IF 鋼結晶器液面波動控制研究與優化

張燕平，姜仁波，張玉秀

（唐山不銹鋼有限責任公司，河北063105）

0 引言

板坯連鑄結晶器內，鋼液流場以及液面情況對鑄坯質量有著重要影響。結晶器鋼液流場和液面的不穩定將影響保護渣的熔化和使用效果，從而導致鑄坯缺陷的發生[1-4]。在板坯澆鑄過程中，若結晶器液面波動劇烈，易將表面保護渣卷入鋼水中，使得保護渣上浮不及時形成鑄坯內卷渣；若結晶器液面波動微弱，則表明結晶器內流場上回流強度小，會導致結晶器內鋼水對流換熱條件差，液面熱量得不到補充，不利于保護渣的熔化，使得保護渣液渣層厚度不足，潤滑作用減弱，易導致鑄坯表面裂紋的產生，甚至造成漏鋼事故[5-7]。因此，為控制板坯結晶器液面波動范圍，需要對影響液面波動的因素進行研究。

本文利用改進的插釘試驗裝置，測量結晶器內鋼液流態和表面流速，確定拉速、浸入式水口（SEN）浸入深度等因素與結晶器內雙環流和單環流的關系，并對某一斷面下的澆鑄參數進行優化。

1 試驗方案

為了調查研究不同澆鑄參數，如拉速、SEN 浸入深度等對結晶器內流態的影響，控制結晶器卷渣現象的發生，采用了插釘板試驗法測量結晶器內鋼液流態和表面流速，如圖1 所示。插釘法試驗主要步驟為：

（1）將插釘板垂直插入需要測量部位的鋼水表面；

（2）保持釘子在鋼水中3～5 s，當鋼水流過釘子時，鋼水會沿著釘子升高，與此對應釘子后部會產生一個負壓差，鋼水流過釘子時會形成一個高度差；

（3）移除釘子，空冷，等待粘在釘子上的鋼水凝固。凝固的鋼塊會出現一個高度差，此高度差可以反映鋼水流過該點的速度和方向。

圖1 插釘法試驗步驟示意圖

圖2 為插釘試驗中用到的釘板示意圖，為了避免影響現場的液位檢測，鋼釘采用不銹鋼材質。試驗測量時需在結晶器兩側同時插入，必須保證插釘板在操作過程中是垂直放下和提起。插釘板提起后，通過分析凝固在鋼釘上的鋼塊高度差h、鋼塊直徑d以及鋼塊高度差的方向θ（見圖3），可以分析出流過該插釘周圍鋼水的流速和流向。其流速V 可由下式計算：

式中：V為鋼水速度，m/s；d為凝鋼直徑，m；h為凝鋼高度差，m。

圖2 插釘法使用的插釘板及試驗后鋼釘上帶出鋼塊示意圖

圖3 鋼液流速方向定量示意圖

2 實驗結果與討論

為研究不同斷面條件下的拉速、SEN 插入深度、吹氬流量對結晶器鋼水流態的影響，根據DOE設計原理選取4 因子3 水平的篩選試驗，共計46種工況，測量釘板110 個。通過現場選取生產斷面為1 050 mm×200 mm 的IF 鋼，在拉速分別為1.1 m/min、1.6 m/min 時，研究了不同SEN 浸入深度對結晶器彎月面流速、液位分布及液位波動的影響。

2.1 拉速為1.1 m/min 時SEN 浸入深度對液面的影響

為了對比不同SEN 浸入深度下的液位分布，使用插釘凝鋼高度的最大值代表液位的高度。由于試驗過程無法保證結晶器兩側插釘板的插入深度一致，取歸一化后的液位分布來對比SEN 浸入深度對液位的影響。圖4 為拉速1.1 m/min 下，水口浸入為140 mm 和170 mm 深度時對彎月面輪廓的影響。

（1）由圖4 可知，隨著SEN 浸入深度的增大，水口附近的液位逐漸降低，窄面附近的液位逐漸升高；

（2）由圖4（a）可以看出，在水口浸入深度為140 mm 時，彎月面速度整體是從水口流向窄面，形成單環流流向，液位由水口向窄面方向逐漸降低；

（3）由圖4（b）可以看出，在水口浸入深度為170 mm 時，彎月面速度整體從窄面流向水口，形成雙環流流向，結晶器液位沿著窄面向水口方向先降低后升高，在結晶器寬度的1/4 處液位最低。雙環流下窄面和水口附近由于鋼液環流的抬升作用，使得液位分布呈現先降低后升高的規律；

