矩型坯連鑄用扁平浸入式水口的設計開發(fā)

范文：近終型異型坯連鑄用扁平浸入式水口的設計開發(fā)摘要：針對萊鋼異型坯連鑄機實現(xiàn)全保護澆注的要求，開發(fā)了一種超扁平形狀的浸入式水口。該水口工作端采用了雙側孔結構，并結合不同澆注斷面和拉速進行了導流方式優(yōu)化，主要依據(jù)來自于結晶器內鋼水流動、自由液面波動以及傳熱凝固等綜合冶金行為的數(shù)值預報結果。熱態(tài)生產(chǎn)試驗表明，采用單支扁平形狀浸入式水口實現(xiàn)異型坯連鑄全保護澆注是可行的，所設計浸入式水口具有顯著穩(wěn)定結晶器熔池液面和促進保護渣熔化的作用，使用壽命初步達到要求，鑄坯內外質量得到明顯改善。關鍵詞:異型坯連鑄浸入式水口熱態(tài)試驗0前言基于近終形和短流程的工藝特點，通過異型坯連鑄為大型H型鋼生產(chǎn)提供原料具有投資少、生產(chǎn)效率高和加工成本低的特點。作為主流產(chǎn)品之一，H型鋼生產(chǎn)在萊鋼具有舉足輕重的地位。萊鋼銀山型鋼股份有限公司建成了國內先進大規(guī)格異型坯連鑄機，可生產(chǎn)555mm*440mm*90mm、750mm*370mm*90mm和1023.8mm*390mm*90mm三種規(guī)格的異型坯。與其國內外的眾多前身一樣，萊鋼異型坯連鑄機也主要采用半敞開式澆注的方式向結晶器注入鋼水，鋼水流量由定徑滑塊來控制，拉坯過程的結晶器熔池液面則通過拉矯機調整拉坯速度來加以穩(wěn)定但這種工藝在穩(wěn)定生產(chǎn)工藝和控制鑄坯質量兩方面卻暴露出了不少缺點。首先使用定徑滑塊和調整拉矯機速度并不能實現(xiàn)全程恒拉速生產(chǎn)和獲得穩(wěn)定的結晶器熔池液面，對鑄坯質量有不利影響；其次，采用兩支外掛水口進行半敞開式澆注將不可避免地造成鋼水二次氧化，既對鋼質有害又限制了大量高級別鋼種的生產(chǎn)；第三，外掛水口在結晶器熔池中形成了較大的沖擊深度，高溫鋼水偏向結晶器下部一方面會造成翼緣中心和R角處坯殼明顯減薄，同時還會惡化熔池液面的保護渣熔化喂入條件。結合萊鋼異型坯連鑄工藝特點，采用單支浸入式水口與塞棒系統(tǒng)配合，水口由腹板中心插入來獲得對稱的結晶器流場和實現(xiàn)坯殼均勻發(fā)育。異型坯連鑄結晶器的腹板厚度一般在90?120mm之間，比大多數(shù)薄板坯連鑄結晶器的開口度還要小1/3以上，這使得浸入式水口設計必須超扁平化，同時在協(xié)調水口冶金功能和使用壽命方面還面臨著巨大挑戰(zhàn)。顯然。改變已有澆注方式的核心問題之一是能否設計開發(fā)出一種全新的浸入式水口，既要求它能夠顯著改善結晶器熔池中的冶金行為，同時還要具備需要的使用壽命。經(jīng)多次冷態(tài)和熱態(tài)調試證明，采用單支浸入式水口實現(xiàn)異型坯連鑄全保護澆注是可行的，所設計超扁平浸入式水口具備良好的冶金功能和使用壽命，結晶器熔池中的各種冶金行為以及鑄坯質量均有明顯改善。1異型坯連鑄全保護澆注用扁平浸入式水口的結構特征異型坯連鑄全保護澆注用扁平浸入式水口的結構設計主要針對其浸入鋼水的工作端而開展。為充分實現(xiàn)良好的結晶器冶金功能，結合鑄坯斷面的具體特點設計了浸入式水口工作端結構，水口工作端內型見圖1。圖1水口工作端內型示意受結晶器腹板厚度的限制，水口渣線部位的壁厚已接近最小極限。為滿足多爐連澆的要求，浸入式水口采用了分體快換的設計方式，即水口分為上、下兩部分，浸沒在鋼水中的下水口可在澆鋼過程中實現(xiàn)快速更換。