連鑄鋼產(chǎn)品的質(zhì)量取決于結(jié)晶器鋼液流動(dòng)模式(MFFP)， MFFP取決于連鑄機(jī)參數(shù)：結(jié)晶器寬度、連鑄拉速和氬氣流量。在這些參數(shù)的變化過(guò)程中，未到最優(yōu)的MFFPs會(huì)引起彎月面板處的湍流，增加鋼中非金屬夾雜物(NMI)造成產(chǎn)品清潔度惡化。為了揭示連鑄工藝參數(shù)對(duì)MFFP的不利影響，采用釘浸法測(cè)量MFFP并進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬。然后，MFFP與沿鑄坯寬度方向的NMI類型和位置相關(guān)。提出了一種新的參數(shù)映射來(lái)助力連鑄的控制和優(yōu)化，以獲得更高的鋼產(chǎn)品潔凈度。
在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，結(jié)晶器內(nèi)流體(鋼液和吹掃氣體)的傳輸現(xiàn)象在很大程度上決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量。注入吹掃氣體，如Ar(氬氣)，以防止環(huán)境空氣進(jìn)入并與鋼發(fā)生反應(yīng)(二次氧化和氮?dú)馕?/span>)，并清除堵塞浸入式水口(SEN)端口的氧化物。結(jié)晶器內(nèi)的鋼水流動(dòng)取決于鋼液從浸入式水口SEN流入結(jié)晶器狀況、結(jié)晶器液渣層沿彎月面(鋼液/結(jié)晶器保護(hù)渣界面)流動(dòng)、Ar的浮力向上流動(dòng)以及Ar流輔助推動(dòng)下的鋼液流動(dòng)。因此，連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)由(a)結(jié)晶器寬度，(b)連鑄拉速和(c)給定的結(jié)晶器保護(hù)渣(已知的相穩(wěn)定性和物理特性)和SEN(恒定的SEN孔設(shè)計(jì)、床層深度/形狀和端口尺寸、角度和浸沒(méi)深度)下的Ar氣體流量決定。典型的結(jié)晶器流型有雙輥式流型DRF、不穩(wěn)定多輥式流型URF和單輥式流型SRF。[1,2]對(duì)于各自的MFFP，最終產(chǎn)品中出現(xiàn)的缺陷是(a) 雙輥式DRF：結(jié)晶器保護(hù)渣條和鋁基碎片、渣斑和氣孔；(b) 不穩(wěn)定多輥式URF：結(jié)晶器保護(hù)渣條、夾雜鋼條、煉鋼夾雜物和氣泡；(c) 單輥式SRF：結(jié)晶器保護(hù)渣條和鋁基碎片以及氣泡。這些缺陷(渣條、夾雜鋼長(zhǎng)條、渣斑點(diǎn)、氣泡)是連鑄產(chǎn)品中非金屬夾雜物與下游操作工藝(如連鑄、軋制和卷取)相互作用的結(jié)果，不僅影響表面質(zhì)量，而且影響最終產(chǎn)品的性能。鋼的夾雜物含量也稱為鋼的潔凈度標(biāo)識(shí)，因此，連鑄條件從本質(zhì)上影響著鋼的清潔度，對(duì)于給定的連鑄操作，優(yōu)化的MFFP可以生產(chǎn)出清潔度較高的連鑄坯。
鋼中夾雜物的來(lái)源有外源的(如容器內(nèi)襯耐火材料脫落、裹渣和二次氧化產(chǎn)物)和內(nèi)源的(如煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的)。從連鑄結(jié)晶器的角度來(lái)看，夾雜物可以分為外來(lái)進(jìn)入的夾雜物(類型 1)和新形成夾雜物(類型 2)。在圖1中，描述了影響連鑄坯清潔度的夾雜物的可能來(lái)源。[3] 下面列出了各自的夾雜物類型和來(lái)源。
圖1 影響連鑄產(chǎn)品清潔度的夾雜物來(lái)源和種類
類型1夾雜物起源于：
?鋼包/中間包裹渣(EX)。
?鋼水從鋼包到中間包或中間包到結(jié)晶器過(guò)程中的二次氧化(EX)。
?Ar氣泡被捕獲(EX)。
?夾雜物改性后的復(fù)合氧化鋁夾雜物(EN)。
類型2夾雜物起源于：
