板坯連鑄結晶器內鋼液表面流速的水模型研究

基于現(xiàn)有設備及工藝條件下，板坯連鑄機在生產過程中極其容易出現(xiàn)結晶器鋼液面卷渣、翻鋼以及鑄坯表面出夾渣等嚴重現(xiàn)象。本文主要構建水模型，分析板坯結晶器液卷渣現(xiàn)象，探究其卷渣原因，基于控制水口結構參數(shù)以及工藝參數(shù)下，對卷渣影響因素進行系統(tǒng)分析，進而提出改進措施。

采用數(shù)值模擬的方法,建立了描述某廠結晶器內鋼液流動的數(shù)學模型;用有限體積法求解,研究了結晶器內的鋼液流動行為,詳細分析了結晶器浸入式水口(sen)插入深度、側孔傾角和拉速對結晶器內鋼液流場的影響。得出了適合該廠連鑄工藝條件的浸入式水口形式和拉坯速度,即水口合理的出口傾角應為向下15°左右;在水口結構一定條件下,水口插入深度140～170mm比較適宜;合理的拉速應控制在1.4～2.0m/min。

根據現(xiàn)場調研結果,采用物理模擬和數(shù)學模擬相結合的方法,系統(tǒng)地研究了浸入式水口單側結瘤對結晶器內流場、液渣層以及氣泡的影響,同時,還考察了不同體積的結瘤物脫落進入結晶器后的運動軌跡。研究結果表明,水口單孔結瘤將導致結晶器兩側流場不對稱。相比較于結瘤側,未結瘤側流量增加,流股沖擊增強,保護渣卷入鋼液的幾率增大,同時,未結瘤側的氣泡數(shù)量增多,氣泡穿透深度增大。此外發(fā)現(xiàn),不同體積結瘤物脫落進入結晶器后,粒徑較大者更容易上浮至結晶器液面。

主要闡述了承鋼提釩鋼軋二廠為提高產品質量,降耗增效,提出了結晶器流場存在的問題,圍繞著改善結晶器流場的思路,重點從保護澆注、振動、浸入式水口方面入手對結晶器流場進行了優(yōu)化,在生產中取得了顯著效果。

以150mm×1600~3250mm寬板坯連鑄結晶器為研究對象,利用大型商業(yè)軟件ansyscfx10.0建立了1個三維有限體積模型,對結晶器內鋼液的流動進行數(shù)值模擬。研究了拉速、浸入深度、水口傾角、斷面寬度等工藝參數(shù)對結晶器內流場和窄面沖擊壓力的影響。結果表明:隨著拉速的增大,表面流速和鋼液對窄面的沖擊壓力都顯著增加,采用較大的水口傾角和浸入深度,可以抑制液面波動,減少卷渣。

針對萊鋼3#板坯連鑄機結晶器振動裝置存在的問題,對其進行改造。采用液壓振動裝置來代替四輪偏心式機械振動裝置,建立結晶器重量及振動單元模型,應用ansys對系統(tǒng)的模態(tài)分析及瞬態(tài)分析計算。熱試結果表明,采用結晶器液壓振動裝置,可有效改善鑄坯質量。

天鋼3號連鑄機結晶器原為機械振動,其振動不平穩(wěn),維修成本高,影響初生坯殼在結晶器內的脫模及潤滑,鑄坯質量也受到影響.對3號連鑄機結晶器振動方式進行了改造,由原設計的四偏心式機械振動裝置改為液壓振動.改造后,實現(xiàn)了在線調控振動波形、振動振幅及振動頻率的目的,鑄機拉速提高,鑄坯振痕深度和鑄坯邊裂發(fā)生率降低,連鑄機生產過程中的振動更加穩(wěn)定,鑄坯質量得到進一步提高,在一定程度上也減少了漏鋼事故的發(fā)生幾率.

