D0I:10.13374/i.issnl00It03.2009.06.014 第31卷第6期 北京科技大学学报 Vol.31 No.6 2009年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2009 连铸保护渣道动态压力计算模型及影响因素 王宏明王振东 李桂荣赵玉涛 江苏大学材料科学与工程学院，镇江212013 摘要通过建立保护渣道压力计算模型，研究了保护渣道压力随结晶器振动的周期性变化规律以及保护渣道形状参数，连 铸工艺参数和保护渣黏度对渣道压力的影响·结果表明：结晶器达到最大上振速度和最大下振速度时，渣道压力分别达到最 大负压和最大正压：保护渣道形状参数对渣道压力有重要影响，渣道入口宽度和出口宽度增加，渣道正负压力都明显下降，而 渣道长度增加，渣道正负压力最大值都增加：拉坯速度与结晶器振动速度都影响渣道压力，拉坯速度增加，渣道最大负压增 加，而最大正压减小：结晶器振动速度和保护渣黏度增加，使渣道最大正负压力都增加 关键词连铸：保护渣道；结晶器振动：拉速：振动速度：黏度 分类号TG249.7:TG111.4 Impact factors and mathematical model of dynamic pressure in a mould flux chan- nel WA NG Hong-ming,WA NG Zhen-dong,LI Gui-rong,ZHAO Yu-tao Materials Science and Engincering School,Jiangsu University.Zhenjiang 212013,China ABSTRACT A mathematical model of dynamic pressure in a mould flux channel was established.and the pressure fluctuation rule was simulated.The effects of mould flux channel shape parameters,continuous casting technical parameters and mould flux viscosity on the pressure were researched.The results indicate that the flux channel pressure comes to the negative maximum and positive max- imum when the mould oscillation velocity reaches the maximum upward velocity and the maximum downward velocity,respectively. The parameters of mould flux channel shape have important effect on the pressure.Both the positive pressure and negative pressure are depressed greatly with the increases of flux channel entrance and exit widths.But the increase of flux channel length makes the pressure large.Both the withdrawal speed and mould oscillation velocity influence the flux channel pressure.With increasing with- drawal speed.the maximum of negative pressure is enlarged,while the maximum of positive pressure is depressed.The increases of mould oscillation velocity and flux viscosity make the maximums of positive pressure and negative pressure enhanced. KEY WORDS continuous casting:mould flux channel:mould oscillation:withdrawal speed:oscillation velocity:viscosity 结晶器振动和保护渣润滑是钢连铸成功的关键 数量级)，难以用实验手段进行精确测量.