在BB1鑄坯斷面上，結晶器熔池寬度較小使得水口寬度受到了來自快換機構和快換操作的限制同時翼緣處坯殼距水口較近又容易受到水口射流的沖刷。為解決上述問題，水口在中心通道面積受到限制的情況下采用了較大的吐出孔高度和向下水平導流傾角，力求在保證坯殼均勻發(fā)育和實現(xiàn)熔池高溫區(qū)上移兩方面取得平衡，而工作端寬度由上向下呈逐漸收縮的方式則是為方便實現(xiàn)快換操作而設計的。在BB2和BB3鑄坯斷面上，水口射流對翼緣處坯殼沖刷的影響減小了很多，同時快換機構和快換操作也不對水口寬度形成限制，但結晶器熔池寬度增大使得高溫區(qū)充分上移變得重要起來。在BB2和BB3應用水口工作端設計上，吐出孔高度被適當減小來提高射流速度和減小射流的向下水平導流傾角，目的仍然是在坯殼均勻發(fā)育和熔池高溫區(qū)上移兩方面取得平衡。2異型坯連鑄全保護澆注用扁平浸入式水口的冶金功能分析針對萊鋼異型坯連鑄機的工藝設備條件，開發(fā)的一套數(shù)值仿真程序［1］上進行了所設計扁平浸入式水口冶金功能的評估分析，其中熔池中的湍流流動主要涉及水口射流形態(tài)、鋼水循環(huán)流動方式以及熔池液面起伏波動等，而鋼水傳熱與凝固行為則重點表現(xiàn)在高溫區(qū)位置和坯殼發(fā)育過程等方面。浸入式水口冶金功能評估分析針對的工藝條件針對萊鋼異型坯連鑄機進行了浸入式水口的冶金功能評估分析，選擇的具體工藝條件如下：1）鋼 種：中碳鋼2） 鑄坯斷面：BB1、BB2、BB33）拉 速：BB1，1.0m/min.BB2，0.9m/min.BB3，0.7m/min.此時結晶器鋼水通量在0.8~0.85t/min?之間。結晶器熔池中的鋼水流動方式萊鋼異型坯連鑄機采用半敞開式澆注方式時，兩只呈圓筒直管結構的浸入式水口被分別置于結晶器腹板與翼緣相交中心處，而采用單支水口實施全保護澆注時，扁平浸入式水口被置于腹板中心。仿真計算給出了結晶器熔池內鋼水湍流流動計算結果，圖2、3分別舉例給出了結晶器中心垂直截面鋼水流動方式和湍流有效粘度分布的對比。觀察發(fā)現(xiàn)，單支扁平水口在結晶器熔池中引發(fā)的循環(huán)流動的影響范圍要明顯小于雙直管水口，前者的鋼水沖擊深度被基本控制在結晶器高度以內；另外，前者造成的湍流脈動水平也比后者降低約1/3，并且影響深度也明顯減小。扁平水口帶來的鋼水流動方式的變化將促進結晶器熔池高溫區(qū)上移，進而改善熔池液面保護渣熔化和喂入條件；同時，湍流脈動水平整體降低和影響范圍減小將對凝固坯殼均勻發(fā)育非常有利。鑄坯斷面BB2,拉速0.9m/min.圖2異型坯連鑄結晶器中心垂直截面鋼水方式的對比鑄坯斷面BB2,拉速0.9m/min.圖3異型坯連鑄結晶器中心垂直截面湍流有效粘度（kg/m/s）分布的對比結晶器熔池液面起伏波動在選擇工況條件下，萊鋼異型坯連鑄機采用雙直管水口時的結晶器熔池液面波動和自由表面形狀具有基本相同的模式，只是波高差（波高－波谷）最大值之間隨著工藝參數(shù)不同存在差異（圖4）。由于鋼水通量在0.8?0.85t/min之間差距很小，故小斷面BB1的熔池液面最大波高差最大，而最大斷面BB3的熔池液面最大波高差最小，但因均未超過3mm故處于安全范圍之內。采用扁平水口后，異型坯連鑄結晶器熔池液面波動和起伏的方式發(fā)生了明顯的變化，其中水口用于BB1斷面時液面波峰位于翼梢和翼緣中心處，而波谷則處于翼緣和腹板的交接部位，也就是R角附近；而水口用于BB2和BB3斷面時，