研究了南京鋼鐵集團公司煉鋼廠1000mm×180mm板坯連鑄結晶器喂鋁絲的工藝,結果表明,在鑄坯拉速1.09～1.22m/min、鋁絲喂速15～20m/min、喂鋁量167.26～249.61g/t時,鑄坯al含量均勻,改善了q345q鋼板材的機械性能。

針對不銹鋼板坯結晶器的特點建立了數(shù)學模型,考察了浸入式水口的出鋼孔傾角、插入深度、拉速、板坯寬度等對結晶器內鋼液流場的影響,為實際生產中澆注工藝參數(shù)的確定提供了理論依據,并在其后的生產中得到了應用。

國內某廠2臺板坯連鑄機在生產過程中,發(fā)生的粘結漏鋼事故全部集中在1號鑄機之上。觀測發(fā)現(xiàn)1號鑄機生產的鑄坯表面振痕相對更為紊亂,因此結晶器振動狀態(tài)不良是造成粘結漏鋼的主要原因,有必要對其進行檢測。設計并制造了一種便攜式板坯連鑄結晶器振動檢測裝置,其由數(shù)據處理計算機、數(shù)據線、加速度傳感器組成,同時開發(fā)了一套界面友好、操作簡便的振動檢測系統(tǒng)軟件,可對結晶器振動情況進行檢測和數(shù)據采集,并通過軟件快速自動生成關于結晶器振動頻率、振幅、偏擺、振動速度、振動位移及軌跡的分析報告,具有裝卸簡便、穩(wěn)定可靠、精度高的特點。檢測結果表明,1號鑄機的結晶器振動偏擺量可達到0.6mm以上,振動速度曲線不符合正弦函數(shù)規(guī)律。為此,對該鑄機的結晶器振動裝置進行了改進,粘結漏鋼頻率由6次/月降低到0~1次/月。

基于熱電偶實測溫度,建立了包晶鋼寬厚板坯連鑄結晶器有限元傳熱模型和熱流密度非線性估算模型.應用模型反算獲得包晶鋼寬厚板坯結晶器的熱流密度,在與熱平衡計算得到的平均熱流密度進行比較后,闡述了模型的有效性,并分析了實際生產條件下結晶器銅板的溫度分布規(guī)律.結晶器寬面和窄面的平均熱流密度分別為1.141和1.119mw·m~(-2).溫度在靠近結晶器背面呈波浪形分布,最大溫差為29.6℃,然而在遠離背面位置,溫度變化平緩.隨距彎月面距離的增加,溫度呈降低趨勢,然而在距結晶器出口附近出現(xiàn)回溫現(xiàn)象.同時寬厚板坯連鑄結晶器的熱流密度和溫度分布均有別于傳統(tǒng)板坯連鑄.

為研究結晶器內鋼液流場,通過對工藝參數(shù)的優(yōu)化,進一步提高鑄坯質量,以天津鋼鐵集團有限公司4#-vai板坯連鑄結晶器為原型進行水模試驗,通過調節(jié)拉速、水口浸入深度,研究了結晶器內流場形態(tài)、液面波動、流場沖擊深度和保護渣形貌等的變化情況。模擬試驗表明,在現(xiàn)有參數(shù)和水口尺寸情況下,結晶器流場合理、液面渣層平穩(wěn)、坯殼厚度均勻,能夠滿足鑄坯質量要求。

在連鑄生產工藝中,結晶器中鋼水液面的波動必須保持在一定范圍內,否則將直接影響拉坯質量,造成拉漏事故。采用鋼水液面控制儀,可將結晶器中的鋼水穩(wěn)定在一定的范圍內,大大提高拉坯質量,避免拉漏現(xiàn)象的發(fā)生。

本檢測裝置主要用于小方坯連鑄結晶器鋼水液面自動檢測和參予結晶器鋼水液面自動控制,以穩(wěn)定連鑄操作和實現(xiàn)操作最佳化,從而提高鑄坯質量和開拓新品種。本檢測裝置是基于鋼水的電渦流效應工作的。它由三部份組成:(1)激勵線圈和振蕩器用以產生一次交變磁通,并使其穿過被測鋼水液面,在鋼水中感應出電渦流,進而產生二次磁通;(2)檢測線圈用以檢測電渦流產生的二次磁通變化,并感應出電壓信號,該電壓信號的強弱反映了鋼水液位高低;(3)信號處理電路對檢測線圈感應出的電壓信號進行放大、處理,最后輸出標準電壓信號和電流信號。本裝置主要技術指標:

