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浸入式水口水模型吹氬參數(shù)優(yōu)化方法

2015-07-30 17:12:04 安裝信息網(wǎng)

摘要

吹氬技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于鋼鐵生產(chǎn)中，其最主要的作用是加強(qiáng)鋼水在各種容器中的流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鋼水成分和溫度的均勻化以及促進(jìn)夾雜物的上浮。研究發(fā)現(xiàn)，在浸入式水口中吹人氬氣可抑制水口結(jié)瘤，吹入的氬氣最終形成氣泡并在結(jié)晶器中上浮，氣泡上浮過(guò)程中吸附夾雜物，也有利于鋼質(zhì)潔凈度的進(jìn)一步提高。模型計(jì)算結(jié)果顯示，直徑為0．5～2．0 mm的氣泡吸附夾雜物的效果更佳，可以最大量減少鋼中的夾雜物L(fēng) 4j。不同連鑄設(shè)備中鋼水的流場(chǎng)不同，對(duì)吹入氬氣的行為影響不同，而吹人的氬氣反過(guò)來(lái)也會(huì)影響鋼水的流場(chǎng) ，進(jìn) 而影響生產(chǎn)及連鑄坯質(zhì)量。結(jié)晶器內(nèi)氣泡的尺寸、數(shù)量和分布等受浸入式水口及結(jié)晶器內(nèi)鋼水和氣體流速、浸入式水口材質(zhì)及結(jié)構(gòu)等多個(gè)因素影響，正交試驗(yàn)法可以高效率地確定多個(gè)因素的最佳水平組合，因此本試驗(yàn)對(duì)某連鑄機(jī)進(jìn)行物理模擬，在水模型上設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究連鑄坯拉速和浸入式水口氬氣流速等因素對(duì)氣泡行為的影響，從而指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，找到獲得尺寸適宜氣泡的有效工藝參數(shù)組合，既能夠有效促進(jìn)夾雜物上浮，又不加劇連鑄坯氣泡和卷渣等缺陷。

采用 5 因素 3 水平的正交試驗(yàn)法，分析了連鑄坯拉速和浸入式水口的氬氣流速、側(cè)孔傾角、顯氣孔率及其浸人深度等 5 個(gè)因素對(duì)吹人浸入式水口中氬氣的行為的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，連鑄坯拉速和浸入式水口氬氣流速對(duì)結(jié)晶器內(nèi)氣泡的當(dāng)量直徑影響顯著，尤其浸入式水口氬氣流速對(duì)氣泡的當(dāng)量直徑影響最大，而對(duì)氣泡數(shù)量影響顯著的因素則是連鑄坯拉速和浸入式水口顯氣孔率。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

1． 1 試驗(yàn)設(shè)備

連鑄機(jī)結(jié)晶器原型尺寸為1570 mm * 230mm ，浸入式水口總長(zhǎng)度為1385 m m、內(nèi)徑為70mm，模型與原型的幾何相似比為 1： 3，試驗(yàn) 中使用水模擬鋼液，氬氣通過(guò)一塊安裝在中問(wèn)包滑板正上方的44mm ×14mm 長(zhǎng)方體耐火磚吹入浸入式水口中�？紤]到高溫狀態(tài)下鋼水對(duì)耐火材料的浸潤(rùn)角為 110°～140°，所以在試驗(yàn)所用耐火磚的內(nèi)壁上涂抹有機(jī)物，以改變水對(duì)耐火磚的浸潤(rùn)性，使耐火磚的浸潤(rùn)角達(dá)到約120°，從而更接近實(shí)際水平。

1． 2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)共選擇連鑄坯拉速和浸入式水口的氬氣流速、側(cè)孔傾角、顯氣孔率及其浸入深度等 5個(gè)因素，根據(jù)相似定理將實(shí)際工藝參數(shù)轉(zhuǎn)化為模型試驗(yàn)參數(shù)，設(shè)計(jì)了浸入式水口水模型的5因素3水平正交試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)中使用高頻相機(jī)跟蹤氣泡在結(jié)晶器中的運(yùn)行軌跡，每試驗(yàn)選取50組相片，統(tǒng)計(jì)氣泡尺寸和數(shù)量，并測(cè)量氣泡的沖擊深度和寬度，之后利用方差法對(duì)各因素進(jìn)行正交分析。浸入式水口中注流速度較快，氣泡不易被捕捉，試驗(yàn)中對(duì)結(jié)晶器內(nèi)氣泡的尺寸進(jìn)行了測(cè)量。連鑄坯拉速等5因素對(duì)氣泡當(dāng)量直徑 (指將橢球氣泡轉(zhuǎn)換為相同體積的球形時(shí)的直徑)的方差分析結(jié)果見(jiàn)表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2 ． 1 氣泡當(dāng)量直徑