?結(jié)晶裹渣(EX：(i)保護(hù)渣爬行，(ii)氬氣泡相互作用，(iii)渦流形成，(iv)剪切層不穩(wěn)定)。
?浸入式水口SEN侵蝕及其與類型1夾雜物的二次反應(yīng)。
?浸入式水庫(kù)SEN結(jié)瘤(EX)。
?來(lái)自彎月面處裸露形成二次氧化(EX)。
因此，生產(chǎn)清潔連鑄坯的方案將以根除類型1夾雜和禁止類型2夾雜的形成為目標(biāo)。然而，該方案涉及對(duì)結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)多相流體流動(dòng)的全面理解，浸入式水口SEN和結(jié)晶器保護(hù)渣的科學(xué)材料設(shè)計(jì)，以及任何操作二次氧化的預(yù)防。僅了解瞬態(tài)多相流體流動(dòng)就需要復(fù)雜的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)建模、物理建模(水或液態(tài)金屬模型)和工廠試驗(yàn)。這樣的綜合研究既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢(qián)，因此，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，了解MFFP作為工藝變量的函數(shù)及其與鑄坯質(zhì)量的關(guān)系，可以作為排除故障和工藝優(yōu)化的寶貴工具。
在目前的研究中，MFFPs將解釋有關(guān)連鑄變量(結(jié)晶器寬度，連鑄拉速和Ar流量)。將討論MFFP的測(cè)定方法，即浸釘法(NDM)和棒材偏轉(zhuǎn)法(RDM)。本文將詳細(xì)闡述EVRAZ Regina Steel公司用于結(jié)晶器不變寬度情況下MFFP測(cè)定和演變的NDM的實(shí)施，最后，MFFP的演變將與鑄坯的清潔度相關(guān)。
模態(tài)流型域映射
如前所述，典型的MFFP是雙輥式DRF、不確定輥式URF和單輥式SRF。針對(duì)特定的結(jié)晶器，Kunstreich和Dauby[4]以及Kunstreich等人[5]分別以連鑄拉速和板坯寬度為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)開(kāi)發(fā)了MFFP域圖。這些區(qū)域圖是根據(jù)恒定的氬氣流量和浸入式水口SEN設(shè)計(jì)/浸沒(méi)深度繪制的。Dauby[1]認(rèn)為連鑄產(chǎn)品的潔凈度與MFFPs (DRF、URF和SRF)有關(guān)。
圖2a是連鑄結(jié)晶器的代表MFFP域圖；然而，Ar的貢獻(xiàn)尚不清楚。因此，為了捕捉Ar對(duì)MFFP的影響，必須在修改的MFFP域圖中加入第三個(gè)軸，如圖2b所示。由于連鑄機(jī)操作變量(結(jié)晶器寬度、Ar流量和連鑄拉速)的組合，在連鑄機(jī)結(jié)晶器中形成的MFFP可以在三維域中表示。在這個(gè)域中，頂點(diǎn)的MFFP(深綠色：最大Ar流量和最小連鑄拉速)將導(dǎo)致SRF，逐漸變?yōu)?/span>URF(綠色梯度：中等Ar流量和中等連鑄拉速)，最終變?yōu)?/span>DRF(白色：最小Ar流量和最大連鑄拉速)。Deng等人[6]提出，URF模式范圍是由DRF和SRF組成的組合，其比值(DRF：SRF)與連鑄拉速和結(jié)晶器寬度成正比。相應(yīng)區(qū)域的面積將隨著結(jié)晶器寬度的變化而變化，而被認(rèn)為是SRF和DRF模式之間過(guò)渡的URF區(qū)域?qū)l(fā)生變化。因此，為了保持鑄坯的質(zhì)量，必須在澆鑄過(guò)程中正確設(shè)置和控制連鑄變量。為了可視化MFFP轉(zhuǎn)換，圖2c給出了MFFP (IMMFP)域圖的一個(gè)代表性的相同結(jié)晶器寬度截面。