中薄板坯連鑄鋼液純凈度控制理論工藝與應(yīng)用研究.pdf

1、薄板坯連鑄連軋工藝由于其流程短、單位投資少、能耗低和勞動(dòng)生產(chǎn)率高等特點(diǎn)受到鋼鐵界的重視和關(guān)注。中薄板坯(厚度在100～170 mm)連鑄是介于常規(guī)連鑄和薄板坯連鑄之間的一種鑄機(jī),其生產(chǎn)工藝和鑄坯品質(zhì)獨(dú)特,過程工藝控制復(fù)雜。因此,如何控制中薄板坯連鑄生產(chǎn)工藝以保證產(chǎn)品質(zhì)量就顯得尤為重要。針對(duì)目前中薄板坯連鑄工藝生產(chǎn)存在的連鑄鋼液純凈度難于滿足要求的問題,從中薄板坯連鑄鋼液精煉工藝研究、中間包鋼液純凈化研究、結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場與液面波動(dòng)行為控

2、制以及連鑄鋼液純凈度控制工藝現(xiàn)場應(yīng)用研究等方面著手,采用現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)與數(shù)理模擬相結(jié)合的研究方法對(duì)中薄板坯連鑄生產(chǎn)工藝展開了全面的研究,主要研究內(nèi)容和已獲得的結(jié)果如下:
　　 (1)結(jié)合中薄板坯連鑄現(xiàn)場生產(chǎn)過程,對(duì)中薄板坯生產(chǎn)用鋼水的精煉工藝過程進(jìn)行了現(xiàn)場在線優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究,考察并優(yōu)化了鋼包頂渣改質(zhì)、LF爐精煉和喂線等精煉工藝。結(jié)果表明:鋼包出鋼過程采用預(yù)熔型項(xiàng)渣改質(zhì)劑配加白石灰代替混合型改質(zhì)劑,可明顯提高頂渣堿度并降低∑(MnO+

3、FeO)含量,使回硫現(xiàn)象得到制止;LF爐精煉處理后的鋼水綜合質(zhì)量較高,但LF爐精煉脫硫效率不高,其深脫硫工藝控制水平有待于進(jìn)一步提高;根據(jù)鋼水喂線量和[Als]含量之間的回歸線性關(guān)系式確定喂線量,可有效控制鋼水氧含量和夾雜物形態(tài)。
　　 (2)利用相似原理,建立中薄板坯中間包內(nèi)流體流動(dòng)的水力學(xué)模型,通過對(duì)中間包內(nèi)流體流動(dòng)和停留時(shí)間分布特征的研究,考察了湍流控制器結(jié)構(gòu)、拉速和多孔擋墻等對(duì)中間包內(nèi)過程的影響規(guī)律,提出了適合現(xiàn)場生產(chǎn)用

4、的最佳中間包控流裝置組合方案;同時(shí),利用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍流模型方程和示蹤劑傳質(zhì)方程建立了描述中間包內(nèi)鋼水流動(dòng)的三維湍流數(shù)學(xué)模型,分析了水模型實(shí)驗(yàn)提出的最佳中間包控流裝置組合方案下的中間包內(nèi)鋼水流場和停留時(shí)間分布規(guī)律,對(duì)多孔擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)置下的中間包內(nèi)鋼水流動(dòng)特征也進(jìn)行了考察,為進(jìn)一步揭示中間包內(nèi)的流動(dòng)特征和驗(yàn)證最佳控流裝置方案的合理性提供了理論依據(jù),也為現(xiàn)場生產(chǎn)和優(yōu)化操作參數(shù)提供指導(dǎo)依據(jù)。水模實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果表明:最佳的控流裝置組

5、合結(jié)構(gòu)為湍流控制器方形,壩與堰的距離540 mm,堰高180 mm,壩底縫200 mm。在相同拉速(2.4 m/min)下,多孔擋墻設(shè)置下的中間包在不加湍流控制器時(shí),其死區(qū)體積比為11.83％,加湍流器時(shí)降為9.1％,活塞流體積比由28.08％增至37.94％。
　　 (3)通過水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)模擬結(jié)合的方法建立了描述結(jié)晶器內(nèi)流體流動(dòng)和鋼(水)/渣(油)界面行為的三維數(shù)學(xué)與物理模型,分析了三孔浸入式水口的浸入深度、側(cè)孔傾角和

6、底孔直徑以及拉速、結(jié)晶器寬度和吹氬等工藝參數(shù)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流體流動(dòng)、液面波動(dòng)和卷渣行為的影響規(guī)律,給出了操作參數(shù)與流動(dòng)和界面波動(dòng)間的定量關(guān)系,并提出了優(yōu)化和控制結(jié)晶器內(nèi)流場和抑制鋼/渣界面波動(dòng)的措施。數(shù)學(xué)物理模擬的結(jié)果表明:在一定拉速下,增加水口浸入深度、側(cè)孔傾角和底孔直徑均能明顯降低結(jié)晶器內(nèi)流體界面速度和穩(wěn)定液面波動(dòng);提高拉速明顯加劇鋼/渣界面波動(dòng)和增加界面速度;吹氬則使水口附近的鋼/渣界面波動(dòng)加劇。拉速2.5 m/min時(shí),最大界面速度

7、由水口浸入深度100 mm時(shí)的0.53 m/s減至浸入深度160 mm時(shí)的0.16m/s,最大波高由界面破裂狀態(tài)(100 mm)降至13 mm(160 mm);同樣,最大界面速度由水口側(cè)孔傾角向下10°時(shí)的0.58 m/s減至傾角向下25°時(shí)的0.17 m/s,鋼/渣界面最大波高也由破裂狀態(tài)降至10 mm;隨水口底孔直徑由Φ35×30 mm增至Φ35×45mm,界面亦由破裂狀態(tài)到最大波高為11 mm,最大界面速度由0.44 m/s降至0

8、.28m/s;拉速由1.8 m/min升至3.0 m/min過程中,最大波高由3 mm增至鋼/渣界面破裂狀態(tài),最大界面速度亦由0.1 m/s增至0.51 m/s。
　　 (4)在中間包和結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)行為模擬研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了中間包湍流控制器和結(jié)晶器水口改進(jìn)的現(xiàn)場在線工藝應(yīng)用試驗(yàn),對(duì)鑄坯和成品材質(zhì)量進(jìn)行了系統(tǒng)分析,以進(jìn)一步明確鑄坯質(zhì)量優(yōu)劣和工藝改進(jìn)效果;同時(shí),對(duì)包晶鋼連鑄生產(chǎn)工藝也進(jìn)行了在線優(yōu)化研究。結(jié)果表明:鑄坯中主要缺陷為中

9、心疏松、中間裂紋和三角區(qū)裂紋;鑄坯中條痕及起皮缺陷的存在主要是復(fù)合夾雜和保護(hù)渣等卷入鋼液所致,改進(jìn)水口密封碗和采用新型中間包覆蓋劑等措施可有效消除此類缺陷。使用中間包湍流控制器的鋼液混合段時(shí)間為4.11 min,鋼液全氧去除率為24.06％,液面平穩(wěn),卷渣幾率、鋼液夾雜和氣體含量均明顯降低。通過調(diào)整結(jié)晶器水口底孔直徑(由Φ35mm調(diào)整至Φ35×38 mm),水口絮結(jié)現(xiàn)象得到有效抑制,結(jié)晶器銅板壽命提高,過鋼量提高50％,液面穩(wěn)定,夾雜物