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摘要：

通過物理模擬對結晶器保護渣的卷渣情況進行了分析研究，得出：低粘度保護渣發(fā)生卷渣的臨界表面流速為87.7mm/s，保護渣浸入結晶器液面的臨界深度為22mm；高粘度保護渣發(fā)生卷渣的臨界表面流速為101.2mm/s，保護渣的臨界浸入深度為25mm。當表面流速大于對應的臨界值，從而使得保護渣的浸入深度超過臨界深度時，才可能發(fā)生卷渣現(xiàn)象；結晶器卷渣一般發(fā)生在距結晶器窄面1/3的位置處。

關鍵詞：

保護渣；表面流速；粘度

在當代冶金行業(yè)中，結晶器起著尤為重要的作用。現(xiàn)在的大多數(shù)實驗室對鋼液在結晶器中進行物理模擬的方法為對其流場、表面流動特征的試驗，也有一些對結晶器液面保護渣的模擬[1]。魯碧為通過改變水口的結構、浸入深度、底部結構等對結晶器卷渣情況進行了分析以及優(yōu)化[2]；張佩通過應用塑料粒子和油混合，從而對結晶器表面保護渣的卷渣情況進行了分析，并通過結晶器內保護渣與液面波動的關系得出，液面波動在3~7mm的范圍內，可能得到保護渣良好的覆蓋效果，從而減少鑄坯的二次氧化，趙志剛也通過對不同的拉速、不同的浸入深度等因素，來得出結晶器保護渣覆蓋最好的參數(shù)[3]。這些對結晶器保護渣卷渣的研究，沒有進一步研究產生卷渣現(xiàn)象時，保護渣浸入深度的臨界值和表面流速的臨界值。本文通過對165mm×565mm斷面低粘度和高粘度保護渣進行物理模擬，從而得出結晶器保護渣發(fā)生卷渣時，保護渣浸入鋼液的臨界深度，從而為防止保護渣卷渣提供更為有利的理論依據(jù)。

1實驗裝置及模型建立

在通過收集數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析影響鑄坯缺陷的因素中，保護渣卷入占66%，脫氧夾雜物占17%，軋鋼缺陷占17%，因此可以看出，對減少保護渣卷渣的研究尤為重要[4]。以下為進行油膜模擬時需要用到的參數(shù)和計算過程，如表1。在對150號齒輪油和煤油進行混合時根據(jù)粘度的比例原理，運用無量綱等式：ν渣ν鋼=ν油ν水(1)式中ν表示運動粘度，m2/s通過以上參數(shù)和計算公式可得到，對于實際中的高粘度，在本文中模擬時150號齒輪油和煤油的體積比為0.6∶0.34，低粘度下150號齒輪油和煤油的體積比為0.4∶0.54。表2為不同拉速的實驗流量數(shù)據(jù)。在進行本次物理試驗時，是通過1∶1的物理模型來模擬結晶器斷面為165mm×565mm的坯子，只有這樣才能使所選用的流量、拉速、保護渣的模擬與實際的聯(lián)系更為緊密，使得試驗結果更為讓人信服。實驗裝置圖如圖1所示。實驗前，首先要先將中間包、結晶器水位升高至需要達到的高度。然后打開循環(huán)泵使得結晶器內水進行循環(huán)，從而可以節(jié)約資源，通過調節(jié)微調閥，使得水口的浸入深度保持不變，加入油膜進行實驗。

2研究方法

2.1實驗設計

在本實驗中，通過對結晶器保護渣的模擬，來測量斷面為165mm×565mm結晶器卷渣的情況，測量不同拉速、不同粘度下，保護渣浸入結晶器液面的深度，從而得出結晶器卷渣時鋼渣浸入結晶器的臨界深度，然后通過表面流速儀測量其表面流速的臨界值，從而為減少結晶器卷渣提供更為合理的改進方法，為提高鋼廠的鑄坯質量提供理論基礎。

2.2實驗方法

采用南京水利科學研究院河鋼儀器設備研究所研制的LGY-Ⅱ型智能旋槳式流速計(如圖2)，對液面的表面流速進行測定。水流速度的測量原理：測定旋槳在預定測速歷時內的平均轉率，利用自帶的計算公式計算出流速。圖3為某一個斷面，在進行表面流速測試時，測試點的具體位置，其中1#、2#、3#、4#、5#、6#代表的是6個測試點，且6個測試點間距是一樣的。

3實驗結果分析

3.1低粘度保護

渣模擬結晶器卷渣的主要原因是：從水口出來的鋼液沖擊結晶器窄面，從而形成上回流區(qū)，對結晶器上表面形成剪切力，從而使得上表面的表面流速增大，當增大到一定程度時，也就是液面波動達到一定的值，從而使得保護渣浸入液面也達到一定的值時，從而使得保護渣被卷入到結晶器中[5,6]。圖4~圖6為5min內結晶器卷渣的情況，其中圖4(a)為結晶器液面靜止時的情況，圖4(b)、(c)、(d)為開始拉坯時，液面的波動情況。從圖4可以看出，在5min內，拉速為1.0m/min時，油膜浸入鋼液的最大深度達到了15mm，也就是圖中選取的(c)；但未發(fā)生卷渣現(xiàn)象，而在圖5中，拉速為1.1m/min的低粘度保護渣，在5min內，偶爾發(fā)生了卷渣現(xiàn)象，最大的油膜浸入深度為22mm；在圖6中油膜發(fā)生卷渣現(xiàn)象較為嚴重，圖6(b)油膜的浸入深度能達到27mm遠高于22mm，在5min內發(fā)生卷渣情況更為嚴重。