本文根 技术.但是，结晶器振动导致保护渣道压力周期性 据连铸保护渣润滑理论，通过保护渣道压力计算模 变化，进而引起钢液弯月面变形波动，被认为是连铸 型，分析了保护渣道形状、结晶器振动参数、拉坯速 坯表面振痕缺陷产生的主要原因】，连铸坯振痕 度以及保护渣性能等因素对保护渣道压力的影响规 本身就是一种表面缺陷，而且振痕又是皮下夹渣、气 律，为控制保护渣道压力、改善保护渣润滑效果并最 泡和针孔等表层缺陷的集中地带。因此，要尽量控 终提高铸坯表面质量提供理论基础. 制振痕缺陷，则需要研究如何控制保护渣道压力，使 1保护渣道动态压力计算模型 保护渣既能起到好的润滑效果，又能最大限度地减 轻振痕[].保护渣道宽度本身在10-2~10-1mm 图1是弯月面区域示意图.本文研究的是保护 收稿日期：2008-06-17 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(N。,2007AA03z54805):江苏省高技术研究重点资助项目(N。,BC2007030):江苏大学高级人 才启动基金资助项目(N。-07DG084):江苏省高校自然科学研究计划资助项目(N。,05KJD150043) 作者简介：王宏明(1974-)，男，副教授，博士，E mail:w hmlgr(@js-edu-cn
连铸保护渣道动态压力计算模型及影响因素 王宏明 王振东 李桂荣 赵玉涛 江苏大学材料科学与工程学院镇江212013 摘 要 通过建立保护渣道压力计算模型研究了保护渣道压力随结晶器振动的周期性变化规律以及保护渣道形状参数、连 铸工艺参数和保护渣黏度对渣道压力的影响．结果表明：结晶器达到最大上振速度和最大下振速度时渣道压力分别达到最 大负压和最大正压；保护渣道形状参数对渣道压力有重要影响渣道入口宽度和出口宽度增加渣道正负压力都明显下降而 渣道长度增加渣道正负压力最大值都增加；拉坯速度与结晶器振动速度都影响渣道压力拉坯速度增加渣道最大负压增 加而最大正压减小；结晶器振动速度和保护渣黏度增加使渣道最大正负压力都增加． 关键词 连铸；保护渣道；结晶器振动；拉速；振动速度；黏度 分类号 TG249∙7；TG111∙4 Impact factors and mathematical model of dynamic pressure in a mould flux channel W A NG Hong-mingW A NG Zhen-dongLI Gu-i rongZHA O Y u-tao Materials Science and Engineering SchoolJiangsu UniversityZhenjiang212013China ABSTRACT A mathematical model of dynamic pressure in a mould flux channel was establishedand the pressure fluctuation rule was simulated．T he effects of mould flux channel shape parameterscontinuous casting technical parameters and mould flux viscosity on the pressure were researched．T he results indicate that the flux channel pressure comes to the negative maximum and positive maximum when the mould oscillation velocity reaches the maximum upward velocity and the maximum downward velocityrespectively． T he parameters of mould flux channel shape have important effect on the pressure．Both the positive pressure and negative pressure are depressed greatly with the increases of flux channel entrance and exit widths．