由于設計強調了熔池高溫區(qū)上移，故整個翼緣區(qū)域主要表現(xiàn)為鋼水涌出區(qū)（波峰），而波谷則位于腹板區(qū)域。扁平水口帶來的熔池液面最大波高差由雙直管水口模式下的0.68?2.65mm降到了0.4?1.3mm以下（圖4）,熔池液面最大鋼水流速也由0.106?0.190m/s減小到了0.075?0.140m/s。3.5m,差

高波大最

最

m,差

高波大最

最

面液池

池熔器

器晶結

結3.02.52.01.51.00.5浸入深度：BB1,I型，160mmBB2、BB3,II型，150mm扁平水口雙直管水口0.0BB10.0BB11.0m/min.BB2 BB30.9m/min. 0.7m/min.圖4結晶器鋼水熔池液面最大波高差與工藝參數(shù)的關系結晶器熔池中鋼水溫度分布和坯殼發(fā)育圖5、6分別以BB1斷面為例給出了兩種澆注模式下仿真計算得到的結晶器1熔池鋼水溫度分布和出口處的坯殼發(fā)育情況。1鑄坯斷面BB1,拉速1.0m/min.9SOOE7OOOE41&.9CQECL3.SCQE41I5C0E9SOOE7OOOE41&.9CQECL3.SCQE41I5C0Ea.半敞開澆注模式 b.保護澆注模式鑄坯斷面BB1,拉速1.0m/min.圖6異型坯連鑄結晶器出口凝固坯殼發(fā)育情況對比在雙直管水口模式下，水口射流引發(fā)的高溫區(qū)域明顯偏向下方，熔池液面的鋼水基本上完全失去過熱（小于0.2K）,并且在小斷面BB1上表現(xiàn)的最為突出。鋼水高溫區(qū)偏下除了對保護渣熔化不利外，來自水口的高溫流股將導致結晶器下部坯殼明顯被沖刷減薄。雙直管水口及其所處位置造成的結晶器內坯殼發(fā)育不均勻主要表現(xiàn)在R角處和翼緣中心，尤其是R角處的坯殼與平均坯殼厚度相差較大。扁平水口顯著實現(xiàn)了結晶器熔池高溫區(qū)上移，熔池液面鋼水最大過熱度在1.3?2.7K之間，這對改善保護渣熔化和喂入條件是非常有利的。在三種鑄坯斷面中，BB1斷面的高溫區(qū)上移最為明顯，其次為BB2和BB3。但無論那種鑄坯斷面，具有明顯過熱的鋼水都沒有超過結晶器下口（圖5）。扁平水口射流強度減弱和熔池高溫區(qū)上移，使得結晶器過程凝固坯殼的發(fā)育更加趨于均勻。觀察圖6可以清晰地看出：雙水口澆注模式下翼緣中部和R角處坯殼的顯著減薄得到了顯著改善，尤其是R角處的坯殼發(fā)育與其它部位基本一致。3熱態(tài)生產(chǎn)試驗2008年以來，先后在萊鋼異型坯連鑄機上針對所開發(fā)扁平浸入式水口進行了多次熱態(tài)生產(chǎn)試驗。試驗表明，所開發(fā)浸入式水口能夠滿足近終型異型坯連鑄全保護澆注工藝的要求。通過雙渣線操作，單水口最多連續(xù)澆鋼時間達到了600分鐘，渣線侵蝕深度最深為8?10mm,處于設計范圍之內。熱態(tài)生產(chǎn)試驗還初步證實，扁平浸入式水口在全新澆注模式下具有突出的穩(wěn)定結晶器熔池液位和促使高溫區(qū)上移的作用,鑄機完全能夠實現(xiàn)恒拉速生產(chǎn)。在熔池液面得到穩(wěn)定控制得前提下,實際生產(chǎn)時的液面活躍程度也因高溫區(qū)上移有顯著提高,尤其是翼梢的改善最為突出。試驗過程中,結晶器熔池液面全被黑渣覆蓋,厚度分布均勻?，F(xiàn)場測量數(shù)據(jù)指出,在保護渣渣層總厚度基本相同的情況下（35?45mm）,液渣層厚度達到了8mm左右，比以往4?5mm提高了近一倍，同時渣耗量增加了0.03?0.05kg/t,達到了0.65kg/t左右。