氬氣通過(guò)耐火磚吹入浸入式水口后，在耐火磚內(nèi)壁形成氣泡。氣泡因耐火磚的浸潤(rùn)性而附著在其內(nèi)壁上，相互連接后尺寸增大，當(dāng)氬氣流速超過(guò)某臨界值后，最終形成氣膜覆蓋耐火磚內(nèi)壁。在耐火磚底部，氣膜在水流剪切力作用下又撕裂成氣泡，并進(jìn)入結(jié)晶器中。試驗(yàn)中各組條件下均產(chǎn)生了氣膜。耐火磚內(nèi)壁上的氣膜見(jiàn)圖1。

由表2可見(jiàn)，連鑄坯拉速等5 因素對(duì)氣泡當(dāng)量直徑的影響強(qiáng)度由強(qiáng)到弱的順序依次為浸入式水口氬氣流速、連鑄坯拉速、浸入式水口顯氣孔率、浸入式水口浸入深度和浸入式水口側(cè)孔傾角。其中，浸人式水口氬氣流速對(duì)氣泡當(dāng)量直徑影響較顯著，連鑄坯拉速的影響次之，而浸入式水口顯氣孔率、浸入深度及側(cè)孔傾角的影響則較微弱。連鑄坯拉速等5 因素對(duì)氣泡當(dāng)量直徑的影響如圖2所示。

由圖 2 可見(jiàn) ：

1) 氣泡當(dāng)量直徑隨著連鑄坯拉速的升高而減小，隨著浸入式水口氬氣流速的升高而增大。

2) 浸入式水口的側(cè)孔傾角、顯氣孔率及其浸入深度影響下的氣泡當(dāng)量直徑分布隨機(jī)且離散，方差也均較小，故可忽略其對(duì)氣泡當(dāng)量直徑的影響。

由上述分析可見(jiàn)，連鑄坯拉速是顯著影響氣泡當(dāng)量直徑的因素之一。修正后的韋伯準(zhǔn)數(shù)可用來(lái)計(jì)算氣泡在注流作用下可獲得的最大當(dāng)量直徑，本試驗(yàn)中不同連鑄坯拉速條件下氣泡最大當(dāng)量直徑的理論計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值見(jiàn)表3。

由表 3 可見(jiàn) ：

1) 給定條件下氣泡最大當(dāng)量直徑的實(shí)際測(cè)量值大多大于理論計(jì)算值，這是由于注流從浸入式水口進(jìn)入結(jié)晶器后流速降低，且氣泡間碰撞聚合，致使氣泡體積增大。

2 ) 氣泡最大當(dāng)量直徑隨著連鑄坯拉速的提高而減小。

2．2 氣泡數(shù)量

氣泡數(shù)量和分布對(duì)均勻鋼水溫度和成分及去除夾雜物有顯著影響。連鑄坯拉速等5 因素對(duì)氣泡數(shù)量的方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。

由表 4 可見(jiàn) ，各因素對(duì)氣泡數(shù)量的影響強(qiáng)度按由強(qiáng)到弱的順序依次為連鑄坯拉速、浸入式水口顯氣孔率、浸入式水口側(cè)孔傾角、浸入式水口浸入深度和浸入式水口氬氣流速。

連鑄坯拉速等 5 因素對(duì)氣泡數(shù)量的影響如圖3 所示。

由圖 3 可見(jiàn) ：

1)氣泡數(shù)量隨著連鑄坯拉速及浸入式水口顯氣孔率的升高而顯著增加。

2) 浸入式水口側(cè)孔傾角水平與氣泡數(shù)量也具有顯著關(guān)聯(lián) ，25°側(cè)孔傾角獲得的氣泡數(shù)量少于15°和35°側(cè)孔傾角，但進(jìn)一步的分析認(rèn)為，該結(jié)論受到其他試驗(yàn)條件的影響，因此其顯著性結(jié)論需進(jìn)一步確認(rèn) 。

