矩型坯连铸用扁平浸入式水口的设计开发

范文：近终型异型坯连铸用扁平浸入式水口的设计开发摘要：针对莱钢异型坯连铸机实现全保护浇注的要求，开发了一种超扁平形状的浸入式水口。该水口工作端采用了双侧孔结构，并结合不同浇注断面和拉速进行了导流方式优化，主要依据来自于结晶器内钢水流动、自由液面波动以及传热凝固等综合冶金行为的数值预报结果。热态生产试验表明，采用单支扁平形状浸入式水口实现异型坯连铸全保护浇注是可行的，所设计浸入式水口具有显著稳定结晶器熔池液面和促进保护渣熔化的作用，使用寿命初步达到要求，铸坯内外质量得到明显改善。关键词:异型坯连铸浸入式水口热态试验0前言基于近终形和短流程的工艺特点，通过异型坯连铸为大型H型钢生产提供原料具有投资少、生产效率高和加工成本低的特点。作为主流产品之一，H型钢生产在莱钢具有举足轻重的地位。莱钢银山型钢股份有限公司建成了国内先进大规格异型坯连铸机，可生产555mm*440mm*90mm、750mm*370mm*90mm和1023.8mm*390mm*90mm三种规格的异型坯。与其国内外的众多前身一样，莱钢异型坯连铸机也主要采用半敞开式浇注的方式向结晶器注入钢水，钢水流量由定径滑块来控制，拉坯过程的结晶器熔池液面则通过拉矫机调整拉坯速度来加以稳定但这种工艺在稳定生产工艺和控制铸坯质量两方面却暴露出了不少缺点。首先使用定径滑块和调整拉矫机速度并不能实现全程恒拉速生产和获得稳定的结晶器熔池液面，对铸坯质量有不利影响；其次，采用两支外挂水口进行半敞开式浇注将不可避免地造成钢水二次氧化，既对钢质有害又限制了大量高级别钢种的生产；第三，外挂水口在结晶器熔池中形成了较大的冲击深度，高温钢水偏向结晶器下部一方面会造成翼缘中心和R角处坯壳明显减薄，同时还会恶化熔池液面的保护渣熔化喂入条件。结合莱钢异型坯连铸工艺特点，采用单支浸入式水口与塞棒系统配合，水口由腹板中心插入来获得对称的结晶器流场和实现坯壳均匀发育。异型坯连铸结晶器的腹板厚度一般在90〜120mm之间，比大多数薄板坯连铸结晶器的开口度还要小1/3以上，这使得浸入式水口设计必须超扁平化，同时在协调水口冶金功能和使用寿命方面还面临着巨大挑战。显然。改变已有浇注方式的核心问题之一是能否设计开发出一种全新的浸入式水口，既要求它能够显著改善结晶器熔池中的冶金行为，同时还要具备需要的使用寿命。经多次冷态和热态调试证明，采用单支浸入式水口实现异型坯连铸全保护浇注是可行的，所设计超扁平浸入式水口具备良好的冶金功能和使用寿命，结晶器熔池中的各种冶金行为以及铸坯质量均有明显改善。1异型坯连铸全保护浇注用扁平浸入式水口的结构特征异型坯连铸全保护浇注用扁平浸入式水口的结构设计主要针对其浸入钢水的工作端而开展。为充分实现良好的结晶器冶金功能，结合铸坯断面的具体特点设计了浸入式水口工作端结构，水口工作端内型见图1。图1水口工作端内型示意受结晶器腹板厚度的限制，水口渣线部位的壁厚已接近最小极限。为满足多炉连浇的要求，浸入式水口采用了分体快换的设计方式，即水口分为上、下两部分，浸没在钢水中的下水口可在浇钢过程中实现快速更换。在BB1铸坯断面上，结晶器熔池宽度较小使得水口宽度受到了来自快换机构和快换操作的限制同时翼缘处坯壳距水口较近又容易受到水口射流的冲刷。为解决上述问题，水口在中心通道面积受到限制的情况下采用了较大的吐出孔高度和向下水平导流倾角，力求在保证坯壳均匀发育和实现熔池高温区上移两方面取得平衡，而工作端宽度由上向下呈逐渐收缩的方式则是为方便实现快换操作而设计的。在BB2和BB3铸坯断面上，水口射流对翼缘处坯壳冲刷的影响减小了很多，同时快换机构和快换操作也不对水口宽度形成限制，但结晶器熔池宽度增大使得高温区充分上移变得重要起来。在BB2和BB3应用水口工作端设计上，吐出孔高度被适当减小来提高射流速度和减小射流的向下水平导流倾角，目的仍然是在坯壳均匀发育和熔池高温区上移两方面取得平衡。2异型坯连铸全保护浇注用扁平浸入式水口的冶金功能分析针对莱钢异型坯连铸机的工艺设备条件，开发的一套数值仿真程序［1］上进行了所设计扁平浸入式水口冶金功能的评估分析，其中熔池中的湍流流动主要涉及水口射流形态、钢水循环流动方式以及熔池液面起伏波动等，而钢水传热与凝固行为则重点表现在高温区位置和坯壳发育过程等方面。