在沿AB方向的IMMFP圖ABC中，Ar流量從A(100%最大吹掃)降低到B(0%最小吹掃，單相CFD模擬中經(jīng)常出現(xiàn)這種情況)。沿著AC，連鑄拉速?gòu)?/span>A(0.4m/min)增加到C(1.4m/min)。以X點(diǎn)為例，連鑄變量為70%的Ar流量，連鑄拉速為0.6 m/min，這將導(dǎo)致UR狀態(tài)的出現(xiàn)。隨后，如果Ar流量降低到40%，連鑄狀態(tài)將轉(zhuǎn)移到位于DRF狀態(tài)的Y點(diǎn)。應(yīng)該指出的是，MFFP狀態(tài)之間的劃分并不像圖示所示的那樣嚴(yán)格。結(jié)晶器MFFP的嚴(yán)重程度必須通過(guò)檢查下游產(chǎn)品(如板坯、帶鋼、薄板或鋼管)的質(zhì)量或進(jìn)行試驗(yàn)，與鑄坯產(chǎn)品的潔凈度相關(guān)聯(lián)。在連鑄過(guò)程中，中間包或結(jié)晶器液位的無(wú)意中的下降會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)液態(tài)鋼水量(連鑄拉速)的瞬態(tài)不平衡，從而導(dǎo)致MFFP的變化。MFFP的瞬態(tài)變化影響了澆鑄中類型1和類型2夾雜的數(shù)量。因此，在本研究中，這種不平衡將在一定的中寬鑄坯澆鑄中得到強(qiáng)調(diào)。
圖2 (a) 以結(jié)晶器寬度和連鑄拉速為軸的結(jié)晶器狀態(tài)(MFFP)域圖，(b) 以吹Ar流量為第三軸的三維MFFP空間，(c) 同等結(jié)晶器寬度MFFP (IMFFP)域圖
由于連鑄機(jī)結(jié)晶器的不透明和高溫條件，IMFFPs的測(cè)定具有挑戰(zhàn)性。因此，已經(jīng)發(fā)展了幾種工業(yè)方法來(lái)探測(cè)彎月面上或附近某一特定點(diǎn)的液體流動(dòng)。在下一節(jié)中，我們將討論一些流行的方法。
結(jié)晶器鋼水流動(dòng)模式的確定
結(jié)晶器鋼水流動(dòng)模式MFFP可通過(guò)在彎月面插入物理探針(如NDM或RDM)或使用電磁傳感器測(cè)量鋼液流動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)電流來(lái)識(shí)別。在圖3中，介紹了通過(guò)探測(cè)彎月面NDM[7~9]或RDM[10,11]來(lái)測(cè)定連鑄結(jié)晶器中鋼水流速的技術(shù)。
圖3 結(jié)晶器示意圖及浸釘法(NDM)和棒偏轉(zhuǎn)法(RDM)
NDM方法包含一組鋼釘(鋼釘直徑φ2~10mm)浸入在彎月面處，鋼釘(釘)阻擋撞擊的鋼水運(yùn)動(dòng)軌跡，并在鋼釘尖部形成凝固的金屬塊，在一個(gè)特定的平面上(如x-z平面，見(jiàn)圖4)，鋼釘尖部凝結(jié)塊產(chǎn)生的高度差提供了彎月面處流體速度的方向和大小。需要注意的是，只要鋼釘(等寬的)垂直于彎月面浸入，鋼液流動(dòng)速度與鋼釘?shù)慕肷疃仁菬o(wú)關(guān)的。當(dāng)浸入時(shí)間為3-5秒時(shí)，速度測(cè)量可以認(rèn)為是瞬時(shí)的。使用一組鋼釘可以測(cè)量結(jié)晶器寬度方向和厚度方向上鋼液流動(dòng)瞬間速率，從MFFP可以導(dǎo)出結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)速度。為了減少誤差，在同一連鑄條件下，多次浸入試驗(yàn)是必不可少的。從機(jī)械角度看(見(jiàn)圖4)，鋼釘凝固塊是釘子阻礙了(a)彎月面處的鋼水流動(dòng)推動(dòng)力(FL)和(b)由結(jié)晶器保護(hù)渣(液體和稠糊狀)引起的界面摩擦力(FD)的結(jié)果。FD取決于保護(hù)渣性能(粘度、界面張力、液固比)和液渣性能，可以從保護(hù)渣的化學(xué)性質(zhì)來(lái)測(cè)量或估計(jì)。液渣層厚度也可以通過(guò)沿結(jié)晶器寬度方向上浸入一組鋁棒和鐵棒來(lái)進(jìn)行測(cè)量。