But the increase of flux channel length makes the pressure large．Both the withdrawal speed and mould oscillation velocity influence the flux channel pressure．With increasing withdrawal speedthe maximum of negative pressure is enlargedwhile the maximum of positive pressure is depressed．T he increases of mould oscillation velocity and flux viscosity make the maximums of positive pressure and negative pressure enhanced． KEY WORDS continuous casting；mould flux channel；mould oscillation；withdrawal speed；oscillation velocity；viscosity 收稿日期：2008-06-17 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目（No．2007AA03Z54805）；江苏省高技术研究重点资助项目（No．BG2007030）；江苏大学高级人 才启动基金资助项目（No．07JDG084）；江苏省高校自然科学研究计划资助项目（No．05KJD450043） 作者简介：王宏明（1974—）男副教授博士E-mail：whmlgr＠ujs．edu．cn 结晶器振动和保护渣润滑是钢连铸成功的关键 技术．但是结晶器振动导致保护渣道压力周期性 变化进而引起钢液弯月面变形波动被认为是连铸 坯表面振痕缺陷产生的主要原因［1—2］．连铸坯振痕 本身就是一种表面缺陷而且振痕又是皮下夹渣、气 泡和针孔等表层缺陷的集中地带．因此要尽量控 制振痕缺陷则需要研究如何控制保护渣道压力使 保护渣既能起到好的润滑效果又能最大限度地减 轻振痕［3］．保护渣道宽度本身在10—2～10—1 mm 数量级［4］难以用实验手段进行精确测量．本文根 据连铸保护渣润滑理论通过保护渣道压力计算模 型分析了保护渣道形状、结晶器振动参数、拉坯速 度以及保护渣性能等因素对保护渣道压力的影响规 律为控制保护渣道压力、改善保护渣润滑效果并最 终提高铸坯表面质量提供理论基础． 1 保护渣道动态压力计算模型 图1是弯月面区域示意图．本文研究的是保护 第31卷 第6期 2009年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．6 Jun．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．06．014
.778 北京科技大学学报 第31卷 渣道开始较快收缩变窄到渣道最窄处的一段，该段 dOr_d Th(x) dxdx Jo uxdy=0 (2) 保护渣道内的压力受结晶器振动和拉坯的影响而呈 周期性变化，且该区域正是弯月面钢液开始凝固的 式中，p为渣道内压力，Pa;x为保护渣相对于铸 区域，变化的渣道压力对弯月面钢液和初凝壳作用， 坯的运动速度，ms1,山，=v一v,、v,分别为保 使之周期性变形而产生振痕，图2是保护渣道物理 护渣流速和拉坯速度，msl；为渣黏度，Pas 模型，保护渣流入由结晶器和凝固坯壳构成的长度 A为渣密度，kgm-3；h(x)为保护渣道形状函数. 4、入口宽度h:及出口宽度h的保护渣道. 1.2边界条件与求解 保护渣道边界条件如下， 周态渣 (1)结晶器壁面(0≤x≤l,y=0):u.=vm一 液态清 Uai 弯月面 (2)凝固坯壳壁面(0≤x≤l,y=h(x): 4x=0; 解液 (3)渣道入口(x=0,0≤y≤h:):p=p (4)渣道出口(x=l,0≤y≤hr):p=pf 其中，vm为结晶器振动速度，ms；p、pf分别为 初凝壳 保护渣道入口和出口压力，Pa. 联立式(1)、(2)，积分后代入边界条件得： p(x)=p:十Pgx十64(m一)e(x)- 图1弯月面区域示意图 Fig.I Schematic of meniscus zone Ag4+64(-)()-(p-p)] (3) (0.h) 液态保护渣 pp. 