浇铸参数对结晶器液面波动影响及其工业应用

陈斌^1,2,3，李海波^1,2,3，季晨曦^1,2,3，刘国梁^1,2,3，周海忱^1,2,3

(1. 首钢集团有限公司技术研究院， 北京 100043；2. 绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室， 北京 100043；3. 北京市能源用钢工程技术研究中心， 北京 100043)

摘要：板坯连铸结晶器液面的波动行为是结晶器内钢液流动、结晶器自身振动以及辊子挤压铸坯内部未凝固的钢液造成液面波动综合作用的结果。结晶器液位波动的稳定性对板坯连铸过程的卷渣行为有直接影响。在工业板坯连铸生产实践中，一般在结晶器某一区域(比如结晶器中部)利用放射源或涡流传感器检测液位波动来代表该工况下的整体波动水平。利用三维气液两相流动的数学模型研究了浇铸参数对结晶器液位轮廓的影响，浇铸参数包括拉速、吹氩流量、浸入式水口出口角度和浇铸断面。研究结果表明，结晶器不同宽度位置的波动幅值差异较大，且与工艺参数密切相关。液面的波峰与波谷之差随着拉速的增加在窄面附近逐渐增大，随着吹氩流量的增加在水口附近逐渐增大。在水口出口角度15°条件下，水口和窄面附近的液位波动均较大，而在水口出口角度45°条件下，仅在水口附近存在较大的液位波动。研究结果表明，使用板坯连铸常规的15°浸入式水口，当铸坯宽度大于800 mm时，结晶器液面检测需要在水口和窄面附近同时布置液位检测设备，以便更全面反应结晶器的真实液面行为，使液面波动对轧板表面质量指导性增强，有效提高连铸工艺的控制水平。如使用45°浸入式水口可以继续沿用原有的液位检测布置。

关键词：液位轮廓；气液两相流；数值模拟；液位检测；板坯；连铸结晶器

1 引言

结晶器液位波动与结晶器卷渣行为和最终产品质量密切相关。稳定、控制良好的结晶器液位对连铸机保持恒定拉速、稳定生产和减少液面卷渣至关重要。在工业浇铸生产实践中，一般在结晶器某一特定区域(比如结晶器中部)利用放射源或涡流传感器检测液位来代表该工况的整体液位波动。但利用该液位波动数据分析其与轧板质量关系过程中经常存在波动数据与后续轧板表面缺陷数据对应偏差的情况。因此，将某一位置液位波动作为该工况下结晶器液位波动的方法有待进一步优化。

研究这一问题的核心在于明确工艺参数对结晶器宽度不同位置处液位波动的影响。现有文献研究工艺参数对结晶器液面波动的影响很少考虑结晶器宽度位置的因素。比如Jeon Y等通过建立尺寸为1∶1的薄板坯连铸结晶器水模型，发现随着结晶器宽厚比减小，液面波动的周期性变化特征减弱。邓小旋等采用水模型和插钉板试验研究了在固定通钢量条件下连铸坯宽度对结晶器液面特征的影响，发现结晶器液面控制应根据铸坯宽度动态调节。任磊等通过插钉法得到了不同时刻下结晶器液面轮廓，研究发现连铸生产过程中结晶器内、外弧侧液位有差异。陈威等通过插钉法研究了吹氩流量对结晶器内流场分布的影响，并且定量分析了液位波动的变化，结果表明，液位波动随着吹氩流量的增加而增大。Anagnostopoulos J等模拟了水-油界面的行为，研究表明，降低拉速和增大水口出口角度可以减少液面波动。朱苗勇等通过数值模拟和水模试验相结合的方法研究了结晶器内钢-渣界面行为，发现提高拉速会使液面波动明显加剧。

关于不同位置处结晶器液位波动对比也有一些研究。比如CHEN Y等研究了两侧四孔“自制动”浸入式水口对结晶器液面波动的影响，发现“自制动”水口下从水口到窄面方向液位波动平稳。任磊通过水模型试验对宽板坯连铸结晶器在窄面、宽度1/4处以及水口两侧的液位波动进行了研究。发现窄面液面波动范围在-0.5~+0.5 mm内占总波动次数的26.7%；宽度1/4处液面波动范围在-0.5~+0.5 mm内占总波动次数的36%。但较少有文献报道工艺参数对结晶器不同位置液位波动的影响规律以及基于该研究优化液位检测位置。

本研究通过数值模拟计算了结晶器内钢液-氩气的流动，研究了拉速、吹氩流量、水口出口角度以及浇铸断面对结晶器液位分布的影响，研究结果为优化结晶器液位波动检测位置提供了直接参考依据。

2 精选图表