铁素体不锈钢水口结瘤对夹杂物运动轨迹的影响

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【摘 要】根据唐山不锈钢公司生产的铁素体不锈钢结晶器内钢液为研究对象,利用现场实际工艺参数,利用商业软件FLUENT,建立板坯结晶器流场和温度场的三维模型.结果表明:水口结瘤不利于夹杂物的上浮去除,两侧均没有结瘤的水口夹杂物的排出率最大,左侧全部堵死的水口的夹杂物的排出率最小.

【关 键 词 】水口结瘤;夹杂物;运动轨迹

1.前言

在浇铸409不锈钢容易产生氮化钛水口结瘤.这是因为409铁素体不锈钢钢液中含有钛元素,钢液进入水口时钢液中的钛会与水口中的二氧化硅反应,在水口内表面形成二氧化钛,在与三氧化铝、氧化镁等复杂化合物为核心,进而形成网状结构的氮化钛并附着在已经形成二氧化钛的水口内表面上凝固,进而导致结瘤[1].水口结瘤不仅会恶化铸坯质量,而且会减少连浇炉数,降低设备利用率和生产效率,增加生产成本.浇注过程中,水口堵塞将直接影响到连铸结晶器内钢液的流动形式,增加钢液不对称流动的趋势,造成流股分配不均,液面波动加剧.为此,结合唐山不锈钢公司连铸机生产实际,通过大型商业软件FLUENT来系统模拟生产铁素体不锈钢结晶器内浸入式水口结瘤对夹杂物运行轨迹[2-6]的影响.

2.研究方案

选择水口侧孔结瘤时结晶器内的流动形式作为研究对象,假定水口只有左侧孔结瘤,通过模拟结瘤率为0、下部50%、上部50%和100%4种条件下结晶器内钢液流动状态的变化,来分析铁素体不锈钢结晶器内浸入式水口结瘤对流场、温度场以及夹杂物运行轨迹的影响.水口结瘤模型如图1所示.

假设流体为不可压缩粘性流体,忽略结晶器钢水液面波动,结晶器钢水流动为稳态,结晶器断面尺寸为200mm×1550mm,结晶器高度为900mm.采用FLUENT商业软件进行计算,用 方程模型和标准壁面函数法,用有限体积的方法进行数值模拟计算,把计算域分为几个区域,每个区域单独划分网格.网格划分除水口及其附近外用四面体网格划分外,其余部分划分六面体网格.为了节约时间,取结晶器的1/2为计算域,采用直角坐标系,坐标原点位于结晶器出口位置,计算过程中采用SIMPLE算法对控制方程中的各项进行离散化处理,残差值设为10-6,通过多次迭代,获得收敛解.


3.浸入式水口结瘤对夹杂物运行轨迹的对比

在拉速为1.2m·min-1、浸入深度为160mm、侧开孔角度为向上5°时(图中结瘤侧均在水口左侧),不同结瘤尺寸及部位对结晶器内夹杂物的运行轨迹分布如图2所示(夹杂物粒径为100m),从图中可以看出:水口结瘤对结晶器夹杂物的运动轨迹影响较大,两侧均没结瘤水口的结晶器内部夹杂物的运动轨迹在水口两侧运动较规则,而结瘤水口在结晶器内部夹杂物的运动轨迹则呈现出紊乱运动,结瘤部位不同其运动轨迹也不径相同.

随着从侧孔水口射出的钢液流股向结晶器窄面推进,钢中夹杂物的浓度逐渐降低,而夹杂物的特征粒径却逐渐增大,在钢液夹带下与结晶器窄面碰撞后,夹杂物的分布也呈现出上下两个循环区的特征.结晶器内的流场分布和夹杂物的运动轨迹分布相一致,这也说明影响夹杂物分布的主要因素[7]是对流输送的流场特性.

图3是在拉速为1.2m·min-1、水口浸入深度为160mm、水口倾角为向上5°、夹杂物的密度为3500kg·m-3时的不同结瘤水口夹杂物排除率的对比图,从图中可知:夹杂物的当量直径从25m增大到300m时,上浮去除率随着夹杂物粒径的增大而呈增大趋势,这是因为小颗粒夹杂主要受流体流动影响,不容易上浮,而大颗粒夹杂由于体积较大,除了受钢液流动的影响外,还受到较大的浮力作用,其浮力大于自身的重力,所以容易上浮.

由于水口堵塞,水口从未结瘤侧射出的流股强度变大,流股撞击到窄面所产生的上、下回旋区强度也较大,而夹杂物上浮情况的好坏主要由下回旋区所决定,由于下回旋区强度大,冲击深度较深,大量夹杂物被带到结晶器下部难于上浮,所以夹杂物的去除率明显降低,这将大大恶化钢水的洁净度,造成铸坯质量问题.所以生产中应及时监测水口的结瘤情况,及时更换结瘤水口,使钢液流场分布趋于均匀分布.

4结论

(1)夹杂物上浮去除率随着夹杂物粒径的增大而呈增大趋势.

(2)水口结瘤对夹杂物的排除率产生极大影响,在当量直径从25m增大到300m时,未结瘤水口结晶器内的夹杂物去除率由18%上升到了77%.

(3)两侧均没有结瘤的水口夹杂物的排出率最大,左侧全部堵死的水口的夹杂物的排出率最小.

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