王育飛 趙定國 李 新 王書桓 李 陽 張凱璇

(華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山 063009)

潔凈鋼連鑄生產(chǎn)過程中，處于中間包和結(jié)晶器內(nèi)的大顆粒夾雜物依靠夾雜物自身的浮力排出，但是仍然有一些小尺寸的夾雜物無法完成上浮而被鋼液攜帶進(jìn)入冷凝坯中，留在產(chǎn)品內(nèi)，降低潔凈鋼質(zhì)量。其中夾雜物類型主要有三氧化二鋁，二氧化鈦，少量的二氧化硅、氧化錳等。

目前對于鋼水中夾雜物去除技術(shù)比較成熟的手段主要是鋼中吹氬攪拌、真空處理、中間包過濾、結(jié)晶器電磁攪拌等[1- 4]。其中吹氬攪拌主要通過氣泡吸附夾雜物，并帶動其上浮排出；真空處理主要機(jī)制是由于真空條件下脫碳過程會產(chǎn)生CO氣體，CO氣泡吸附夾雜物并帶動夾雜物上浮排除；而結(jié)晶器中的電磁攪拌則是通過電磁產(chǎn)生電場，從而達(dá)到攪拌、去除夾雜物的目的[5- 6]。但是中間包和結(jié)晶器內(nèi)夾雜物的去除依靠浮力，大尺寸的夾雜物易上浮，小尺寸夾雜物仍然留在鋼液內(nèi)。

為進(jìn)一步提高鋼液潔凈度，吸附鋼液中小尺寸的夾雜物，本課題利用耐材吸附桿吸附夾雜物的方法，采用插桿式塞棒去除水口處夾雜物。經(jīng)塞棒將耐材質(zhì)吸附桿插入浸入式水口內(nèi)腔上部吸附夾雜物，吸附桿使用的耐火材料為鈣鎂復(fù)合材質(zhì)。鈣鎂復(fù)合材質(zhì)具有凈化鋼液的能力[7]，可以將夾雜物更多地吸附在吸附桿上，控制浸入式水口壁面的夾雜物吸附數(shù)量，然后通過在吸附桿體表面構(gòu)造不同尺寸、方向的凹槽，實現(xiàn)吸附桿結(jié)構(gòu)的改變，以提高吸附桿吸附夾雜物的效率。

當(dāng)流體流經(jīng)帶凹槽結(jié)構(gòu)的表面時，由于凹槽對流體的阻礙作用，凹槽前緣使得流體與壁面分離，流動結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，形成了大量新的渦旋[8]，新生成的渦旋對凹槽表面施加影響，改變了凹槽表面附近流體的流動結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步影響鋼液中夾雜物的碰撞聚合、上浮長大[9- 10]。凹槽內(nèi)的夾雜物與壁面接觸后才有可能被壁面吸附，通過研究不同結(jié)構(gòu)吸附桿壁面夾雜物的運(yùn)動行為，為以后開展的熱態(tài)試驗研究夾雜物在吸附桿壁面的吸附速率奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)備及流程

水模擬試驗設(shè)定水口內(nèi)徑為37 mm，長度1 024 mm，水流速度1 m/s；采用拉坯速度為3 m/min的小方坯，試驗過程中控制中間包液面高度為700 mm。試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

試驗裝置是在相似理論的指導(dǎo)下[5]，與實際鋼廠中間包冶金過程具有相似的幾何特征、動力學(xué)特征，取相似比λ=1∶1。采用水模擬鋼液，塑料粒子模擬夾雜物。對于中間包內(nèi)夾雜物的模擬，Sahai和Emi提出[11]：

(1)

式中：R為粒子半徑，m；ρ為粒子密度，kg·m-3；下標(biāo)m和p分別代表模型和原型，inc、st和w分別代表夾雜物、鋼液和水。試驗相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 原型和模型的相關(guān)參數(shù)Table 1 Relative parameters of prototype and model

由式(1)及表1的相關(guān)參數(shù)可得，Rinc，m/Rinc,p=2.3，結(jié)合試驗所使用的直徑48 μm的示蹤粒子，可以模擬直徑20 μm的Al2O3夾雜物。

本試驗采用微小粒子示蹤法，利用粒度在5～7 μm的鋁粉，經(jīng)無水乙醇充分浸泡后增加鋁粉粒子的跟隨能力。當(dāng)中間包內(nèi)液面達(dá)到規(guī)定深度且流速穩(wěn)定后，將鋁粉試樣加入到浸入式水口入口附近。在暗室環(huán)境中，采用激光片光源平行照射凹槽觀測面，采用高速攝影機(jī)觀察記錄夾雜物在凹槽內(nèi)的碰撞、聚集，如圖2所示。

圖2 (a)正光側(cè)拍和(b)側(cè)光正拍示意圖Fig.2 Schematic diagrams of positive light side shoot and side light forward beat

