連鑄鋼產(chǎn)品的質(zhì)量取決于結晶器鋼液流動模式(MFFP)， MFFP取決于連鑄機參數(shù)：結晶器寬度、連鑄拉速和氬氣流量。在這些參數(shù)的變化過程中，未到最優(yōu)的MFFPs會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MFFP的不利影響，采用釘浸法測量MFFP并進行了計算流體動力學模擬。然后，MFFP與沿鑄坯寬度方向的NMI類型和位置相關。提出了一種新的參數(shù)映射來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)過程中，結晶器內(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)境空氣進入并與鋼發(fā)生反應(二次氧化和氮氣吸收)，并清除堵塞浸入式水口(SEN)端口的氧化物。結晶器內(nèi)的鋼水流動取決于鋼液從浸入式水口SEN流入結晶器狀況、結晶器液渣層沿彎月面(鋼液/結晶器保護渣界面)流動、Ar的浮力向上流動以及Ar流輔助推動下的鋼液流動。因此，連鑄機結晶器內(nèi)的流場由(a)結晶器寬度，(b)連鑄拉速和(c)給定的結晶器保護渣(已知的相穩(wěn)定性和物理特性)和SEN(恒定的SEN孔設計、床層深度/形狀和端口尺寸、角度和浸沒深度)下的Ar氣體流量決定。典型的結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]對于各自的MFFP，最終產(chǎn)品中出現(xiàn)的缺陷是(a) 雙輥式DRF：結晶器保護渣條和鋁基碎片、渣斑和氣孔；(b) 不穩(wěn)定多輥式URF：結晶器保護渣條、夾雜鋼條、煉鋼夾雜物和氣泡；(c) 單輥式SRF：結晶器保護渣條和鋁基碎片以及氣泡。這些缺陷(渣條、夾雜鋼長條、渣斑點、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識，因此，連鑄條件從本質(zhì)上影響著鋼的清潔度，對于給定的連鑄操作，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(如煉鋼過程中產(chǎn)生的)。從連鑄結晶器的角度來看，夾雜物可以分為外來進入的夾雜物(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源。[3] 下面列出了各自的夾雜物類型和來源。

圖1 影響連鑄產(chǎn)品清潔度的夾雜物來源和種類

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晶器過程中的二次氧化(EX)。

?Ar氣泡被捕獲(EX)。

?夾雜物改性后的復合氧化鋁夾雜物(EN)。

類型2夾雜物起源于：

?結晶裹渣(EX：(i)保護渣爬行，(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。

?浸入式水庫SEN結瘤(EX)。

?來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。然而，該方案涉及對結晶器內(nèi)瞬態(tài)多相流體流動的全面理解，浸入式水口SEN和結晶器保護渣的科學材料設計，以及任何操作二次氧化的預防。僅了解瞬態(tài)多相流體流動就需要復雜的計算流體動力學(CFD)建模、物理建模(水或液態(tài)金屬模型)和工廠試驗。這樣的綜合研究既費時又費錢，因此，對于工業(yè)應用來說，了解MFFP作為工藝變量的函數(shù)及其與鑄坯質(zhì)量的關系，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將解釋有關連鑄變量(結晶器寬度，連鑄拉速和Ar流量)。將討論MFFP的測定方法，即浸釘法(NDM)和棒材偏轉(zhuǎn)法(RDM)。本文將詳細闡述EVRAZ Regina Steel公司用于結晶器不變寬度情況下MFFP測定和演變的NDM的實施，最后，MFFP的演變將與鑄坯的清潔度相關。

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。針對特定的結晶器，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和縱坐標開發(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設計/浸沒深度繪制的。Dauby[1]認為連鑄產(chǎn)品的潔凈度與MFFPs (DRF、URF和SRF)有關。