圖4 在NDM和RDM測(cè)量期間的作用力
RDM是將直徑φ10-50mm[10]的陶瓷棒或不銹鋼棒浸入水中，由于初始鋼液流力(FL)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在給定的棒材桿浸入深度(L3)下進(jìn)行力平衡，就可以計(jì)算出區(qū)域平均速度。頂部的配重通過(guò)沿棒桿(L2)使重心更靠近旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)(L1)來(lái)增加靈敏度。因此，RDM提供了區(qū)域平均鋼流的方向和大小。操作變量為棒桿直徑、浸沒(méi)深度、棒桿材料密度和配重重量。從機(jī)械力平衡的角度(圖4)，考慮(a) FL，(b)棒桿浸入后的浮力(Fb)，(c)棒桿重量(FG)和(d)界面摩擦力(FD)。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)[6,7]關(guān)于RDM，只使用一個(gè)探頭，在浸入時(shí)間(~30秒)內(nèi)可以獲得多個(gè)測(cè)量值；然而，由于浸入鋼水間的侵蝕，棒桿的機(jī)械完整性還沒(méi)有報(bào)道。由此確定的速度是面積平均和時(shí)間平均的，可以識(shí)別出彎月面處或以上的MFFP。
已有報(bào)道稱NDM和RDM測(cè)量的彎月面速度相似，但RDM的應(yīng)用和維護(hù)比較復(fù)雜。在本研究中，由于應(yīng)用方便和測(cè)量粒度較高，我們采用NDM來(lái)探索MFFP在確定鑄坯寬度下的演變。NDM的設(shè)置、實(shí)現(xiàn)和結(jié)果將在下一節(jié)中討論。
鋼釘浸入法試驗(yàn)
鋼釘裝置由EVRAZ研發(fā)中心準(zhǔn)備，并與EVRAZ Regina鋼廠合作進(jìn)行試驗(yàn)。圖5顯示了鋼釘傾斜裝置的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型以及組裝裝置。安裝設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了幾次修改，以減輕重量，并允許在試驗(yàn)期間安全、易于操作。
圖5 (a) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的鋼釘裝置，(b) 測(cè)量頭組件，(c) 實(shí)際鋼釘浸入裝置，(d) 測(cè)量頭組裝
在鋼釘頭組裝方式采用快速更換方案，在試驗(yàn)期間連續(xù)快速更換鋼釘頭組件。每一組鋼釘頭由一系列鋼釘(St)和鋁釘(Al)組成，并與鋼棒相連在一起，作為操作人員在浸入和抽出后測(cè)量時(shí)的參考線。在圖6中，顯示了鋼釘St(帶有凝固鋼塊)和鋁釘Al組浸入鋼水后的示意圖，從基準(zhǔn)線開(kāi)始，測(cè)量到鋼水液面(基準(zhǔn)線到凝固塊頂部的距離)和到保護(hù)渣液面(基準(zhǔn)線到鋁釘尖端的距離)。因此，從這一系列試樣的鋼釘鋁釘中，鋼、保護(hù)渣和彎月面(鋼/渣)液面沿結(jié)晶器寬度確定(從浸入式水口SEN到特定一側(cè)的窄邊)。
圖6 (a) 鋼釘 St和鋁釘Al的示意圖，(b) 典型的浸入后抽出鋼釘St和鋁釘Al狀態(tài)
Akhtar等人[13]曾報(bào)道，由于從彎月面附近散發(fā)出來(lái)的熱量給鋼棒逐步加溫回火，在浸入鋼水后鋼棒上產(chǎn)生了一個(gè)彩色帶。據(jù)報(bào)道，[14]當(dāng)鋼暴露在427°C (700 K)以上的溫度下時(shí)，鋼材會(huì)發(fā)出白熾的激發(fā)光量子(短暫地)，冷卻后會(huì)變回到灰色。低于427°C (700 K)的部分會(huì)形成氧化層，冷卻時(shí)產(chǎn)生一系列顏色，表明所達(dá)到的溫度。鋼在冷卻時(shí)產(chǎn)生一系列顏色，表明所達(dá)到的溫度。圖7a顯示了Akhtar等人[13]在不同溫度回火時(shí)鋼棒上氧化層的顏色排列。圖7b顯示了本試驗(yàn)在鋼釘上觀察到的顏色帶的一個(gè)代表性例子，顏色的梯度是根據(jù)結(jié)晶器頂部附近傳來(lái)的熱量而產(chǎn)生的，在這個(gè)顏色帶中，標(biāo)記了藍(lán)/紫顏色轉(zhuǎn)變(~300°C)，其與基準(zhǔn)線的距離提供了間接測(cè)量鋼水液面的方法(假設(shè)彎月面溫度和熱傳遞不變)。