其中，(x)和(x)为渣道形状因子，定义为： (x,h) P =4x用 (x)=J0(x) 钢液 结品器● 其中，h(x)采用线性近似：h(x)=h:十(hr一h)x/ 振速，艺。 4·将积分结果代入式(3)，得到保护渣道压力计算 4) 方程： pp 拉速， p(x)=p:十g4+ 6hl(ym-y】h-h hhi hi-hs 经-五足 ele+p:-pr)+ lh hhi (m一) 图2保护渣道物理模型示意图 (5) Fig.2 Schematic of the flux channel model 2计算结果及分析 1.1基本假设与控制方程 保护渣流动的主要特征③]是黏性力远大于惯 取某厂工艺参数fm=2z,s=8mm,v,= 性力，其惯性力与黏性力之比(Ree2,其中，Re为雷 2.4mmin1,A=2660kgm-3,4=1.0Pas,研究 诺准数，e为形状因子)在10一4数量级，可忽略惯性 渣道压力周期性变化规律及渣道形状变化对压力的 力，并假设：(1)保护渣的流动为单相层流流动并处 影响，并在此基础上研究振动和拉速参数及渣黏度 于瞬间平衡状态；(2)保护渣为牛顿流体，其密度和 变化对渣道压力的影响， 黏度为常数；(3)保护渣道宽度相对其长度小得多， 2.1保护渣道压力的周期性变化规律 只考虑沿结晶器壁方向的流动， 图3是结晶器振动速度曲线，图4给出了速度 保护渣流动的动量方程为： 曲线中典型时刻的保护渣道压力（设定4=10mm, dp二422十g h:=0.35mm,hf=0.05mm）) dx (1) 从图4可知：结晶器振动导致保护渣道压力随 保护渣相对流量Q(m3s1)满足连续方程： 之呈周期性变化，结晶器振动在正滑脱期内，保护
渣道开始较快收缩变窄到渣道最窄处的一段该段 保护渣道内的压力受结晶器振动和拉坯的影响而呈 周期性变化且该区域正是弯月面钢液开始凝固的 区域变化的渣道压力对弯月面钢液和初凝壳作用 使之周期性变形而产生振痕．图2是保护渣道物理 模型保护渣流入由结晶器和凝固坯壳构成的长度 lf、入口宽度 hi 及出口宽度 hf 的保护渣道． 图1 弯月面区域示意图 Fig．1 Schematic of meniscus zone 图2 保护渣道物理模型示意图 Fig．2 Schematic of the flux channel model 1∙1 基本假设与控制方程 保护渣流动的主要特征［3］ 是黏性力远大于惯 性力其惯性力与黏性力之比（ Reε2其中Re 为雷 诺准数ε为形状因子）在10—4数量级可忽略惯性 力．并假设：（1）保护渣的流动为单相层流流动并处 于瞬间平衡状态；（2）保护渣为牛顿流体其密度和 黏度为常数；（3）保护渣道宽度相对其长度小得多 只考虑沿结晶器壁方向的流动． 保护渣流动的动量方程为： d p d x ＝μf ∂2ux ∂y 2 ＋ρf g （1） 保护渣相对流量 QR（m 3·s —1）满足连续方程： d QR d x ＝ d d x∫ h（ x） 0 uxd y ＝0 （2） 式中p 为渣道内压力Pa；ux 为保护渣相对于铸 坯的运动速度m·s —1ux＝vf—vsvf、vs 分别为保 护渣流速和拉坯速度m·s —1 ；μf 为渣黏度Pa·s； ρf 为渣密度kg·m —3 ；h（ x）为保护渣道形状函数． 1∙2 边界条件与求解 保护渣道边界条件如下． （1） 结晶器壁面（0≤ x≤ lfy＝0）：ux＝ v m— vs； （2） 凝固坯壳壁面（0≤ x ≤ lfy ＝ h （ x ））： ux＝0； （3） 渣道入口（ x＝00≤y≤hi）：p＝ pi； （4） 渣道出口（ x＝ lf0≤y≤hf）：p＝ pf． 其中v m 为结晶器振动速度m·s —1 ；pi、pf 分别为 保护渣道入口和出口压力Pa． 联立式（1）、（2）积分后代入边界条件得： p（ x）＝ pi＋ρf gx＋6μf（νm—νs）ε（ x）— ［ρf glf＋6μf（νm—νs）ε（ lf）—（ pf— pi）］ ξ（ x） ξ（ lf） （3） 其中ε（ x）和ξ（ x）为渣道形状因子定义为： ε（ x）＝∫ x 0 1 h 2（ x） d xξ（ x）＝∫ x 0 1 h 3（ x） d x （4） 其中h（ x）采用线性近似：h（ x）＝ hi＋（ hf— hi） x／ lf．将积分结果代入式（3）得到保护渣道压力计算 方程： p（ x）＝ pi＋ ρglf＋ 6μf lf（νm—νs） hhi · hi—h hi—hf — h 2 i —h 2 h 2 i —h 2 f h 2 f h 2（ρglf＋ pi— pf）＋ 6μf lf hf h 2hi （νm—νs） （5） 2 计算结果及分析 取某厂工艺参数 f m ＝2Hzs ＝8mmvs＝ 2∙4m·min —1ρf＝2660kg·m —3μf＝1∙0Pa·s研究 渣道压力周期性变化规律及渣道形状变化对压力的 影响并在此基础上研究振动和拉速参数及渣黏度 变化对渣道压力的影响． 