宽厚板坯连铸过程非金属夹杂物的控制研究

【摘要】： 宽厚板产品在油气输送、船舶制造、桥梁工程、电站锅炉、压力容器、重型机械、海洋石油及军事工业中应用广泛。连铸过程的夹杂物控制已成为高品质宽厚板生产的关键环节。 中间包内钢液流动的合理控制对其内夹杂物的去除至关重要,而结晶器内钢渣界面波动与卷混行为的控制则是该连铸过程顺行与夹杂物控制的关键。因此,开展宽厚板中间包内去夹杂控流技术及结晶器内流场特性及界面行为研究具有重要的科学意义和现实指导意义。本论文结合国内某厂宽厚板生产线的实际,采用物理模拟和数学模拟相结合的方法对连铸中间包和结晶器内的过程进行了研究,提出了有效净化中间包钢液的控流方案和结晶器卷渣控制的水口参数并实施了现场应用研究。主要研究内容和研究结果如下： (1)结合宽厚板连铸中间包的实际,基于相似原理,选择模型与原形的弗鲁德准数相等建立了几何比1：2.5的中间包物理模型研究体系。结合该物理模拟系统,对修正前后的组合模型的流动特性分析结果进行对比研究,找出了最优的流动特性分析模型。结果表明：传统的组合模型在死区体积分数的计算上存在较大差异,用此来分析中间包流动特性会造成很大的偏差；而Sahai的修正组合模型能准确的计算死区体积分数,能较合理分析中间包内的流动特性。 (2)利用Sahai的修正组合模型考察了不同控流装置对中间包内钢液流场以及夹杂物去除效果的影响规律。结果表明：带顶缘和不带顶缘的抑湍器均能明显提高活塞区的体积分数,且死区体积分数也有不同程度的降低；与带顶缘的抑湍器组合的中间包出口附近的挡坝设计参数对中间包内钢液的流动特性有影响；与带顶缘的抑湍器组合的墙坝间距有一个控制钢液流动特性的最佳值。并利用计算机模拟对典型控流方案下中间包内的流场特性作出描述。在水模型研究和检验数学模型的基础上,进行综合分析研究,最终提出了有效提高钢水纯净度的中间包内控流装置。 (3)结合宽厚板连铸结晶器的实际,利用数学模拟和物理模拟相结合的方法考察不同工艺参数对结晶器内界面波动行为和内部流场的影响,并对结晶器内的钢渣卷混机理进行了探索。 (4)吹氩宽厚板坯结晶器内存在两种新的卷渣机理,即气泡群冲击卷渣和类旋涡卷渣,且在实验拉速范围内没有发现弯月面附近的剪切卷渣。在各铸坯宽度及对应的拉速范围内,吹气量小于4L/min时基本都不会发生卷渣。 (5)对于2200×280mm2断面宽厚板坯结晶器控制液面波动的最佳工艺参数如下：4L/min的吹氩量、-15°的水口侧孔倾角、140mm的水口浸入深度。 (6)宽厚板连铸的现场应用研究表明：连铸工艺参数改进后其夹杂物控制效果要明显好于改进前。改进后,中间包与铸坯中的夹杂物含量比改进前分别降低8%和20%；中间包和铸坯内典型夹杂物尺寸由改进前的30μm和15μm分别降至改进后的10μm和5μm。