圖7 (a) 鋼在不同溫度回火時(shí)所觀察到的顏色[13,14] ，(b)本次試驗(yàn)鋼棒溫度色帶的代表例子
如前所述，當(dāng)鋼釘浸入鋼液時(shí)，浸入部分產(chǎn)生凝固塊，這有助于測(cè)量彎月面處的鋼水流動(dòng)速度，如圖8所示，測(cè)量凝固塊(φskull)的直徑和凝固塊尖端高度差值(hskull)。[7,15]由于凝固塊具有三維特征，所以可以沿著兩個(gè)不同的軸(x軸:hx,skull，y軸:hy,skull)測(cè)量hskull。在本研究中，我們測(cè)量了凝固塊的hx,skull，以確定彎月面沿x軸(vx)的速度分量，這被認(rèn)為是沿SEN到窄面流動(dòng)速度。因此，如圖8所示，根據(jù)Liu等人[7]提出的經(jīng)驗(yàn)公式7,vx=0.624?φskull-0.696?hx，skull0567，可以計(jì)算出各鋼釘位置的vx。
圖8 (a) 鋼釘凝固塊示意圖，(b) 分析過(guò)程中所遵循的坐標(biāo)
結(jié)果與討論
在兩套鋼釘浸入試驗(yàn)NDM（試驗(yàn)1和試驗(yàn)2）中，使用相同的結(jié)晶器寬度，在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)條件下，測(cè)量彎月面輪廓和鋼水流動(dòng)速度。
試驗(yàn)1的穩(wěn)定狀態(tài)是指中間包液位恒定在80%左右。在本試驗(yàn)中，釘組由7枚鋼釘和3枚鋁釘組成，連續(xù)進(jìn)行三次浸入試驗(yàn)(釘組1、2和3)。
試驗(yàn)2在非穩(wěn)定條件即中間包鋼水液位在50~80%之間的波動(dòng)，在本試驗(yàn)中，釘組由三枚鋼釘和一枚鋁釘組成。連續(xù)進(jìn)行三次浸入試驗(yàn)(釘組1、2和3)。
在本節(jié)中，平均和單個(gè)(釘組1)彎月面速度在試驗(yàn)1進(jìn)行了討論，然后比較了試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中測(cè)得的彎月面速度(vx)的x方向分量，并討論了結(jié)果對(duì)鑄坯清潔度的影響。
試驗(yàn)1
圖9顯示了鋼、保護(hù)渣從水口中心沿著結(jié)晶器寬度方向到窄面的三組平均液位，以及鋼棒表現(xiàn)出來(lái)的藍(lán)色/紫色線的三組位置，通過(guò)將釘子相對(duì)于半個(gè)結(jié)晶器寬度的相對(duì)位置歸一化處理，計(jì)算出了橫切面中的歸一化寬度。鋼水液面(圖中藍(lán)線)表示z方向彎月面速度分量(vz)，它由鋼液涌入、氬氣輔助鋼流動(dòng)和重力作用于z方向的力構(gòu)成，氬氣作用鋼水流動(dòng)導(dǎo)致大量的氬氣泡上浮離開(kāi)結(jié)晶器對(duì)鋼水產(chǎn)生的阻力。
圖9 從水口中心線沿著結(jié)晶器寬度到窄面測(cè)量鋼水液面、液態(tài)保護(hù)渣液面和鋼棒藍(lán)色/紫色位置圖
