一種值得大力推廣的吹氬方法
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作者 陳 濤
吹氬技術(shù)已被廣泛應用于鋼鐵生產(chǎn)中，其最主要的作用是加強鋼水在各種容器中的流動，從而實現(xiàn)鋼水成分和溫度的均勻化以及促進夾雜物的上浮。研究發(fā)現(xiàn)，在浸入式水口中吹人氬氣可抑制水口結(jié)瘤，吹入的氬氣最終形成氣泡并在結(jié)晶器中上浮，氣泡上浮過程中吸附夾雜物，也有利于鋼質(zhì)潔凈度的進一步提高。模型計算結(jié)果顯示，直徑為0．5～2．0 mm的氣泡吸附夾雜物的效果更佳，可以最大量減少鋼 中的夾雜物L 4j。不同連鑄設備中鋼水的流場不同，對吹入氬氣的行為影響不同，而吹人的氬氣反過來也會影 響鋼水的流場 ，進 而影 響生產(chǎn)及 連鑄坯質(zhì)量。結(jié)晶器內(nèi)氣泡的尺寸、數(shù)量和分布等受浸入式水口及結(jié)晶器內(nèi)鋼水和氣體流速、浸入式水 口材質(zhì)及結(jié)構(gòu)等多個因素影響，正交試驗法可以高效率地確定多個因素的最佳水平組合，因此本試驗對某連鑄機進行物理模擬，在水模型上設計正交試驗，研究連鑄坯拉速和浸入式水口氬氣流速等因素對氣泡行為的影響，從而指導生產(chǎn)實踐，找到獲得尺寸適宜氣泡的有效工藝參數(shù)組合，既能夠有效促進夾雜物上浮，又不加劇連鑄坯氣泡和卷渣等缺陷。
采用 5 因素 3 水平的正交試驗法，分析了連鑄坯拉速和浸入式水口的氬氣流速、側(cè)孔傾角、顯氣孔率及其浸人深度等 5 個因素對吹人浸入式水口中氬氣的行為的影響。試驗結(jié)果表明，連鑄坯拉速和浸入式水 口氬氣流速對結(jié)晶器內(nèi)氣泡的當量直徑影響顯著，尤其浸入式水口氬氣流速對氣泡的當量直徑影響最大，而對氣泡數(shù)量影響顯著的因素則是連鑄坯拉速和浸入式水口顯氣孔率。
1 試驗設備和方法
1． 1 試驗設備
連鑄機結(jié)晶器原型尺寸為1570 mm * 230mm ，浸入式水口總長度為1385 m m、內(nèi)徑為70mm，模型與原型的幾何相似 比為 1： 3，試驗 中使用水模擬鋼液，氬氣通過一塊安裝在中問包滑板正上方的44mm ×14mm 長方體耐火磚吹入浸入式水口中�？紤]到高溫狀態(tài)下鋼水對耐火材料的浸潤角為 110°～140°，所以在試驗所 用耐火磚 的內(nèi)壁上涂抹有機物，以改變水對耐火磚的浸潤性 ，使耐火磚的浸潤角達到約120°，從而更接近實際水平。
1． 2 試驗方法
本試驗共選擇連鑄坯拉速和浸入式水口的氬氣流速、側(cè)孔傾角、顯氣孔率及其浸入深度等 5個因素 ，根據(jù)相似定理將實際工藝參數(shù)轉(zhuǎn)化為模型試驗參數(shù)，設計了浸入式水 口水模型的5因素3水平正交試驗，具體試驗參數(shù)見表1。
試驗中使用高頻相機跟蹤氣泡在結(jié)晶器中的運行軌跡，每試驗選取50組相片，統(tǒng)計氣泡尺寸和數(shù)量，并測量氣泡的沖擊深度和寬度，之后利用方差法對各因素進行正交分析。浸入式水口中注流速度較快，氣泡不易被捕捉，試驗中對結(jié)晶器內(nèi)氣泡的尺寸進行了測量。連鑄坯拉速等5因素對氣泡當量直徑 (指將橢球氣泡轉(zhuǎn)換為相同體積的球形時的直徑)的方差分析結(jié)果見表2。
2 試驗結(jié)果與討論
2 ． 1 氣泡當量直徑
氬氣通過耐火磚吹入浸入式水口后，在耐火磚內(nèi)壁形成氣泡。氣泡因耐火磚的浸潤性而附著在其內(nèi)壁上，相互連接后尺寸增大，當氬氣流速超過某臨界值后，最終形成氣膜覆 蓋耐火磚內(nèi)壁。在耐火磚底部，氣膜在水流剪切力作用下又撕裂成氣泡，并進入結(jié)晶器中。試驗中各組條件下均產(chǎn)生了氣膜。耐火磚內(nèi)壁上的氣膜見圖1。
由表2可見，連鑄坯拉速等5 因素對氣泡當量直徑的影響強度由強到弱的順序依次為浸入式水口氬氣流速、連鑄坯拉速、浸入式水口顯氣孔率、浸入式水 口浸入深度和浸入式水口側(cè)孔傾角。其中，浸人式水口氬氣流速對氣泡當量直徑影響較顯著，連鑄坯拉速的影響次之，而浸入式水口顯氣孔率、浸入深度及側(cè)孔傾角的影響則較微弱。連鑄坯拉速等5 因素對氣泡當量直徑的影響如圖2所示。
由圖 2 可見 ：
1) 氣泡當量直徑隨著連鑄坯拉速的升高而減小，隨著浸入式水口氬氣流速的升高而增大。
2) 浸入式水口的側(cè)孔傾角、顯氣孔率及其浸入深度影 響下的氣泡 當量 直徑分布 隨機且 離散，方差也均較小，故可忽略其對氣泡當量直徑的影響。