浸入式水口冶金功能评估分析针对的工艺条件针对莱钢异型坯连铸机进行了浸入式水口的冶金功能评估分析，选择的具体工艺条件如下：1）钢 种：中碳钢2） 铸坯断面：BB1、BB2、BB33）拉 速：BB1，1.0m/min.BB2，0.9m/min.BB3，0.7m/min.此时结晶器钢水通量在0.8~0.85t/min•之间。结晶器熔池中的钢水流动方式莱钢异型坯连铸机采用半敞开式浇注方式时，两只呈圆筒直管结构的浸入式水口被分别置于结晶器腹板与翼缘相交中心处，而采用单支水口实施全保护浇注时，扁平浸入式水口被置于腹板中心。仿真计算给出了结晶器熔池内钢水湍流流动计算结果，图2、3分别举例给出了结晶器中心垂直截面钢水流动方式和湍流有效粘度分布的对比。观察发现，单支扁平水口在结晶器熔池中引发的循环流动的影响范围要明显小于双直管水口，前者的钢水冲击深度被基本控制在结晶器高度以内；另外，前者造成的湍流脉动水平也比后者降低约1/3，并且影响深度也明显减小。扁平水口带来的钢水流动方式的变化将促进结晶器熔池高温区上移，进而改善熔池液面保护渣熔化和喂入条件；同时，湍流脉动水平整体降低和影响范围减小将对凝固坯壳均匀发育非常有利。铸坯断面BB2,拉速0.9m/min.图2异型坯连铸结晶器中心垂直截面钢水方式的对比铸坯断面BB2,拉速0.9m/min.图3异型坯连铸结晶器中心垂直截面湍流有效粘度（kg/m/s）分布的对比结晶器熔池液面起伏波动在选择工况条件下，莱钢异型坯连铸机采用双直管水口时的结晶器熔池液面波动和自由表面形状具有基本相同的模式，只是波高差（波高－波谷）最大值之间随着工艺参数不同存在差异（图4）。由于钢水通量在0.8〜0.85t/min之间差距很小，故小断面BB1的熔池液面最大波高差最大，而最大断面BB3的熔池液面最大波高差最小，但因均未超过3mm故处于安全范围之内。采用扁平水口后，异型坯连铸结晶器熔池液面波动和起伏的方式发生了明显的变化，其中水口用于BB1断面时液面波峰位于翼梢和翼缘中心处，而波谷则处于翼缘和腹板的交接部位，也就是R角附近；而水口用于BB2和BB3断面时，

由于设计强调了熔池高温区上移，故整个翼缘区域主要表现为钢水涌出区（波峰），而波谷则位于腹板区域。扁平水口带来的熔池液面最大波高差由双直管水口模式下的0.68〜2.65mm降到了0.4〜1.3mm以下（图4）,熔池液面最大钢水流速也由0.106〜0.190m/s减小到了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

器晶结

结3.02.52.01.51.00.5浸入深度：BB1,I型，160mmBB2、BB3,II型，150mm扁平水口双直管水口0.0BB10.0BB11.0m/min.BB2 BB30.9m/min. 0.7m/min.图4结晶器钢水熔池液面最大波高差与工艺参数的关系结晶器熔池中钢水温度分布和坯壳发育图5、6分别以BB1断面为例给出了两种浇注模式下仿真计算得到的结晶器1熔池钢水温度分布和出口处的坯壳发育情况。1铸坯断面BB1,拉速1.0m/min.9SOOE7OOOE41&.9CQECL3.SCQE41I5C0E9SOOE7OOOE41&.9CQECL3.SCQE41I5C0Ea.半敞开浇注模式 b.保护浇注模式铸坯断面BB1,拉速1.0m/min.图6异型坯连铸结晶器出口凝固坯壳发育情况对比在双直管水口模式下，水口射流引发的高温区域明显偏向下方，熔池液面的钢水基本上完全失去过热（小于0.2K）,并且在小断面BB1上表现的最为突出。钢水高温区偏下除了对保护渣熔化不利外，来自水口的高温流股将导致结晶器下部坯壳明显被冲刷减薄。双直管水口及其所处位置造成的结晶器内坯壳发育不均匀主要表现在R角处和翼缘中心，尤其是R角处的坯壳与平均坯壳厚度相差较大。扁平水口显著实现了结晶器熔池高温区上移，熔池液面钢水最大过热度在1.3〜2.7K之间，这对改善保护渣熔化和喂入条件是非常有利的。在三种铸坯断面中，BB1断面的高温区上移最为明显，其次为BB2和BB3。但无论那种铸坯断面，具有明显过热的钢水都没有超过结晶器下口（图5）。