2∙1 保护渣道压力的周期性变化规律 图3是结晶器振动速度曲线图4给出了速度 曲线中典型时刻的保护渣道压力（设定 lf＝10mm hi＝0∙35mmhf＝0∙05mm）． 从图4可知：结晶器振动导致保护渣道压力随 之呈周期性变化．结晶器振动在正滑脱期内保护 ·778· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第6期 王宏明等：连铸保护渣道动态压力计算模型及影响因素 .779. 0.064 量6].另外，保护渣道入口宽度增加，保护渣道压力 0.04 沿高度方向(x方向)的变化梯度明显降低，且渣道 0.02 压力最大值点更接近保护渣道出口，即远离钢液弯 0 月面，这也有利于减少渣道压力波动对弯月面变形 -0.02 及波动的影响，此外，随着渣道入口宽度增加，保护 -0.04 渣道压力减小的幅度明显诚小，说明在渣道入口宽 方 -0.06 度较小时，通过控制弯月面形状或采用电磁力拓宽 0.1 0.2 0.3040.5 tis 渣道入口宽度，就可有效降低渣道压力波动 图3结晶器振动速度曲线 10 Fig-3 Velocity curve of mould oscillation 0 10r -10t=0s 。-h0.35mm 0 5 ◆h0.5mm h=2 mm -10 +一h=lmm -20 40+h-5mm 。-A,A 5085m二好m 1=0.25s 40 ◆B.B” -60。一05mm十h-5 +-C,C 0.0020.0040.0060.0080.010 -50 D 0.002 0.0040.0060.0080.010 图5保护渣道入口宽度变化对渣道压力的影响 x/m Fig.5 Effect of flux channel entrance width on the pressure 图4不同振动时刻的保护渣道压力 Fig.4 Pressure of the flux channel at different oscillation steps 2.2.2渣道出口宽度的影响 取h:=1mm,4=10mm,研究h:在0.02~ 渣道为负压，并在结晶器达到最大上振速度时，渣道 0.l0mm范围内变化对保护渣道压力的影响，计算 内负压达到最大值；结晶器振动在负滑脱期内，保护 结果如图6所示 渣道内为正压，并在结晶器达到最大下振速度时，渣 道内正压达到最大值，在结晶器正弦振动过程中， 保护渣道压力在最大正负压之间变化，变化频率与 -10 结晶器振动频率相同，实践表明：增大结晶器振动 1=0s -20 h0.02mm◆-h0.04mm 正滑脱期保护渣道负压，有利于提高保护渣的流量， -30 +h0.06mm-h-0.08mm +h-0.10mm 改善润滑效果；增大结晶器负滑脱期保护渣道的正 40- 1-0.25mm 压，有利于强制脱模，防止粘漏钢事故·但是，保护 -50 o-h-0.02mm-o-h-0.04mm h0.06 mm-oh0.08 mm 渣道最大正负压增加，都将导致渣道内压差增大，加 -60 ◆h0.10mm 0 0.0020.0040.0060.0080.010 剧钢液弯月面波动和变形波动，不利于提高铸坯表 m 面质量，严重时还将导致铸坯重大缺陷和连铸事故， 图6保护渣道出口宽度变化对渣道压力的影响 因此要加以控制 Fig.6 Effect of flux channel exit width on the pressure 2.2保护渣道形状变化对压力的影响 2.2.1渣道入口宽度的影响 由图6可知，保护渣道出口宽度增加，保护渣道 根据文献[5]，取hr=0.05mm,l4=10mm,研 内正滑脱期的负压和负滑脱期的正压都减小，特别 究h:在0.35~5mm范围内变化对保护渣道压力的 是保护渣道内最大正负压值随渣道出口宽度增加而 影响，计算结果如图5所示. 几乎呈线性变化规律减小.另外，渣道出口宽度增 由图5可知，正滑脱期保护渣道内的负压和负 加，渣道内压力沿高度方向的变化梯度明显减小，压 滑脱期内的正压都随保护渣道入口宽度增加而大幅 力分布趋向均匀，因此，保护渣道出口宽度增加，有 度减小，说明保护渣道入口宽度对保护渣道压力有 效地降低了渣道内的最大正负压差，提高了结晶器 非常重要影响，正负压差减小可以有效提高结晶器 内金属弯月面的稳定性，并能减小渣道内沿拉坯方 内金属弯月面的稳定性，从而提高铸坯表面质 向的压力变化梯度，从而提高铸坯表面质量