圖2a是連鑄結晶器的代表MFFP域圖；然而，Ar的貢獻尚不清楚。因此，為了捕捉Ar對MFFP的影響，必須在修改的MFFP域圖中加入第三個軸，如圖2b所示。由于連鑄機操作變量(結晶器寬度、Ar流量和連鑄拉速)的組合，在連鑄機結晶器中形成的MFFP可以在三維域中表示。在這個域中，頂點的MFFP(深綠色：最大Ar流量和最小連鑄拉速)將導致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)與連鑄拉速和結晶器寬度成正比。相應區(qū)域的面積將隨著結晶器寬度的變化而變化，而被認為是SRF和DRF模式之間過渡的URF區(qū)域?qū)l(fā)生變化。因此，為了保持鑄坯的質(zhì)量，必須在澆鑄過程中正確設置和控制連鑄變量。為了可視化MFFP轉(zhuǎn)換，圖2c給出了MFFP (IMMFP)域圖的一個代表性的相同結晶器寬度截面。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，連鑄拉速從A(0.4m/min)增加到C(1.4m/min)。以X點為例，連鑄變量為70%的Ar流量，連鑄拉速為0.6 m/min，這將導致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。應該指出的是，MFFP狀態(tài)之間的劃分并不像圖示所示的那樣嚴格。結晶器MFFP的嚴重程度必須通過檢查下游產(chǎn)品(如板坯、帶鋼、薄板或鋼管)的質(zhì)量或進行試驗，與鑄坯產(chǎn)品的潔凈度相關聯(lián)。在連鑄過程中，中間包或結晶器液位的無意中的下降會導致結晶器內(nèi)液態(tài)鋼水量(連鑄拉速)的瞬態(tài)不平衡，從而導致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調(diào)。

圖2 (a) 以結晶器寬度和連鑄拉速為軸的結晶器狀態(tài)(MFFP)域圖，(b) 以吹Ar流量為第三軸的三維MFFP空間，(c) 同等結晶器寬度MFFP (IMFFP)域圖

由于連鑄機結晶器的不透明和高溫條件，IMFFPs的測定具有挑戰(zhàn)性。因此，已經(jīng)發(fā)展了幾種工業(yè)方法來探測彎月面上或附近某一特定點的液體流動。在下一節(jié)中，我們將討論一些流行的方法。

結晶器鋼水流動模式的確定

結晶器鋼水流動模式MFFP可通過在彎月面插入物理探針(如NDM或RDM)或使用電磁傳感器測量鋼液流動產(chǎn)生的磁場電流來識別。在圖3中，介紹了通過探測彎月面NDM[7~9]或RDM[10,11]來測定連鑄結晶器中鋼水流速的技術。

圖3 結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)阻擋撞擊的鋼水運動軌跡，并在鋼釘尖部形成凝固的金屬塊，在一個特定的平面上(如x-z平面，見圖4)，鋼釘尖部凝結塊產(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，鋼液流動速度與鋼釘?shù)慕肷疃仁菬o關的。當浸入時間為3-5秒時，速度測量可以認為是瞬時的。使用一組鋼釘可以測量結晶器寬度方向和厚度方向上鋼液流動瞬間速率，從MFFP可以導出結晶器內(nèi)鋼液流動速度。為了減少誤差，在同一連鑄條件下，多次浸入試驗是必不可少的。從機械角度看(見圖4)，鋼釘凝固塊是釘子阻礙了(a)彎月面處的鋼水流動推動力(FL)和(b)由結晶器保護渣(液體和稠糊狀)引起的界面摩擦力(FD)的結果。FD取決于保護渣性能(粘度、界面張力、液固比)和液渣性能，可以從保護渣的化學性質(zhì)來測量或估計。液渣層厚度也可以通過沿結晶器寬度方向上浸入一組鋁棒和鐵棒來進行測量。

圖4 在NDM和RDM測量期間的作用力

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)下進行力平衡，就可以計算出區(qū)域平均速度。頂部的配重通過沿棒桿(L2)使重心更靠近旋轉(zhuǎn)支點(L1)來增加靈敏度。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、浸沒深度、棒桿材料密度和配重重量。從機械力平衡的角度(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[6,7]關于RDM，只使用一個探頭，在浸入時間(~30秒)內(nèi)可以獲得多個測量值；然而，由于浸入鋼水間的侵蝕，棒桿的機械完整性還沒有報道。由此確定的速度是面積平均和時間平均的，可以識別出彎月面處或以上的MFFP。

已有報道稱NDM和RDM測量的彎月面速度相似，但RDM的應用和維護比較復雜。在本研究中，由于應用方便和測量粒度較高，我們采用NDM來探索MFFP在確定鑄坯寬度下的演變。NDM的設置、實現(xiàn)和結果將在下一節(jié)中討論。