在圖9中，由于氬氣流和雙輥流鋼液的回流對(duì)鋼水流動(dòng)的影響存在，在SEN附近和窄面處鋼水液面最高。應(yīng)該注意的是，鋼水液面的最高位置在鋼釘St1(最接近浸入式水口SEN)，其次是St2和St3。液面的變化波動(dòng)差是由于氬氣泡在SEN和結(jié)晶器內(nèi)中破裂、合并和附著引起的Ar氣泡運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，鋼棒藍(lán)色/紫色位置(鋼水液面間接指示)與測(cè)量的鋼水液面相印證。由于只使用了三根鋁釘(Al1、Al2和Al3)，液渣液面測(cè)量數(shù)量有限，液渣層厚度在結(jié)晶器寬度方向上為0.18~0.66英寸范圍內(nèi)，基本恒定。鋼水液面和保護(hù)渣液渣液面的相似位置曲線給出了對(duì)vz(鋼在彎月面速度的z向分量)大小的定性理解，表明vz足以將鋼水液面和保護(hù)渣液面推高(這里的~ -110 mm是指在基準(zhǔn)線以下測(cè)量鋼水液面的基準(zhǔn)線)。
圖10a顯示了沿著結(jié)晶器寬度方向從SEN浸入式水口到窄面(NF)x方向(vx,avg)彎月面速度分量的矢量。箭頭的長(zhǎng)度表示數(shù)值大小。圖10b顯示了vx,avg的大小，其中鋼水流動(dòng)從SEN水口流向窄面NF的方向被認(rèn)為是負(fù)值。vx的方向，平均變化從負(fù)的鋼釘St1到接近零的St2，然后再次從負(fù)的St3到逐漸正的St5。這種方向性的改變是鋼液(Vst)與Ar氣輔助推動(dòng)鋼液(VAr)相互作用的結(jié)果?？拷胧剿赟EN(位置St1到St3)，鋼液從浸入式水口SEN流出帶動(dòng)大量Ar氣泡流出離開(kāi)結(jié)晶器而產(chǎn)生的VAr。此外，Ar氣泡行為的隨機(jī)性質(zhì)導(dǎo)致了St1和St2位置的額外方差。需要注意的是，在A、B、C點(diǎn)(紅叉)的vx，平均值幾乎為零(紅虛線)。
圖10 (a) 彎月面速度的平均x分量(vx, avg)相對(duì)于鋼釘St位置的矢量圖，由St1到St7；(b) 以及沿結(jié)晶器半寬(從水口SEN到窄面)的vx,avg大小
圖11顯示了彎月面速度矢量的x分量和vx的大小，試驗(yàn)1中鋼釘組1，對(duì)于這個(gè)特殊的鋼釘組，在圖11b 中vx1所示的M、N、P和Q四個(gè)點(diǎn)上等于0(紅叉)。在M點(diǎn)和N點(diǎn)之間以及P點(diǎn)和Q點(diǎn)之間標(biāo)記為E和F的區(qū)域顯示出最大值，這可能是由于Vst和VAr的疊加的貢獻(xiàn)。E和F區(qū)域?qū)?yīng)著兩個(gè)離散的Ar氣泡從彎月面逃離結(jié)晶器的位置。這兩個(gè)Ar氣泡群應(yīng)該是(a)靠近水口SEN(區(qū)域E)出口的大氣泡和(b)較小的氣泡，它們被拖向NF(區(qū)域F)。
圖11 (a) 對(duì)應(yīng)的鋼釘(St)在x方向(vx,1)的平均彎月面速度分量矢量圖，(b) 沿結(jié)晶器半寬(從水口SEN到窄面)的vx,1的大小
圖10和圖11所示的點(diǎn)A、B、C和M、N、P、Q分別為駐點(diǎn)，一個(gè)駐點(diǎn)(2D形式)在彎月面處形成一個(gè)波(3D形式)，在這個(gè)波處VAr(由一群浮力氬氣泡輔助推動(dòng)的鋼流)有望抵消Vst(回流循環(huán)鋼液流)。
在圖12中，CC結(jié)晶器的頂面寬視圖中，彎月面上有一個(gè)駐點(diǎn)N，當(dāng)Vst(鋼流)抵消了彎月面處的VAr (Ar輔助推動(dòng)鋼流)時(shí)，駐點(diǎn)周?chē)a(chǎn)生了駐點(diǎn)波。在彎月面上，兩組Ar氣泡影響彎月面流動(dòng)的兩個(gè)區(qū)域分別表示為E和F。在N點(diǎn)，由于不協(xié)調(diào)的剪切流，停滯波可能會(huì)產(chǎn)生渦旋，如圖12所示。[3,16]較強(qiáng)的渦流會(huì)拖曳保護(hù)渣液渣，形成類型2夾雜物。在使用全尺寸水模型的物理模擬實(shí)驗(yàn)中，[17]報(bào)道了類似的漩渦形成裹渣，圖10和圖11中vx,avg和vx,1的數(shù)值約為0.20 m/s，表明彎月面鋼流狀態(tài)穩(wěn)定。
圖12 結(jié)晶器內(nèi)流體流動(dòng)和駐點(diǎn)N的圖解表示，E和F區(qū)域表示兩組Ar氣泡群