3.2高粘度保護

渣模擬高粘度保護渣是相對于低粘度保護渣來說的，圖7~圖10為模擬結晶器高粘度保護渣從不卷渣到卷渣，油膜浸入深度變化圖。在圖7和圖8中，結晶器液面未發(fā)生卷渣現(xiàn)象，拉速為1.0m/min時油膜進入的最大深度為10mm左右，液面波動較小，拉速為1.1m/min時液面波動有所增加，油膜浸入最大深度在17mm左右，仍未發(fā)生卷渣現(xiàn)象；在圖9中拉速為1.2m/min時，偶爾發(fā)生了卷渣現(xiàn)象，5min內油膜浸入鋼液的最大深度為25mm，也就是圖9(b)的情況，而圖9(c)中油膜最大浸入深度為22mm，未發(fā)生卷渣現(xiàn)象；從圖10可以看出卷渣較為嚴重，圖10(c)為油膜浸入鋼液的最大深度，達到了30mm，大于25mm，發(fā)生了卷渣現(xiàn)象，圖9(b)、(d)油膜的浸入深度也大于25mm，因此5min內拉速為1.35m/min會使結晶器發(fā)生嚴重的卷渣現(xiàn)象。

3.3表面流速

通過油膜模擬結晶器保護渣，使得讀者更為方便的觀察油膜的運動情況，為了使圖片更具有說明性和理論依據(jù)，表3~表5分別為拉速在1.0、1.1、1.2m/min時的表面流速情況。為的是可以通過應用表面流速，對結晶器液面出現(xiàn)的卷渣情況進行定性的分析。無論是高粘度還是低粘度的保護渣，在表面流速小于71.4mm/s時都不發(fā)生卷渣現(xiàn)象，而在拉速為1.1m/min時，在位置3#和6#處發(fā)生卷渣現(xiàn)象，從而可以看出針對于此低粘度的保護渣，使其發(fā)生卷渣的臨界表面流速為87.7mm/s，正是由于在3#和6#處的表面流速都超過了此臨界值[7]，才使得結晶器在此位置卷渣，而在其他位置幾乎不出現(xiàn)卷渣情況。當拉速為1.2m/min時，結晶器表面的6個位置幾乎都超過了87.7mm/s，從而使得低粘度保護渣產生了嚴重的卷渣現(xiàn)象，這與圖6反應的情況是相符的；對于高粘度的保護渣來說，圖8中的2#、5#位置發(fā)生了卷渣現(xiàn)象，此高粘度的發(fā)生卷渣現(xiàn)象的臨界表面流速為101.2mm/s，雖然3#和6#的表面流速也遠大于這個值，但由于表面流速過大，從而使得該位置處的保護渣覆蓋較少，從而未發(fā)生卷渣現(xiàn)象。此結果與卷渣一般發(fā)生在水口與結晶器窄面1/3位置附近的結論相符[8]。

4結論

（1）低粘度保護渣發(fā)生卷渣的臨界表面流速為87.7mm/s，保護渣浸入結晶器液面的臨界深度為22mm，因此在進行結晶器優(yōu)化是可以依據(jù)此標準來進行。

（2）高粘度保護渣發(fā)生卷渣的臨界表流速為101.2mm/s，保護渣剛要發(fā)生卷渣時的臨界浸入深度為25mm，只有當保護渣的浸入深度大于此臨界深度時，才可能發(fā)生卷渣現(xiàn)象。

（3）無論是高粘度的保護渣還是低粘度的保護渣，發(fā)生卷渣的位置一般在水口與結晶器窄面1/3位置附近，因為此處的保護渣的浸入深度較大，表面流速也較大。

參考文獻：

[1]陸巧彤，楊榮光，王新華，等.板坯連鑄結晶器保護渣卷渣及其影響因素的研究[J].鋼鐵，2006，41(07):29-32.

[2]魯碧為.板坯連鑄結晶器鋼液流動控制研究[D].沈陽:東北大學，2012.

[3]趙志剛.立式板坯連鑄過程結晶器內鋼液行為的數(shù)學物理模擬[D].昆明:昆明理工大學，2012.

[4]徐海倫.板坯連鑄結晶器內氣泡行為和液渣分布規(guī)律的研究[D].重慶:重慶大學，2007.

[5]薛偉鋒.馬鋼薄板坯連鑄中間包和結晶器數(shù)理模擬研究[D].重慶:重慶大學，2005.

[6]杜恒科.寬板坯連鑄結晶器保護渣理化性能研究及應用[D].重慶:重慶大學，2006.

[7]薛偉鋒，文光華，唐萍，等.板坯連鑄結晶器內保護渣模擬方法的研究[J].鋼鐵研究，2005，33(3):13-16.

[8]雷洪，許海虹，朱苗勇，等.高速連鑄結晶器內卷渣機理及其控制研究[J].鋼鐵，1999，34(8):20-23.

作者:劉陽 張彩軍 劉中柱 單位:華北理工大學冶金與能源學院