扁平水口射流强度减弱和熔池高温区上移，使得结晶器过程凝固坯壳的发育更加趋于均匀。观察图6可以清晰地看出：双水口浇注模式下翼缘中部和R角处坯壳的显著减薄得到了显著改善，尤其是R角处的坯壳发育与其它部位基本一致。3热态生产试验2008年以来，先后在莱钢异型坯连铸机上针对所开发扁平浸入式水口进行了多次热态生产试验。试验表明，所开发浸入式水口能够满足近终型异型坯连铸全保护浇注工艺的要求。通过双渣线操作，单水口最多连续浇钢时间达到了600分钟，渣线侵蚀深度最深为8〜10mm,处于设计范围之内。热态生产试验还初步证实，扁平浸入式水口在全新浇注模式下具有突出的稳定结晶器熔池液位和促使高温区上移的作用,铸机完全能够实现恒拉速生产。在熔池液面得到稳定控制得前提下,实际生产时的液面活跃程度也因高温区上移有显著提高,尤其是翼梢的改善最为突出。试验过程中,结晶器熔池液面全被黑渣覆盖,厚度分布均匀。现场测量数据指出,在保护渣渣层总厚度基本相同的情况下（35〜45mm）,液渣层厚度达到了8mm左右，比以往4〜5mm提高了近一倍，同时渣耗量增加了0.03〜0.05kg/t,达到了0.65kg/t左右。在铸坯质量方面，热态生产试验的各级别钢种铸坯振痕清晰且表面质量良好，热坯未发现纵裂缺陷产生，轧材质量正常。铸坯表面测温数据显示，拉矫机前铸坯各面温度均比以往高出了约30C，各温度分布见表1。表1原工艺与保护浇注工艺拉矫机前段面温度分布（系数：0.9）测温位置拉矫机前段面温度/°C敞开浇铸工艺保护浇注工艺窄面中心941952939959941953翼缘端部701719710906900910腹板中心782785781947929954内弧R角970965957972969973最大温差26924624766 69 63有利于减小铸坯在矫直过程中的应力和减少横裂等缺陷产生。对试验铸坯进行了低倍取样和检验，结果指出铸坯内部质量有明显改善，采用扁平水口实施全保护浇注的铸坯中心疏松达到了B类1.0级，而采用双直管水口进行半敞开式浇注的铸坯中心疏松则多为B类1.5级(图7)。扁平水口全保护浇注中心疏松B类1.0级双直管水口半敞开式浇注中心疏松B类1.5级图7热态生产试验Q345B铸坯低倍组织检验结果对比4结论针对莱钢异型坯连铸机实现全保护浇注的要求，开发的超扁平形状浸入式水口。经热态生产试验，证实所设计超扁平浸入式水口具备良好的冶金功能和使用寿命，结晶器熔池中的各种冶金行为以及铸坯质量均有明显改善，能够完全适应近终型异型坯连铸钢水全保护浇注的要求;采用单支扁平浸入式水口实现异型坯连铸的全保护浇注是完全可行的，通过塞棒系统和熔池液位检测控制系统可长时间保证铸机恒拉速生产；所设计开发的扁平浸入式水口具有明显的稳定结晶器熔池液面和促使熔池高温区上移的作用，同时其材质寿命可以满足莱钢异型坯连铸实际生产的要求；热态生产试验表明，熔池液位波动控制在3mm之内，同时高温区上移使保护渣液渣层厚度由以往4~5mm提高到了8mm左右，渣耗量也增加了0.03〜0.05kg/t,达到了0.65kg/t;铸坯振痕清晰、表面质量良好，拉矫机前铸坯各面温度升高，断面温度更加均匀，断面各部位温差平均由250C减低到100C以内，腹板温度达到了900C以上，有利于减少铸坯纵裂及横裂缺陷的产生；热态试验典型铸坯试样的中心疏松达到了B类1.0级,较半敞开式浇注铸坯中心疏松B类1.5级有明显改善。参考文献：[1]张慧,赵连刚,陶红标．薄板坯连铸结晶器内流动传热行为的仿真研究.钢铁.2006,41(5):24-28.BeamblankcontinuouscastingusingaflatsubmergednozzledesignanddevelopmentAbstract：Asuper-flatshapedsubmergedentrynozzle(SEN)wasdevelopedforLaigangBeamblankCastertoachievefullprotectioncasting.Thenozzlehasbilateralporestructureattheendofworkoutlet,anditsdiversionmodehasbeenoptimizedbydifferentc