鋼釘浸入法試驗

鋼釘裝置由EVRAZ研發(fā)中心準備，并與EVRAZ Regina鋼廠合作進行試驗。圖5顯示了鋼釘傾斜裝置的計算機輔助設計(CAD)模型以及組裝裝置。安裝設計經(jīng)過了幾次修改，以減輕重量，并允許在試驗期間安全、易于操作。

圖5 (a) 計算機輔助設計的鋼釘裝置，(b) 測量頭組件，(c) 實際鋼釘浸入裝置，(d) 測量頭組裝

在鋼釘頭組裝方式采用快速更換方案，在試驗期間連續(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量時的參考線。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，從基準線開始，測量到鋼水液面(基準線到凝固塊頂部的距離)和到保護渣液面(基準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、保護渣和彎月面(鋼/渣)液面沿結晶器寬度確定(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]曾報道，由于從彎月面附近散發(fā)出來的熱量給鋼棒逐步加溫回火，在浸入鋼水后鋼棒上產(chǎn)生了一個彩色帶。據(jù)報道，[14]當鋼暴露在427°C (700 K)以上的溫度下時，鋼材會發(fā)出白熾的激發(fā)光量子(短暫地)，冷卻后會變回到灰色。低于427°C (700 K)的部分會形成氧化層，冷卻時產(chǎn)生一系列顏色，表明所達到的溫度。鋼在冷卻時產(chǎn)生一系列顏色，表明所達到的溫度。圖7a顯示了Akhtar等人[13]在不同溫度回火時鋼棒上氧化層的顏色排列。圖7b顯示了本試驗在鋼釘上觀察到的顏色帶的一個代表性例子，顏色的梯度是根據(jù)結晶器頂部附近傳來的熱量而產(chǎn)生的，在這個顏色帶中，標記了藍/紫顏色轉(zhuǎn)變(~300°C)，其與基準線的距離提供了間接測量鋼水液面的方法(假設彎月面溫度和熱傳遞不變)。

圖7 (a) 鋼在不同溫度回火時所觀察到的顏色[13,14] ，(b)本次試驗鋼棒溫度色帶的代表例子

如前所述，當鋼釘浸入鋼液時，浸入部分產(chǎn)生凝固塊，這有助于測量彎月面處的鋼水流動速度，如圖8所示，測量凝固塊(φ_skull)的直徑和凝固塊尖端高度差值(h_skull)。[7,15]由于凝固塊具有三維特征，所以可以沿著兩個不同的軸(x軸:h_x,skull，y軸:h_y,skull)測量h_skull。在本研究中，我們測量了凝固塊的h_x,skull，以確定彎月面沿x軸(vx)的速度分量，這被認為是沿SEN到窄面流動速度。因此，如圖8所示，根據(jù)Liu等人[7]提出的經(jīng)驗公式7,vx=0.624?φ_skull^-0.696?h_x_，_skull⁰⁵⁶⁷，可以計算出各鋼釘位置的v_x。

圖8 (a) 鋼釘凝固塊示意圖，(b) 分析過程中所遵循的坐標

結果與討論

在兩套鋼釘浸入試驗NDM（試驗1和試驗2）中，使用相同的結晶器寬度，在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)條件下，測量彎月面輪廓和鋼水流動速度。

試驗1的穩(wěn)定狀態(tài)是指中間包液位恒定在80%左右。在本試驗中，釘組由7枚鋼釘和3枚鋁釘組成，連續(xù)進行三次浸入試驗(釘組1、2和3)。

試驗2在非穩(wěn)定條件即中間包鋼水液位在50~80%之間的波動，在本試驗中，釘組由三枚鋼釘和一枚鋁釘組成。連續(xù)進行三次浸入試驗(釘組1、2和3)。

在本節(jié)中，平均和單個(釘組1)彎月面速度在試驗1進行了討論，然后比較了試驗1和試驗2中測得的彎月面速度(vx)的x方向分量，并討論了結果對鑄坯清潔度的影響。

