一种优化连铸开浇瞬态钢液流动的方法

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种优化连铸开浇瞬态钢液流动的方法。

背景技术：

各国对高洁净、高质量的钢铁产品需求越来越大，纷纷提高了产品质量要求。高洁净钢铁产品具有重要的应用和发展前景，但是洁净钢铁产品生产在各工序都存在关键问题需要解决，特别是结晶器开浇过程，即头坯浇注，不仅对头坯洁净度甚至整个连铸过程铸坯质量都有重要影响。

一般结晶器开浇过程首要保证钢液在引锭杆表面良好的凝固、充分的结合防止拉漏的问题，为此，通常需要在引锭杆表面上进行相应设计从而促进凝固，同时，通常使用挡板等手段控制注流飞溅等，然而结晶器内初始流动仍极其紊乱且从上游工序带来大量的氧化夹杂，导致头坯含有大量的夹杂物和气泡，最终影响铸坯洁净度。

因此目前头坯质量都很难达标，主动采用降级或报废处理的策略，降低了钢材收得率，造成了浪费，甚至某些情况下前三段坯都无法达到要求，甚至影响后续连铸坯的质量，特别是表面质量。现有的连铸坯头坯优化工艺，如改进浸入式水口结构、开浇快涨拉速、延长开浇中包氩气吹扫时间等，尚不能完全解决头坯的质量问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种优化连铸开浇瞬态钢液流动的方法，通过在结晶器底部引锭杆表面上合理设计弹簧和铁屑的排布方式来优化开浇瞬态结晶器内流场，从而提高连铸生产头段坯的质量。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种优化连铸开浇瞬态钢液流动的方法，具体包括以下步骤：

步骤s1、开浇前底面设计：在连铸结晶器底部表面上铺设促进钢液凝固的铺放物；

步骤s2、开浇过程：按照既定流程和操作进行开浇，拉坯直至连铸结束。

进一步的，所述铺放物为铁屑或铁屑与弹簧的组合物。

进一步的，所述铺放物为铁屑时，铺设方式为平铺铁屑或单凹陷排布铁屑或单凸起排布铁屑或多凹陷排布铁屑或凹陷凸起混合排布铁屑。

进一步的，所述铺放物为铁屑与弹簧的组合物时，所述弹簧的铺设方式为直排弹簧或对称满排弹簧或非对称满排弹簧，并通过铁屑填充覆盖弹簧；

进一步的，所述铺设方式为平铺铁屑时，铁屑的铺放厚度范围为4～30mm，并均匀铺满结晶器底部；所述铺设方式为单凹陷排布铁屑或单凸起排布铁屑或多凹陷排布铁屑或凹陷凸起混合排布铁屑的铺设方式时，铁屑的铺放厚度为8～20mm。

进一步的，所述铺设方式为单凹陷排布铁屑时，单凹陷位于结晶器底部中心位置，单凹陷的凹陷底部小圆直径为30mm，凹陷上部大圆直径为80mm；

所述铺设方式为单凸起排布铁屑时，单凸起位于结晶器底部中心位置，且凸起结构形成的球冠顶部最高8-16mm；所述铺设方式为多凹陷排布铁屑时，在结晶器底部呈正方形对称排列九个同等大小的凹陷，凹陷底部小圆直径为10mm，凹陷上部大圆直径为30mm；所述铺设方式为凹陷凸起混合排布铁屑时，在多凹陷排布铁屑的基础上，在各对角相邻的两个凹陷之间设计一个凸起，即共铺设出九个凹陷和四个凸起，且每个凸起顶部的小圆直径为20mm，凸起底部大圆直径为30mm。

进一步的，所述铺设方式为直排弹簧时，在结晶器底部沿着中心线，平行于结晶器侧壁铺设一层弹簧，不排满整个底部，结晶器前后壁有空隙，左右侧壁填满，间隙处通过铁屑填充覆盖弹簧并高于弹簧1-2mm；所述铺设方式为对称满排弹簧时，在直排弹簧的基础上，在结晶器底部铺放一层弹簧后，在距离结晶器前、后壁对称的两处空隙，垂直于结晶器侧壁铺放弹簧填充空隙，并通过铁屑填充覆盖弹簧并高于弹簧1-2mm；所述铺设方式为非对称满排弹簧时，先在结晶器底部紧贴后壁的一侧，平行于侧壁铺满一层弹簧，再于距离结晶器前壁的空隙处，垂直结晶器侧壁铺放弹簧至紧贴结晶器前壁，并通过铁屑填充覆盖弹簧并高于弹簧1-2mm。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、对现有工艺不需要进行大的改动，只需改变结晶器底面铺放物的排布方式即可实现对流场的优化控制，操作简单且基本不增加额外成本；

2、在防止开浇漏钢的基础上，优化后的排布方式最大可降低50％的水跃高度，减少60％的液面波动，缩短非稳态流动时间，有效改善连铸坯尤其是头坯的卷气氧化、夹杂物携带等质量问题，减少能源和资源消耗，从而降低生产成本。