試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中彎月面速度分量(vx)的比較分析
在隨后的試驗(yàn)中，在保持結(jié)晶器鋼水液面不變的情況下，鋼包鋼水連續(xù)向中間包填充，進(jìn)行了3次鋼釘浸入試驗(yàn)。由于鋼液流入的瞬態(tài)變化(由于由于鋼釘頭組件浸入造成液流入結(jié)晶器的壓頭增大)，而且Ar氣體的恒定，試驗(yàn)2的鋼液彎月面速度分量vx隨時(shí)間的變化如圖13所示。
圖13 在試驗(yàn)1和2中測(cè)量的vx(彎月面速度的x分量)大小。X1和X2分別表示結(jié)晶器半寬位置。I1, J1和I2表示在試驗(yàn)1和2中觀察到vx最大值的彎月面區(qū)域
圖13給出了試驗(yàn)1和試驗(yàn)2在x方向的平均彎月面速度分量(vx,avg)。在試驗(yàn)2中，vx的完整輪廓無(wú)法確定，因?yàn)橹挥腥M鋼釘被浸入。試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的中間寬度位置分別記為X1和X2。
在試驗(yàn)1中，平均速度曲線由三個(gè)連續(xù)的浸入試驗(yàn)來(lái)確定。計(jì)算的誤差很大，然而，這是由于第三次浸入導(dǎo)致的，造成這種偏差的原因可能是鋼釘組件安放時(shí)候傾斜造成的問(wèn)題(鋼釘組沿著彎月面擺動(dòng))或MFFP的瞬態(tài)變化。如前所述，vx曲線中的兩個(gè)最大值(I1和J1)是由于兩群Ar氣泡溢出結(jié)晶器造成的。X1處的速度是-0.18m/s，位于I1和J1之間。
在試驗(yàn)2中，vx曲線隨時(shí)間變化(N2-A, N2-B到N2-C)，在X2(與SEN等距X1)處達(dá)到峰值。該峰代表第一個(gè)最大值，記為I2(不穩(wěn)定氬泡演化區(qū)域)。N2-A的vx約為0.35 m/s，這是由于氬輔助推動(dòng)鋼液流動(dòng)(VAr)占主導(dǎo)地位，鋼液流速(Vst)較弱，是中間包鋼水液位下降時(shí)的典型現(xiàn)象。
彎月面曲線表明，在試驗(yàn)1和2中，結(jié)晶器鋼水流動(dòng)模式MFFP均位于不穩(wěn)定多輥式URF區(qū)域。如前所述，在試驗(yàn)1的穩(wěn)定條件下，URF可以看作是DRF和SRF的組合，[6]在此結(jié)晶器寬度和Ar流量下，DRF/SRF比值較高。但在試驗(yàn)2中，隨著Vst從N2-A、N2-B到N2-C的增加，vx曲線逐漸發(fā)生變化，DRF/SRF比值隨之增加。因此，可以得出結(jié)論，這種操作變化影響彎月面速度，只能使用IMFFP域映射可視化。
相同結(jié)晶器寬度截面MFFP與鋼清潔度之間的關(guān)聯(lián)
試驗(yàn)1和試驗(yàn)2之間的IMFFP變化體現(xiàn)在鑄坯的清潔度上，在試驗(yàn)2狀態(tài)下，鑄坯中出現(xiàn)了較多的長(zhǎng)條缺陷，然而，分析這些缺陷的化學(xué)性質(zhì)無(wú)法將它們歸類為類型1或類型2夾雜物。在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，更換鋼包和中間包鋼水液面下降會(huì)增加這些長(zhǎng)條缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。這一研究表明，如果確定了結(jié)晶器流體流動(dòng)的演變，可以與鑄坯產(chǎn)品中夾雜形成的頻率相關(guān)。原則上，鑄坯產(chǎn)品中夾雜物的數(shù)量和位置可以與IMFFP疇圖相關(guān)聯(lián)。因此，在特定結(jié)晶器寬度的連鑄過(guò)程中，可以建立包含夾雜的頻率、化學(xué)性質(zhì)和位置的數(shù)據(jù)庫(kù)。然后，該數(shù)據(jù)庫(kù)可以生成與IMFFP相關(guān)的鋼鐵清潔度的圖形表示，如圖14所示。每個(gè)橢圓形狀內(nèi)表示各自包含夾雜物類型(類型1或類型2)的頻率，顏色表示連鑄產(chǎn)品中的位置。在連鑄產(chǎn)品中，紅色和藍(lán)色分別表示中心(靠近浸入式水口SEN)和邊緣(靠近窄面)的夾雜物。有了這些數(shù)據(jù)庫(kù)，IMFFPs就可以用來(lái)確定最佳的連鑄條件，從而使鑄坯具有優(yōu)良的潔凈度。