試驗1

圖9顯示了鋼、保護渣從水口中心沿著結晶器寬度方向到窄面的三組平均液位，以及鋼棒表現(xiàn)出來的藍色/紫色線的三組位置，通過將釘子相對于半個結晶器寬度的相對位置歸一化處理，計算出了橫切面中的歸一化寬度。鋼水液面(圖中藍線)表示z方向彎月面速度分量(vz)，它由鋼液涌入、氬氣輔助鋼流動和重力作用于z方向的力構成，氬氣作用鋼水流動導致大量的氬氣泡上浮離開結晶器對鋼水產(chǎn)生的阻力。

圖9 從水口中心線沿著結晶器寬度到窄面測量鋼水液面、液態(tài)保護渣液面和鋼棒藍色/紫色位置圖

在圖9中，由于氬氣流和雙輥流鋼液的回流對鋼水流動的影響存在，在SEN附近和窄面處鋼水液面最高。應該注意的是，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。液面的變化波動差是由于氬氣泡在SEN和結晶器內(nèi)中破裂、合并和附著引起的Ar氣泡運動的隨機性，鋼棒藍色/紫色位置(鋼水液面間接指示)與測量的鋼水液面相印證。由于只使用了三根鋁釘(Al1、Al2和Al3)，液渣液面測量數(shù)量有限，液渣層厚度在結晶器寬度方向上為0.18~0.66英寸范圍內(nèi)，基本恒定。鋼水液面和保護渣液渣液面的相似位置曲線給出了對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渣液面推高(這里的~ -110 mm是指在基準線以下測量鋼水液面的基準線)。

圖10a顯示了沿著結晶器寬度方向從SEN浸入式水口到窄面(NF)x方向(v_x_,avg)彎月面速度分量的矢量。箭頭的長度表示數(shù)值大小。圖10b顯示了vx,avg的大小，其中鋼水流動從SEN水口流向窄面NF的方向被認為是負值。vx的方向，平均變化從負的鋼釘St1到接近零的St2，然后再次從負的St3到逐漸正的St5。這種方向性的改變是鋼液(Vst)與Ar氣輔助推動鋼液(VAr)相互作用的結果?？拷胧剿赟EN(位置St1到St3)，鋼液從浸入式水口SEN流出帶動大量Ar氣泡流出離開結晶器而產(chǎn)生的VAr。此外，Ar氣泡行為的隨機性質(zhì)導致了St1和St2位置的額外方差。需要注意的是，在A、B、C點(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)相對于鋼釘St位置的矢量圖，由St1到St7；(b) 以及沿結晶器半寬(從水口SEN到窄面)的v_x,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1中鋼釘組1，對于這個特殊的鋼釘組，在圖11b 中v_x¹所示的M、N、P和Q四個點上等于0(紅叉)。在M點和N點之間以及P點和Q點之間標記為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。E和F區(qū)域?qū)鴥蓚€離散的Ar氣泡從彎月面逃離結晶器的位置。這兩個Ar氣泡群應該是(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) 對應的鋼釘(St)在x方向(vx,1)的平均彎月面速度分量矢量圖，(b) 沿結晶器半寬(從水口SEN到窄面)的v_x,¹的大小

圖10和圖11所示的點A、B、C和M、N、P、Q分別為駐點，一個駐點(2D形式)在彎月面處形成一個波(3D形式)，在這個波處VAr(由一群浮力氬氣泡輔助推動的鋼流)有望抵消Vst(回流循環(huán)鋼液流)。

在圖12中，CC結晶器的頂面寬視圖中，彎月面上有一個駐點N，當Vst(鋼流)抵消了彎月面處的VAr (Ar輔助推動鋼流)時，駐點周圍產(chǎn)生了駐點波。在彎月面上，兩組Ar氣泡影響彎月面流動的兩個區(qū)域分別表示為E和F。在N點，由于不協(xié)調(diào)的剪切流，停滯波可能會產(chǎn)生渦旋，如圖12所示。[3,16]較強的渦流會拖曳保護渣液渣，形成類型2夾雜物。在使用全尺寸水模型的物理模擬實驗中，[17]報道了類似的漩渦形成裹渣，圖10和圖11中v_x,avg和v_x,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 結晶器內(nèi)流體流動和駐點N的圖解表示，E和F區(qū)域表示兩組Ar氣泡群

試驗1和試驗2中彎月面速度分量(vx)的比較分析

在隨后的試驗中，在保持結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，進行了3次鋼釘浸入試驗。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晶器的壓頭增大)，而且Ar氣體的恒定，試驗2的鋼液彎月面速度分量vx隨時間的變化如圖13所示。