附图说明

图1为结晶器底面单层平铺铁屑的结构示意图；

图2为结晶器底面单凹陷排布铁屑的结构示意图；

图3为结晶器底面单凸起排布铁屑的结构示意图；

图4为结晶器底面多凹陷排布铁屑的结构示意图；

图5为结晶器底面凹陷凸起混合排布铁屑的结构示意图；

图6为结晶器底面弹簧直排的结构示意图；

图7为结晶器底面弹簧对称满排的结构示意图；

图8为结晶器底面弹簧非对称满排的结构示意图；

图9为结晶器底面不同层数铁屑在开始水跃时刻液面处的水平速度示意图；

图10为结晶器底面不同层数铁屑在稳定时刻液面处的水平速度示意图；

图11为结晶器底面不同弹簧排布在开始水跃时刻液面处的水平速度示意图；

图12为结晶器底面不同弹簧排布在稳定时刻液面处的水平速度示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

实施例一

本实施例所提出的一种优化连铸开浇瞬态钢液流动的方法，具体实施步骤如下：

步骤s1、开浇前底面设计：在连铸结晶器1底部引锭杆表面上单独铺设铁屑2；如附图1所示，所述铁屑2采用平铺的铺设方式，且所述铁屑2的铺放厚度范围为4～24mm，并均匀铺满结晶器1底部；

步骤s2、开浇过程：按照既定流程和操作进行开浇，拉坯直至连铸结束。

实施例二

本实施例所提出的一种优化连铸开浇瞬态钢液流动的方法，具体实施步骤如下：

步骤s1、开浇前底面设计：在连铸结晶器1底部引锭杆表面上单独铺设铁屑2；如附图2所示，所述铁屑2采用单凹陷排布的铺设方式，所述铁屑2的铺放厚度为8～20mm，单凹陷位于结晶器1底部铁屑的中心位置，且凹陷结构4的凹陷底部小圆直径为30mm，凹陷上部大圆直径为80mm；

步骤s2、开浇过程：按照既定流程和操作进行开浇，拉坯直至连铸结束。

实施例三

本实施例所提出的一种优化连铸开浇瞬态钢液流动的方法，具体实施步骤如下：

步骤s1、开浇前底面设计：在连铸结晶器1底部引锭杆表面上单独铺设铁屑2；如附图3所示，所述铁屑2采用单凸起排布的铺设方式，所述铁屑2的铺放厚度为8～20mm，单凸起位于结晶器1底部铁屑的中心位置，且凸起结构5形成的球冠顶部最高8-16mm；

步骤s2、开浇过程：按照既定流程和操作进行开浇，拉坯直至连铸结束。

实施例四

本实施例所提出的一种优化连铸开浇瞬态钢液流动的方法，具体实施步骤如下：

步骤s1、开浇前底面设计：在连铸结晶器1底部引锭杆表面上单独铺设铁屑2；如附图4所示，所述铁屑2采用多凹陷排布的铺设方式，所述铁屑2的铺放厚度为8～20mm，在结晶器1底部呈正方形对称排列九个同等大小的凹陷结构4，且凹陷结构4底部的小圆直径为10mm，上部的大圆直径为30mm；

步骤s2、开浇过程：按照既定流程和操作进行开浇，拉坯直至连铸结束。

实施例五

本实施例所提出的一种优化连铸开浇瞬态钢液流动的方法，具体实施步骤如下：

步骤s1、开浇前底面设计：在连铸结晶器1底部引锭杆表面上单独铺设铁屑2；如附图5所示，所述铁屑2采用凹陷凸起混合排布的铺设方式，所述铁屑2的铺放厚度为8～20mm，在多凹陷排布铁屑的基础上，在各对角相邻的两个凹陷结构4之间设计一个凸起结构5，即共铺设出九个凹陷结构4和四个凸起结构5，且每个凸起结构5顶部的小圆直径为20mm，底部的大圆直径为30mm；

步骤s2、开浇过程：按照既定流程和操作进行开浇，拉坯直至连铸结束。

实施例六

本实施例所提出的一种优化连铸开浇瞬态钢液流动的方法，具体实施步骤如下：

步骤s1、开浇前底面设计：在连铸结晶器1底部引锭杆表面上同时铺设弹簧3和铁屑2；如附图6所示，所述弹簧3采用直排的铺设方式，即在结晶器1底部沿着中心线，平行于结晶器1侧壁铺设一层弹簧3，且不排满整个结晶器1底部，所述弹簧3的前后两端与结晶器1的前后壁之间留有空隙，所述弹簧3的左右两端与结晶器1的左右侧壁之间紧贴填满，所述弹簧3与结晶器1底部的间隙处均通过铁屑2填充覆盖弹簧3，且所述铁屑2高于弹簧1-2mm；