在鑄坯質量方面，熱態(tài)生產(chǎn)試驗的各級別鋼種鑄坯振痕清晰且表面質量良好，熱坯未發(fā)現(xiàn)縱裂缺陷產(chǎn)生，軋材質量正常。鑄坯表面測溫數(shù)據(jù)顯示，拉矯機前鑄坯各面溫度均比以往高出了約30C，各溫度分布見表1。表1原工藝與保護澆注工藝拉矯機前段面溫度分布（系數(shù)：0.9）測溫位置拉矯機前段面溫度/°C敞開澆鑄工藝保護澆注工藝窄面中心941952939959941953翼緣端部701719710906900910腹板中心782785781947929954內弧R角970965957972969973最大溫差26924624766 69 63有利于減小鑄坯在矯直過程中的應力和減少橫裂等缺陷產(chǎn)生。對試驗鑄坯進行了低倍取樣和檢驗，結果指出鑄坯內部質量有明顯改善，采用扁平水口實施全保護澆注的鑄坯中心疏松達到了B類1.0級，而采用雙直管水口進行半敞開式澆注的鑄坯中心疏松則多為B類1.5級(圖7)。扁平水口全保護澆注中心疏松B類1.0級雙直管水口半敞開式澆注中心疏松B類1.5級圖7熱態(tài)生產(chǎn)試驗Q345B鑄坯低倍組織檢驗結果對比4結論針對萊鋼異型坯連鑄機實現(xiàn)全保護澆注的要求，開發(fā)的超扁平形狀浸入式水口。經(jīng)熱態(tài)生產(chǎn)試驗，證實所設計超扁平浸入式水口具備良好的冶金功能和使用壽命，結晶器熔池中的各種冶金行為以及鑄坯質量均有明顯改善，能夠完全適應近終型異型坯連鑄鋼水全保護澆注的要求;采用單支扁平浸入式水口實現(xiàn)異型坯連鑄的全保護澆注是完全可行的，通過塞棒系統(tǒng)和熔池液位檢測控制系統(tǒng)可長時間保證鑄機恒拉速生產(chǎn)；所設計開發(fā)的扁平浸入式水口具有明顯的穩(wěn)定結晶器熔池液面和促使熔池高溫區(qū)上移的作用，同時其材質壽命可以滿足萊鋼異型坯連鑄實際生產(chǎn)的要求；熱態(tài)生產(chǎn)試驗表明，熔池液位波動控制在3mm之內，同時高溫區(qū)上移使保護渣液渣層厚度由以往4~5mm提高到了8mm左右，渣耗量也增加了0.03?0.05kg/t,達到了0.65kg/t;鑄坯振痕清晰、表面質量良好，拉矯機前鑄坯各面溫度升高，斷面溫度更加均勻，斷面各部位溫差平均由250C減低到100C以內，腹板溫度達到了900C以上，有利于減少鑄坯縱裂及橫裂缺陷的產(chǎn)生；熱態(tài)試驗典型鑄坯試樣的中心疏松達到了B類1.0級,較半敞開式澆注鑄坯中心疏松B類1.5級有明顯改善。參考文獻：[1]張慧,趙連剛,陶紅標．薄板坯連鑄結晶器內流動傳熱行為的仿真研究.鋼鐵.2006,41(5):24-28.BeamblankcontinuouscastingusingaflatsubmergednozzledesignanddevelopmentAbstract：Asuper-flatshapedsubmergedentrynozzle(SEN)wasdevelopedforLaigangBeamblankCastertoachievefullprotectioncasting.Thenozzlehasbilateralporestructureattheendofworkoutlet,anditsdiversionmodehasbeenoptimizedbydifferentc