圖13 在試驗1和2中測量的vx(彎月面速度的x分量)大小。X1和X2分別表示結晶器半寬位置。I1, J1和I2表示在試驗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1和試驗2在x方向的平均彎月面速度分量(v_x,avg)。在試驗2中，vx的完整輪廓無法確定，因為只有三組鋼釘被浸入。試驗1和試驗2的中間寬度位置分別記為X₁和X₂。

在試驗1中，平均速度曲線由三個連續(xù)的浸入試驗來確定。計算的誤差很大，然而，這是由于第三次浸入導致的，造成這種偏差的原因可能是鋼釘組件安放時候傾斜造成的問題(鋼釘組沿著彎月面擺動)或MFFP的瞬態(tài)變化。如前所述，vx曲線中的兩個最大值(I₁和J₁)是由于兩群Ar氣泡溢出結晶器造成的。X₁處的速度是-0.18m/s，位于I₁和J₁之間。

在試驗2中，vx曲線隨時間變化(N2-A, N2-B到N2-C)，在X2(與SEN等距X1)處達到峰值。該峰代表第一個最大值，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鋼液流動(V_Ar)占主導地位，鋼液流速(Vst)較弱，是中間包鋼水液位下降時的典型現(xiàn)象。

彎月面曲線表明，在試驗1和2中，結晶器鋼水流動模式MFFP均位于不穩(wěn)定多輥式URF區(qū)域。如前所述，在試驗1的穩(wěn)定條件下，URF可以看作是DRF和SRF的組合，[6]在此結晶器寬度和Ar流量下，DRF/SRF比值較高。但在試驗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。

相同結晶器寬度截面MFFP與鋼清潔度之間的關聯(lián)

試驗1和試驗2之間的IMFFP變化體現(xiàn)在鑄坯的清潔度上，在試驗2狀態(tài)下，鑄坯中出現(xiàn)了較多的長條缺陷，然而，分析這些缺陷的化學性質(zhì)無法將它們歸類為類型1或類型2夾雜物。在連鑄生產(chǎn)過程中，更換鋼包和中間包鋼水液面下降會增加這些長條缺陷的風險。這一研究表明，如果確定了結晶器流體流動的演變，可以與鑄坯產(chǎn)品中夾雜形成的頻率相關。原則上，鑄坯產(chǎn)品中夾雜物的數(shù)量和位置可以與IMFFP疇圖相關聯(lián)。因此，在特定結晶器寬度的連鑄過程中，可以建立包含夾雜的頻率、化學性質(zhì)和位置的數(shù)據(jù)庫。然后，該數(shù)據(jù)庫可以生成與IMFFP相關的鋼鐵清潔度的圖形表示，如圖14所示。每個橢圓形狀內(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，IMFFPs就可以用來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(紅色和藍色分別表示接近水口SEN和窄面NF)的圖像表示

結論

在本研究中，我們回顧了典型的結晶器鋼液流動模式MFFP對最終產(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(結晶器外形成的外生夾雜物)和類型2(結晶器內(nèi)生產(chǎn)的夾雜物)。

討論了結晶器鋼液流動模式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，并針對給定的結晶器寬度提出了IMFFP域映射的概念。

介紹了兩種常用的MFFPs測量方法- 浸釘法(NDM)和棒材偏轉(zhuǎn)法(RDM)，NDM測定的彎月面速度與MFFPs之間存在相關性。

NDM已應用于EVRAZ Regina鋼廠的連鑄機上，測定了彎月面鋼液流動速度。除穩(wěn)態(tài)連鑄外，還進行了非穩(wěn)態(tài)連鑄試驗，并對試驗結果進行了討論。

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，測得的彎月面鋼液流動速度的不穩(wěn)定性可能導致旋渦的形成，導致類型2夾雜。

在一定結晶器寬度的連鑄操作運行過程中，流體在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)下的流動演變對鋼的清潔度產(chǎn)生影響，這可以通過IMFFP域映射觀察到。

目前正在對幾種結晶器寬度進行后續(xù)的CFD建模，通過整合工廠試驗、計算和物理建模開發(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)的技術投入。感謝EVRAZ Regina鋼鐵公司連鑄操作團隊的支持。

參考文獻

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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