35mm调整至Φ35×38 mm),水口絮结现象得到有效抑制,结晶器铜板寿命提高,过钢量提高50%,液面稳定,夹杂物总量降至0.0041%;此外,通过调整二冷配水量和使用低传热量的中碳保护渣,包晶钢铸坯质量合格率达98%。


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