以低碳鋼種q235b、250mm×1600mm鑄坯為研究對象,在某鋼廠采用連鑄結晶器振動喂鋼帶技術,往連鑄結晶器鋼水中喂送低碳鋼帶。研究了連鑄結晶器振動喂鋼帶對鑄坯的組織結構以及性能的影響,結果表明,采用連鑄結晶器振動喂鋼帶技術,連鑄坯中心疏松與宏觀偏析分散且有所減輕,可改善其宏觀組織結構質量,降低軸向區(qū)域化學非均質性,以及提高厚軋板的可塑性。

介紹板坯連鑄機結晶器監(jiān)控系統(tǒng)(漏鋼預報系統(tǒng))的工藝特點、基本結構和工作原理,通過精確的檢測手段,來實現(xiàn)實際生產中的漏鋼預報功能,對目前造成系統(tǒng)誤報的因素進行分析,提出優(yōu)化方案,取得好的生產效果。

應用數(shù)值模擬軟件對唐鋼中薄板坯連鑄結晶器及浸入式水口內的鋼水流場、溫度場進行數(shù)值模擬,分析了水口結構、拉速、浸入深度和鑄坯斷面對流場和溫度場的影響,在此基礎上確定了水口的最佳結構和浸入深度,并在生產中進行了驗證,不但提高了鑄坯質量和產量且穩(wěn)定了連鑄生產。

連鑄技術由于生產效率高、成本低、鑄坯質量好,在鋼鐵生產中占有絕對的比例。因此,連鑄坯質量也直接制約著鋼鐵企業(yè)最終的產品質量和經濟效益。連鑄坯質量問題主要有連鑄坯內部的偏析、疏松和裂紋等。若要改善這些內部質量問題,解決思路之一就是改善其凝固的過程,提高等軸晶率。提高等軸晶率的方法又包括結晶器電磁攪拌、輕壓下、微合金化等,但是這些方法技術上都比較復雜,成本相對較高。

為研究連鑄過程中高溫區(qū)δ鐵素體含量對凝固傳熱的影響,采用商業(yè)有限元軟件ansys,利用單元生死技術,對316不銹鋼板坯的澆注過程進行了模擬。采用2-d模型,分別計算了δ鐵素體含量為0、25%、50%、75%及100%時坯殼出口溫度、坯殼厚度及表面溫度的變化,探討了坯殼生長及厚度變化規(guī)律。結果表明,隨著δ鐵素體含量升高,坯殼出口溫度升高,表面溫度變化劇烈,坯殼的出口厚度減薄。

介紹了差動渦流式連鑄結晶器鋼水液位儀的基本原理及構成。儀器可測量0～150mm的鋼水液位變化。傳感器的核心部分為1個發(fā)射線圈和2個接收線圈。信號放大單元采用差動調幅原理,提高了信噪比,擴大了量程。針對結晶器鋼水液位測量的特殊性,放大信號再經信號處理單元的若干環(huán)節(jié)處理成可靠的、適于鋼水液位控制的4～20ma線性隔離輸出信號。

通過分析結晶器滲漏水影響因素,找出結晶器寬、窄面銅板處滲漏水下線的主要原因,并制定和完善了符合現(xiàn)場實際的規(guī)程、制度、檢修作業(yè)標準,加強對維檢人員培訓,改進現(xiàn)場螺栓、密封圈材質以及嚴格備件驗收,使結晶器因滲漏水下線情況得到有效控制。

數(shù)值模擬了板坯結晶器內鋼液的綜合冶金行為。結果表明:鋼水的流動狀態(tài)主要決定于浸入式水口鋼水射流形態(tài)和強度。在已經給定浸入式水口工作端的條件下,由于水口吐出孔附近存在低壓抽引回流區(qū),所以鋼水僅從吐出孔下部流出,降低了水口吐出孔的有效利用面積。大斷面會使其彎月面的過熱度降低;坯殼溫度變化主要集中在窄面沖擊區(qū)域,該區(qū)域坯殼溫度隨鑄坯斷面增加而降低。斷面尺寸為1400mm×230mm和1600mm×230mm的鑄坯,結晶器出口處窄面凝固坯殼厚度能達到11.5mm;對于1800mm×230mm斷面在結晶器出口處窄面凝固坯殼厚度能達到13.4mm。鑄坯寬面坯殼厚度受斷面變化的影響很小。