（4）由圖4（a）和圖4（b）可知，隨著SEN 浸入深度的增加，水口附近鋼液向上的抬升作用減小，因此在SEN 浸入深度變化的過程中，浸入深度為170 mm 時水口附近液位低于浸入深度為140 mm 時水口附近液位。

圖4 拉速1.1 m/min 下，水口浸入深度對彎月面輪廓影響

圖5（a）、（b）分別對比了拉速1.1 m/min 下，SEN 浸入深度為140 mm 和170 mm 時，結晶器液位分布及液位波動的情況。試驗時插釘前后各穩定4 min 左右。結果表明在拉速1.1 m/min 的條件下，隨著SEN 浸入深度的增大，液位波動變化較大。SEN 浸入深度為140 mm 時，液位波動基本在2 mm以內；SEN 浸入深度為170 mm 時，液位波動存在較大值（500 s 后為170 mm 深的數值）。

為定量分析水口浸入深度對結晶器液位波動的影響，試驗選取了SEN 浸入深度分別為140 mm和170 mm 兩種情況下的結晶器液位波動范圍占比情況進行對比分析，其中結晶器液面波動區間分為小于1 mm、1～2 mm、2～3 mm 和大于3 mm 四個范圍，具體如圖6 所示。由圖6 可以看出，浸入深度為140 mm 和170 mm 時，0～1 mm 和1～2 mm 范圍內的液位波動比例相近；但SEN 浸入深度在170 mm時，2～3 mm 及大于3 mm 的液位波動比例明顯高于SEN 浸入深度140 mm 時的波動比例。由此可知，140 mm 的插入深度對結晶器液位穩定更有利，因此實際生產中拉速較低時，SEN 浸入深度應控制淺一些。

圖5 拉速1.1 m/min 下，水口浸入深度對結晶器液位的影響

圖6 1.1 m/min 時水口浸入深度對結晶器液位波動比例影響

2.2 拉速1.6 m/min 時SEN 浸入深度對液面的影響

在不改變其他條件的情況下，增大拉速至1.6 m/min 時，SEN 浸入深度分別為140 mm 和170 mm時，流場形態均為雙環流。圖7 為拉速1.6 m/min下，水口浸入為140 mm 和170 mm 深度時對彎月面輪廓影響。

圖7 拉速1.6 m/min 下水口浸入深度對彎月面輪廓影響

由圖7 可知，與拉速1.1 m/min 時相比，當拉速增大，雙環流隨之增強，浸入式水口浸入深度的影響相對減弱，因此1.6 m/min 下彎月面速度分布整體增加。

圖8（a）、（b）分別對比了拉速1.6 m/min 下，SEN浸入深度為140 mm 和170 mm 時，結晶器液位分布及液位波動的情況。試驗時插釘前后各穩定4 min 左右。結果表明：在拉速1.6 m/min 的條件下，隨著SEN浸入深度增加，液位波動相應增大，插入深度170 mm 的液位穩定性明顯低于插入深度140 mm 的液位穩定性。SEN 浸入深度為140 mm 時，液位波動基本在2 mm 以內；SEN 浸入深度為170 mm 時，液位波動存在較大值（500 s 后為170 mm 深的數值）。

圖8 拉速1.6 m/min 下水口浸入深度對結晶器鋼液面的影響

圖9 為拉速在1.6 m/min 時，SEN 浸入深度分別為140 mm 和170 mm 兩種情況下，對結晶器液位波動范圍占比情況的影響，其中結晶器液面波動區間分為了小于1 mm、1～2 mm、2～3 mm 和大于3 mm 四個范圍。由圖9 可知，浸入式水口浸入深度從140 mm 增大至170 mm 時，1～2 mm 液位波動比例分別為9.7%和14.6%。可以看出SEN 浸入深度為170 mm 時液位波動較為劇烈，因此在拉速1.6 m/min 時，SEN 浸入深度淺一些更有利于結晶器液位的穩定。

圖9 1.6 m/min 時水口浸入深度對結晶器液位波動范圍占比的影響

3 結語

通過不同SEN 浸入深度和不同拉速下板坯結晶器的插釘試驗，得到一些有益的結論。

（1）當SEN 浸入深度為140 mm，吹氬流量不改變，拉速為1.1 m/min 時，結晶器液面波動更穩定；拉速為1.6 m/min 時彎月面流速較適宜，保護渣熔化效果較好。

（2）連鑄機拉速1.1 m/min～1.6 m/min 范圍內時，SEN 的浸入深度設定140 mm 時，對結晶器液面波動有利，液位波動穩定率較高。因此實際生產拉速1.1 m/min～1.6 m/min 時浸入式水口浸入深度為140 mm 適宜，SEN 浸入深度不宜過深。