吸附桿表面設(shè)計兩種類型的凹槽，結(jié)構(gòu)如圖3所示。吸附桿直徑為10 mm，凹槽尺寸如表2所示。試驗通過改變流經(jīng)吸附桿表面的鋼液流場，研究不同類型凹槽內(nèi)夾雜物的碰撞聚集。

圖3 3(a)矩型和(b)鉤型凹槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagrams of (a) rectangular and (b) hook groove structures

表2 不同類型凹槽尺寸 Table 2 Dimensions of different types of grooves

2 凹槽類型對夾雜物碰撞聚集的影響

2.1 凹槽類型對夾雜物碰撞的影響

試驗研究了鉤型凹槽和矩型凹槽內(nèi)夾雜物的碰撞行為。將片光源平行照射在凹槽入口處，在高速攝像輸出的1 s內(nèi)結(jié)果中，以t/ms為間隔選取具有代表性的一組圖片，統(tǒng)計粒子在一定時間內(nèi)的運(yùn)動情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 矩型凹槽內(nèi)夾雜物壁面碰撞Fig.4 Inclusions collision in the rectangular groove

由圖4可見，對于矩型凹槽，塑料粒子的碰撞主要集中在凹槽的上部。通過計算在0.01 s內(nèi)塑料顆粒與左壁面的碰撞次數(shù)為6次，則1 mm2面積上1 s內(nèi)碰撞次數(shù)為7.5；在 0.04 s時間內(nèi)塑料顆粒與凹槽后壁面碰撞 13次，則1 mm2面積上1 s內(nèi)碰撞次數(shù)為4.063。

矩型凹槽內(nèi)夾雜物在左壁面的碰撞次數(shù)比后壁面多且碰撞主要集中在中上部，是凹槽內(nèi)存在上下2個較為強(qiáng)烈的漩渦流場造成的[10]。大部分夾雜物粒子隨著下部的漩渦向上運(yùn)動，只有小部分的夾雜物粒子被拋向后壁面；上下2個漩渦在矩形凹槽的中上部位交匯(交匯位置距離后壁面較遠(yuǎn))，導(dǎo)致中上部位處的流場非?；靵y，夾雜物顆粒被拋向壁面的概率增加。因此，矩形凹槽內(nèi)夾雜物粒子在左壁面的碰撞比后壁面多且主要集中在中上部。

由圖5可見，對于鉤型凹槽塑料顆粒的碰撞集中在凹槽的中下部，鉤型凹槽左壁面在0.067 s內(nèi)碰撞14次，則1 mm2面積上1 s內(nèi)碰撞次數(shù)為3.265 ；鉤型凹槽后壁面平均碰撞次數(shù)為6.868 次/(s·mm2)。

圖5 鉤型凹槽內(nèi)夾雜物碰撞 Fig.5 Inclusions collision in the hook groove

鉤型凹槽內(nèi)夾雜物的碰撞在后壁面較多且碰撞集中在凹槽的下部，是鉤型凹槽內(nèi)存在一個范圍較大的強(qiáng)漩渦流場并且下部存在一個低流速區(qū)造成的[12]。鉤型凹槽內(nèi)漩渦的渦心靠近凹槽入口處，導(dǎo)致凹槽壁面附近存在一個邊界層，尤其是下部的倒鉤結(jié)構(gòu)，一旦夾雜物顆粒被漩渦拋向壁面很容易被倒鉤處的低流速區(qū)攔截，而倒鉤處的流體向后壁面方向運(yùn)動，導(dǎo)致夾雜物顆粒向后壁面運(yùn)動較多。

2.2 凹槽類型對夾雜物聚集的影響

由于實際鋼液中夾雜物的吸附行為十分復(fù)雜，單純的水模擬不可能模擬出實際的吸附情況，因此，對夾雜物的聚集區(qū)域進(jìn)行分析，得到夾雜物吸附的高概率吸附區(qū)。

根據(jù)高速攝像的結(jié)果，矩型凹槽內(nèi)夾雜物顆粒的聚集位置主要在凹槽上部，結(jié)果如圖6所示，夾雜物顆粒的運(yùn)動軌跡存在如下過程：1～1表示夾雜物進(jìn)入凹槽后隨漩渦運(yùn)動；1～2表示夾雜物顆粒被漩渦拋向矩型凹槽的上部低速區(qū)；1～3表示夾雜物進(jìn)入凹槽后隨漩渦運(yùn)動重新進(jìn)入到主流區(qū)；2～2表示夾雜物在凹槽的上角部低速區(qū)聚集，如褐色圓圈區(qū)域所示；2～3表示夾雜物由低速區(qū)重新進(jìn)入主流區(qū)。

圖6 矩型凹槽4 mm×4 mm×20 mm內(nèi)夾雜物聚集 Fig.6 Inclusions aggregating in the rectangular groove of 4 mm×4 mm×20 mm