3) 與連鑄坯拉速相比較，浸入式水口側(cè)孔傾角及其顯氣孔率對(duì)氣泡數(shù)量的影響要小很多。

4) 浸入式水口浸入深度和氬氣流速對(duì)氣泡數(shù)量的影響微小，在生產(chǎn)中可不予考慮。

2。3 氣泡分布

控制氣泡分布以提高氣泡捕獲夾雜物的幾率是提高連鑄坯質(zhì)量的重要措施，同時(shí)也要避免捕獲了大量AI203等夾雜物粒子的氣泡在上浮過(guò)程中被捕捉人連鑄坯中，造成軋材中產(chǎn)生線狀缺陷；大氣泡被捕捉入連鑄坯后生成的氣孔若在后續(xù)工序中不能彌補(bǔ)，也會(huì)帶至軋材中而影響軋材質(zhì)量。

連鑄坯拉速等5 因素對(duì)氣泡沖擊深度和寬度的方差分析結(jié)果見(jiàn)表5。

由表 5 可見(jiàn) ：

1)各因素對(duì)氣泡沖擊深度的影響強(qiáng)度由強(qiáng)到弱依次為浸入式水口側(cè)孔傾角、浸入式水口浸入深度、連鑄坯拉速、浸入式水口顯氣孔率和浸入式水口氬氣流速。其中，連鑄坯拉速、浸入式水口側(cè)孔傾角和浸入深度影響顯著。

2)各因素對(duì)氣泡沖擊寬度的影響強(qiáng)度由強(qiáng)到弱依次為連鑄坯拉速、浸入式水口側(cè)孔傾角、浸人式水口顯氣孔率、浸入式水口浸入深度和浸入式水口氬氣流速。其中，連鑄坯拉速和浸入式水口側(cè)孔傾角影響顯著。

結(jié)晶器和浸入式水口中的氣泡受浮力、重力以及鋼水下行運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的拉力作用，力學(xué)平衡計(jì)算的結(jié)果顯示：當(dāng)連鑄坯拉速增大時(shí)，氣泡獲得的速率也增大；對(duì)于相同當(dāng)量直徑的氣泡，越接近浸入式水口中心，獲得速率越大；當(dāng)連鑄坯拉速一定時(shí)，當(dāng)量直徑小的氣泡可以獲得更大的速率，但是在貼近浸入式水口內(nèi)壁處，氣泡當(dāng)量直徑超過(guò)某一臨界值后，則當(dāng)量直徑更大的氣泡可以獲得更快的速率。浸入式水口側(cè)孔傾角則影響了氣泡的運(yùn)行方向，在浸入式水口浸入深度確定時(shí)，其和連鑄坯拉速共同決定了氣泡在結(jié)晶器中的運(yùn)行軌跡。結(jié)晶器內(nèi)氣泡運(yùn)行區(qū)域邊界如圖4 所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 連鑄坯拉速和浸人式水口顯氣孔率對(duì)氣泡數(shù)量影響顯著。其中，連鑄坯拉速影響最強(qiáng)，氣泡數(shù)量均隨連鑄坯拉速和浸入式水口顯氣孔率的升高而增加。

2) 連鑄坯拉速對(duì)氣泡當(dāng)量直徑和數(shù)量、氣泡運(yùn)行軌跡均有顯著影響，浸入式水口的氬氣流速、側(cè)孔傾角、顯氣孔率及其浸人深度的影響的顯著性則各有區(qū)別。各因素的影響趨勢(shì)均存在不同，所以只有在掌握各因素對(duì)吹人氬氣行為的影響程度基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中的效果，方能最終確定最佳參數(shù)組合。

3) 在浸入式水口浸入深度確定時(shí)，連鑄坯拉速和浸入式水口側(cè)孔傾角是影響氣泡分布的顯著因素；當(dāng)其他因素不變時(shí)，氣泡沖擊深度和寬度隨連鑄坯拉速的升高而增加。

4) 吹入浸入式水口的氬氣最終生成氣泡，并在結(jié)晶器中上浮。

5) 連鑄坯拉速和浸入式水口氬氣流速對(duì)氣泡當(dāng)量直徑影響顯著。其中，浸入式水口氬氣流速影響最強(qiáng)，氣泡當(dāng)量直徑隨浸入式水口氬氣流速的增大而增大，隨連鑄坯拉速的升高而減小。

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