圖14 在IMFFP域圖中觀察到的夾雜物的類型、頻率(橢圓形的大小)和位置(紅色和藍(lán)色分別表示接近水口SEN和窄面NF)的圖像表示
結(jié)論
在本研究中，我們回顧了典型的結(jié)晶器鋼液流動(dòng)模式MFFP對(duì)最終產(chǎn)品清潔度的可能影響，鑄坯中產(chǎn)生的夾雜物分為類型1(結(jié)晶器外形成的外生夾雜物)和類型2(結(jié)晶器內(nèi)生產(chǎn)的夾雜物)。
討論了結(jié)晶器鋼液流動(dòng)模式MFFP隨鑄坯變量(鑄型寬度、連鑄拉速和氬氣流量)的變化規(guī)律，并針對(duì)給定的結(jié)晶器寬度提出了IMFFP域映射的概念。
介紹了兩種常用的MFFPs測(cè)量方法- 浸釘法(NDM)和棒材偏轉(zhuǎn)法(RDM)，NDM測(cè)定的彎月面速度與MFFPs之間存在相關(guān)性。
NDM已應(yīng)用于EVRAZ Regina鋼廠的連鑄機(jī)上，測(cè)定了彎月面鋼液流動(dòng)速度。除穩(wěn)態(tài)連鑄外，還進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)連鑄試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了討論。
穩(wěn)態(tài)條件下，特定鑄坯寬度下的最大平均彎月面鋼水流動(dòng)速度在0.2(±0.1)m/s以內(nèi)，裹渣量最小。
在不穩(wěn)定狀態(tài)下，測(cè)得的彎月面鋼液流動(dòng)速度的不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致旋渦的形成，導(dǎo)致類型2夾雜。
在一定結(jié)晶器寬度的連鑄操作運(yùn)行過(guò)程中，流體在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)下的流動(dòng)演變對(duì)鋼的清潔度產(chǎn)生影響，這可以通過(guò)IMFFP域映射觀察到。
目前正在對(duì)幾種結(jié)晶器寬度進(jìn)行后續(xù)的CFD建模，通過(guò)整合工廠試驗(yàn)、計(jì)算和物理建模開(kāi)發(fā)的IMFFP域地圖將有助于排除故障并提高鑄鋼的清潔度。
致謝
作者感謝A. Hamilton, M. Arafin, M. Fedin和L. Collins (EVRAZ R&D)， K. Dunnett和S. Fuka (EVRAZ Regina Steel)的技術(shù)投入。感謝EVRAZ Regina鋼鐵公司連鑄操作團(tuán)隊(duì)的支持。
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作者
Bikram Konar：Research Engineer — Senior, EVRAZ North America Research and Development, Regina, Sask., Canada bikram.konar@evrazna.com
Jyoti Saroop：Product Engineer, Core Linepipe Inc., Calgary, Alta., Canada
Shaojie Chen：Research Engineer — Principal, EVRAZ North America Research and Development, Regina, Sask., Canada