由上述分析可見，連鑄坯拉速是顯著影響氣泡當量直徑的因素之一。修正后的韋伯準數(shù)可用來計算氣泡在注流作用下可獲得的最大當量直徑，本試驗中不同連鑄坯拉速條件下氣泡最大當量直徑的理論計算值和實際測量值見表3。
由表 3 可見 ：
1) 給定條件下氣泡最大當量直徑的實際測量值大多大于理論計算值，這是由于注流從浸入式水口進入結(jié)晶器后流速降低，且氣泡間碰撞聚合，致使氣泡體積增大。
2 ) 氣泡最大當量直徑隨著連鑄坯拉速的提高而減小。
2．2 氣泡數(shù)量
氣泡數(shù)量和分布對均勻鋼水溫度和成分及去除夾雜物有顯著影響。連鑄坯拉速等5 因素對氣泡數(shù)量的方差分析結(jié)果見表4。
由表 4 可見 ，各因素對氣泡數(shù)量的影響強度按由強到弱的順序依次為連鑄坯拉速、浸入式水口顯氣孔率、浸入式水口側(cè)孔傾角、浸入式水口浸入深度和浸入式水口氬氣流速。
連鑄坯拉速等 5 因素對氣泡數(shù)量的影響如圖3 所示 。
由圖 3 可見 ：
1)氣泡數(shù)量隨著連鑄坯拉速及浸入式水口顯氣孔率的升高而顯著增加。
2) 浸入式水口側(cè)孔傾角水平與氣泡數(shù)量也具有顯著關(guān)聯(lián) ，25°側(cè)孔傾角獲得的氣泡數(shù)量少于15°和35°側(cè)孔傾角，但進一步的分析認為，該結(jié)論受到其他試驗條件的影響，因此其顯著性結(jié)論需進一步確認 。
3) 與連鑄坯拉速相比較，浸入式水口側(cè)孔傾角及其顯氣孔率對氣泡數(shù)量的影響要小很多。
4) 浸入式水口浸入深度和氬氣流速對氣泡數(shù)量的影響微小，在生產(chǎn)中可不予考慮。
2。3 氣泡分布
控制氣泡分布以提高氣泡捕獲夾雜物的幾率是提高連鑄坯質(zhì)量的重要措施，同時也要避免捕獲了大量AI203等夾雜物粒子的氣泡在上浮過程中被捕捉人連鑄坯中，造成軋材中產(chǎn)生線狀缺陷；大氣泡被捕捉入連鑄坯后生成的氣孔若在后續(xù)工序中不能彌補，也會帶至軋材中而影響軋材質(zhì)量。
連鑄坯拉速等5 因素對氣泡沖擊深度和寬度的方差分析結(jié)果見表5。
由表 5 可見 ：
1)各因素對氣泡沖擊深度的影響強度由強到弱依次為浸入式水口側(cè)孔傾角、浸入式水口浸入深度 、連鑄坯拉速 、浸入式水 口顯氣孔率和浸入式水口氬氣流速。其中，連鑄坯拉速、浸入式水口側(cè)孔傾角和浸入深度影響顯著。
2)各因素對氣泡沖擊寬度 的影 響強度 由強到弱依次為連鑄坯拉速、浸入式水 口側(cè)孔傾角 、浸人式水口顯氣孔率、浸入式水口浸入深度和浸入式水口氬氣流速。其中，連鑄坯拉速和浸入式水 口側(cè)孔傾角影響顯著。
結(jié)晶器和浸入式水口中的氣泡受浮力、重力以及鋼水下行運動產(chǎn)生的拉力作用，力學平衡計算的結(jié)果顯示：當連鑄坯拉速增大時，氣泡獲得的速率也增大；對于相同當量直徑的氣泡，越接近浸入式水口中心，獲得速率越大；當連鑄坯拉速一定時，當量直徑小的氣泡可以獲得更大的速率，但是在貼近浸入式水口內(nèi)壁處，氣泡當量直徑超過某一臨界值后 ，則當量直徑更大的氣泡可 以獲得更快的速率。浸入式水口側(cè)孔傾角則影響了氣泡的運行方向， 在浸入式水口浸入深度確定時，其和連鑄坯拉速共同決定了氣泡在結(jié)晶器中的運行軌跡。結(jié)晶器內(nèi)氣泡運行區(qū)域邊界如圖4 所示。
3 結(jié) 語
1) 連鑄坯拉速和浸人式水 口顯氣孔率對氣泡數(shù)量影響顯著。其中，連鑄坯拉速影響最強， 氣泡數(shù)量均隨連鑄坯拉速和浸入式水口顯氣孔率的升高而增加。
2) 連鑄坯拉速對氣泡當量直徑和數(shù)量、氣泡運行軌跡均有顯著影響，浸入式水口的氬氣流速、側(cè)孔傾角、顯氣孔率及其浸人深度的影響的顯著性則各有區(qū)別。各因素的影響趨勢均存在不同，所以只有在掌握各因素對吹人氬氣行為的影響程度基礎上，結(jié)合生產(chǎn)實踐中的效果，方能最終確定最佳參數(shù)組合。
3) 在浸入式水口浸入深度確定時，連鑄坯拉速和浸入式水口側(cè)孔傾角是影響氣泡分布的顯著因素；當其他因素不變時，氣泡沖擊深度和寬度隨連鑄坯拉速的升高而增加。
4) 吹入浸入式水口的氬氣最終生成氣泡，并在結(jié)晶器中上浮 。
5) 連鑄坯拉速和浸入式水口氬氣流速對氣泡當量直徑影響顯著。其中，浸入式水 口氬氣流速影響最強，氣泡當量直徑隨浸入式水口氬氣流速的增大而增大，隨連鑄坯拉速的升高而減小 。