步骤s2、开浇过程：按照既定流程和操作进行开浇，拉坯直至连铸结束。

实施利七

本实施例所提出的一种优化连铸开浇瞬态钢液流动的方法，具体实施步骤如下：

步骤s1、开浇前底面设计：在连铸结晶器1底部引锭杆表面上同时铺设弹簧3和铁屑2；如附图7所示，所述弹簧3采用对称满排的铺设方式，即在直排铺设方式的基础上，在结晶器1底部铺放一层弹簧3后，在距离结晶器1前、后壁对称的两处空隙处，垂直于结晶器1的左右侧壁铺放弹簧3填充空隙，并通过铁屑2填充覆盖弹簧3，且所述铁屑2高于弹簧1-2mm；

步骤s2、开浇过程：按照既定流程和操作进行开浇，拉坯直至连铸结束。

实施例八

本实施例所提出的一种优化连铸开浇瞬态钢液流动的方法，具体实施步骤如下：

步骤s1、开浇前底面设计：在连铸结晶器1底部引锭杆表面上同时铺设弹簧3和铁屑2；如附图8所示，所述弹簧3采用非对称满排的铺设方式，即先在结晶器1底部紧贴后壁的一侧，平行于结晶器1侧壁铺满一层弹簧，再于距离结晶器1前壁的空隙处，垂直结晶器1侧壁铺放弹簧至紧贴结晶器1前壁，并通过铁屑2填充覆盖弹簧3，且所述铁屑2高于弹簧1-2mm；

步骤s2、开浇过程：按照既定流程和操作进行开浇，拉坯直至连铸结束。

本发明的作用原理在于：连铸过程结晶器处从开浇到浇注结束，均与水跃现象密不可分；结晶器浇注过程可以看作明渠流，其中由急流过渡为缓流时，流体高度发生局部突变现象称为水跃；急流在受到下游渠道缓流的顶托时，便会发生水跃；水跃区的流体可以分为两部分：上部不断翻腾旋滚，卷吸空气，下部是主流，是流速急剧变化的区域；这两部分的交界面上流速梯度很大，紊动掺混强烈，液体质点不断地穿越交界面进行交换。结晶器处从开浇到浇注结束，可以大致分成四个阶段：i非稳态阶段的开浇初期，在结晶器底部铺设弹簧和铁屑后，注流冲击到结晶器底部弹簧和铁屑上，形成相应流动现象的阶段，此时结晶器内液面高度极低；ii非稳态阶段的液面上升期，液面逐渐上升到工艺要求高度-浸入深度，引锭杆在液面达到工艺要求起始拉动；iii稳态阶段，液面保持工艺要求高度即浸入深度，拉坯稳定进行的阶段；iv非稳态的拉坯结束阶段(液面不断下降直到拉坯结束)。其中，从第ii阶段到第iv阶段的水跃形态符合经典水跃模型；而开浇初期第i阶段，也就是钢液注流接触结晶器底部表面时的情况，属于环形水跃；利用弹簧与铁屑的布置方式在结晶器内形成低槛，从而控制结晶器内钢液初始浇注的流场。

对连铸开浇进行相似比为1:4的水模型实验，结晶器相关参数见表1。用聚苯乙烯颗粒代替铁屑，在结晶器底部分别按照一层到六层颗粒、单凹陷排布颗粒、单凸起排布颗粒、多凹陷排布颗粒、凹陷凸起混合排布颗粒、直排弹簧、对称满排弹簧和非对称满排弹簧的底面设计进行开浇准备，其中一层颗粒厚度为1～2mm，凹陷、凸起排布颗粒的铺放包含2层、3层、4层的3种颗粒厚度铺放量。对于铺放弹簧的方案待弹簧铺设完成后再铺放1～2mm厚的颗粒。

表1结晶器参数

针对每一组拍摄图像，对开始水跃时刻和液面波动趋于稳定时刻的结晶器内流体流动情况进行分析，提取对应时刻最高液位以下2mm水平液位线上的速度分布。依据速度分布和液面波动情况，结合水跃高度与非稳态流动时间，综合确定较好的结晶器底面排布。

经具体物理模拟实验得出：

如附图9-10所示，对于在结晶器底部仅铺放铁屑的情况，随着拉速增大最佳的铁屑铺放厚度也随之增大，低拉速(0.8m/min)下二层铁屑(厚度3～4mm)效果较好，稳定时刻可减少50％的液面波动，降低25％水跃高度；中拉速(1.6m/min)下三层铁屑(厚度4～5mm)较好，稳定时刻可减少20％的液面波动，降低50％水跃高度；高拉速(2.4m/min)下五层铁屑(厚度6～7mm)较好，稳定时刻可减少60％的液面波动，降低50％水跃高度。

如附图11-12所示，对于同时铺放弹簧和铁屑的情况，满排弹簧在各拉速下均可以更好地优化开浇流场，在缩短非稳态流动时间的同时，可降低50％以上的水跃高度，减少60％的液面波动，从而有效改善连铸坯头坯的质量。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。