連鑄鋼產(chǎn)品的質(zhì)量取決于結(jié)晶器鋼液流動模式(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(jìn)行了計算流體動力學(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(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)(二次氧化和氮氣吸收)，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、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(jī)結(jié)晶器內(nèi)的流場由(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、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(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(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，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(jié)晶器的角度來看，夾雜物可以分為外來進(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(jié)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(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SEN結(jié)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(biāo)。然而，該方案涉及對結(jié)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(jié)晶器保護(hù)渣的科學(xué)材料設(shè)計，以及任何操作二次氧化的預(yù)防。僅了解瞬態(tài)多相流體流動就需要復(fù)雜的計算流體動力學(xué)(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(yīng)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(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(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/浸沒深度繪制的。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(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。在這個域中，頂點的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(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(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。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，與鑄坯產(chǎn)品的潔凈度相關(guān)聯(lián)。在連鑄過程中，中間包或結(jié)晶器液位的無意中的下降會導(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(jié)晶器鋼水流動模式的確定

結(jié)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(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(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，鋼液流動速度與鋼釘?shù)慕肷疃仁菬o關(guān)的。當(dāng)浸入時間為3-5秒時，速度測量可以認(rèn)為是瞬時的。使用一組鋼釘可以測量結(jié)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(dǎo)出結(jié)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(jī)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(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)來測量或估計。液渣層厚度也可以通過沿結(jié)晶器寬度方向上浸入一組鋁棒和鐵棒來進(jìn)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(jìn)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(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(jī)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(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(shè)置、實現(xiàn)和結(jié)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(zhǔn)備，并與EVRAZ Regina鋼廠合作進(jìn)行試驗。圖5顯示了鋼釘傾斜裝置的計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)模型以及組裝裝置。安裝設(shè)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(jī)輔助設(shè)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(zhǔn)線開始，測量到鋼水液面(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(dāng)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(dá)到的溫度。鋼在冷卻時產(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(jié)晶器頂部附近傳來的熱量而產(chǎn)生的，在這個顏色帶中，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(dāng)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(rèn)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，skull}⁰⁵⁶⁷，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(biāo)

結(jié)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(jié)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jié)果對鑄坯清潔度的影響。

試驗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)出來的藍(lán)色/紫色線的三組位置，通過將釘子相對于半個結(jié)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(lán)線)表示z方向彎月面速度分量(vz)，它由鋼液涌入、氬氣輔助鋼流動和重力作用于z方向的力構(gòu)成，氬氣作用鋼水流動導(dǎo)致大量的氬氣泡上浮離開結(jié)晶器對鋼水產(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鋼水流動的影響存在，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氣泡運動的隨機(jī)性，鋼棒藍(lán)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(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(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(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流出帶動大量Ar氣泡流出離開結(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(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(jié)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(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)著兩個離散的Ar氣泡從彎月面逃離結(jié)晶器的位置。這兩個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(jié)晶器的頂面寬視圖中，彎月面上有一個駐點N，當(dāng)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(qiáng)的渦流會拖曳保護(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(jié)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(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。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(jié)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(dǎo)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(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(dá)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(dǎo)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(jié)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(jié)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(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(xué)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(fēng)險。這一研究表明，如果確定了結(jié)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(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。然后，該數(shù)據(jù)庫可以生成與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，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(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(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(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(guān)性。

NDM已應(yīng)用于EVRAZ Regina鋼廠的連鑄機(jī)上，測定了彎月面鋼液流動速度。除穩(wěn)態(tài)連鑄外，還進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)連鑄試驗，并對試驗結(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(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(jié)晶器寬度進(jìn)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(shù)投入。感謝EVRAZ Regina鋼鐵公司連鑄操作團(tuán)隊的支持。

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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