根據(jù)高速攝像的圖像、視頻分析鉤型凹槽16 mm×4 mm/α=45°內(nèi)夾雜物聚集的情況，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可見，鉤型凹槽內(nèi)部存在一個靠近主流區(qū)的漩渦流場，夾雜物顆粒的運(yùn)動軌跡仍然存在上述矩型凹槽內(nèi)的各個過程。但是鉤型凹槽內(nèi)夾雜物顆粒的聚集位置發(fā)生了變化，夾雜物顆粒主要聚集在凹槽下部，凹槽上部的顆粒非常容易地隨著流場重新進(jìn)入到鋼液中。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是因為鉤型凹槽16 mm×4 mm/α=45°在制作時，凹槽上部與凹槽的后壁面形成了很好的倒角，對于流動速度較低的流體具有很好的導(dǎo)流作用，使得流體容易流出凹槽，同時由于夾雜物顆粒較小，其隨動性很好，導(dǎo)致了夾雜物顆粒非常容易地進(jìn)入了主流區(qū)；鉤型凹槽16 mm×4 mm/α=45°在制作時凹槽下部呈現(xiàn)出比較封閉的“溝狀”，在這個區(qū)域內(nèi)流體的流速較低，這樣凹槽下部與漩渦區(qū)存在著較大的速度梯度，導(dǎo)致夾雜物顆粒運(yùn)動到下部時容易脫離漩渦區(qū)，聚集在凹槽下部。

圖7 鉤型凹槽16 mm×4 mm/α=45°內(nèi)夾雜物聚集Fig.7 Inclusions aggregating in the hook groove of 16 mm×4 mm and α=45°

綜合以上對不同類型凹槽內(nèi)夾雜物行為的研究及分析，對于矩型凹槽及鉤型凹槽對夾雜物的聚集能力強(qiáng)弱可以做如下分析。矩型凹槽左壁面和后壁面的夾雜物碰撞次數(shù)總計為11.5次/(s·mm2)，鉤型凹槽左壁面和后壁面的夾雜物碰撞次數(shù)總計為10.1 次/(s·mm2)，顯然矩形凹槽內(nèi)的夾雜物更容易與壁面碰撞，較多的夾雜物壁面碰撞有利于吸附桿吸附夾雜物。

3 結(jié)論

(1)塑料顆粒1 s內(nèi)在矩型凹槽左壁面1 mm2面積上的碰撞次數(shù)為7.5，在凹槽后壁面的碰撞次數(shù)為4.063；塑料顆粒1 s內(nèi)在鉤型凹槽左壁面1 mm2面積上的碰撞次數(shù)為3.265，在后壁面的平均碰撞次數(shù)為6.868。

(2)塑料粒子在矩型凹槽內(nèi)的碰撞、聚集區(qū)主要集中在凹槽上部，在鉤型凹槽內(nèi)的碰撞、聚集區(qū)集中在凹槽的中下部。

(3)矩型凹槽較鉤型凹槽對夾雜物的聚集能力更強(qiáng)，即矩形凹槽內(nèi)的夾雜物更容易與壁面碰撞，凹槽吸附夾雜物的能力更強(qiáng)。

[1] 李小明, 史雷剛, 王尚杰, 等. 鋼液中夾雜物的行為特點和去除[J]. 熱加工工藝, 2012, 41(9):55- 58.

[2] THOMAS B G, HUANG X, SUSSMAAN R C. Simulation of argon gas flow effects in a continuous slab caster[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 1994, 25(4):527- 547.

[3] 馮巍,胡明謙,李德強(qiáng),等. 水口吹氬工藝板坯結(jié)晶器內(nèi)氣泡運(yùn)動行為的物理模擬[J]. 特殊鋼,2007,28(5):28- 30.

[4] 趙利榮, 王赟, 鐘云波,等. 電磁凈化中間包內(nèi)流場的數(shù)值模擬[J]. 上海金屬, 2008, 30(6):46- 50.

[5] YOKOYA S, TAKAGI S,SOUMA H. Removal of Inclusion through bubble curtain created by swirl motion in submerged entry nozzle [J]. ISIJ International, 1998, 38(10):1086- 1092.

[6] 岳強(qiáng), 陳懷昊. 鋼液中Al2O3夾雜物碰撞生長的動力學(xué)模型[J].過程工程學(xué)報,2014, 14(1):101- 107.

[7] 陳樹江, 田琳. 鈣鎂系耐火材料[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 2012.

[8] 高小明. 湍流邊界層控制對流動及換熱影響研究[D]. 天津：天津大學(xué), 2014.

[9] 沈巧珍, 杜建明. 冶金傳輸原理[M]．北京：冶金工業(yè)出版社, 2006.

[10] RUBINOW S I, KELLER J B. The transverse force on a spinning sphere moving in a viscous fluid[J]. Fluid Mechanics, 1961,11(3): 447- 459.

[11] SAHAI Y, EMI T. Criteria for water modeling of melt flow and inclusion removal in continuous casting tundish [J]. Transactions of the Iron & Steel Institute of Japan, 1996, 36(9):1166- 1173.

[12] 趙定國,高茗,李新,等. 帶吸附桿水口內(nèi)鋼液及夾雜物運(yùn)動物理模擬[J]. 煉鋼,2016,32(6):51- 56.