图3 结晶器振动速度曲线 Fig．3 Velocity curve of mould oscillation 图4 不同振动时刻的保护渣道压力 Fig．4 Pressure of the flux channel at different oscillation steps 渣道为负压并在结晶器达到最大上振速度时渣道 内负压达到最大值；结晶器振动在负滑脱期内保护 渣道内为正压并在结晶器达到最大下振速度时渣 道内正压达到最大值．在结晶器正弦振动过程中 保护渣道压力在最大正负压之间变化变化频率与 结晶器振动频率相同．实践表明：增大结晶器振动 正滑脱期保护渣道负压有利于提高保护渣的流量 改善润滑效果；增大结晶器负滑脱期保护渣道的正 压有利于强制脱模防止粘漏钢事故．但是保护 渣道最大正负压增加都将导致渣道内压差增大加 剧钢液弯月面波动和变形波动不利于提高铸坯表 面质量严重时还将导致铸坯重大缺陷和连铸事故 因此要加以控制． 2∙2 保护渣道形状变化对压力的影响 2∙2∙1 渣道入口宽度的影响 根据文献［5］取 hf＝0∙05mmlf＝10mm研 究 hi 在0∙35～5mm 范围内变化对保护渣道压力的 影响计算结果如图5所示． 由图5可知正滑脱期保护渣道内的负压和负 滑脱期内的正压都随保护渣道入口宽度增加而大幅 度减小说明保护渣道入口宽度对保护渣道压力有 非常重要影响．正负压差减小可以有效提高结晶器 内金属弯月面的稳定性从而提高铸坯表面质 量［6］．另外保护渣道入口宽度增加保护渣道压力 沿高度方向（ x 方向）的变化梯度明显降低且渣道 压力最大值点更接近保护渣道出口即远离钢液弯 月面这也有利于减少渣道压力波动对弯月面变形 及波动的影响．此外随着渣道入口宽度增加保护 渣道压力减小的幅度明显减小说明在渣道入口宽 度较小时通过控制弯月面形状或采用电磁力拓宽 渣道入口宽度就可有效降低渣道压力波动． 图5 保护渣道入口宽度变化对渣道压力的影响 Fig．5 Effect of flux channel entrance width on the pressure 2∙2∙2 渣道出口宽度的影响 取 hi＝1mmlf ＝10mm研究 hf 在0∙02～ 0∙10mm 范围内变化对保护渣道压力的影响计算 结果如图6所示． 图6 保护渣道出口宽度变化对渣道压力的影响 Fig．6 Effect of flux channel exit width on the pressure 由图6可知保护渣道出口宽度增加保护渣道 内正滑脱期的负压和负滑脱期的正压都减小特别 是保护渣道内最大正负压值随渣道出口宽度增加而 几乎呈线性变化规律减小．另外渣道出口宽度增 加渣道内压力沿高度方向的变化梯度明显减小压 力分布趋向均匀．因此保护渣道出口宽度增加有 效地降低了渣道内的最大正负压差提高了结晶器 内金属弯月面的稳定性并能减小渣道内沿拉坯方 向的压力变化梯度从而提高铸坯表面质量． 第6期 王宏明等： 连铸保护渣道动态压力计算模型及影响因素 ·779·
,780 北京科技大学学报 第31卷 2.2.3渣道长度的影响 晶器正弦振动参数fm=2h,s=8mm的条件下，研 取h:=1mm,hr=0.05mm,研究4在5~ 究v,在1.8~3.0mmin范围变化对渣道压力的 l5mm范围内变化对保护渣道压力的影响，计算结 影响；当v,=1.2mmin时，改变结晶器振频和振 果如图7所示 幅，研究振动参数对保护渣道压力的影响 10 2.3.1拉坯速度的影响 图8是拉坯速度变化对保护渣道最大正负压力 的影响.从图可知，当结晶器振动参数不变时，拉速 4-5mm 增加，保护渣道内正滑脱期的最大负压明显增加，而 ◆l=10mm 20 4=15mm 负滑脱期的最大正压则明显减少，可以预测：当拉 t0.25s 230 o--5 mm 速增加到等于或高于结晶器的最大下振速度时，结 -o-=10mm o-4-15mm 晶器振动无负滑脱期，保护渣道的正压力将消失；在 0 0.0030.0060.0090.0120.015 结晶器处于最大上振速度时，保护渣道内具有很高 x/m 的负压，这不利于强制脱模，容易造成粘漏钢事故， 图7保护渣道长度变化对渣道压力的影响 因此拉坯速度增加，应当增加结晶器的振动速度，增 Fig.7 Effect of flux channel length on the pressure 加结晶器振动行程或提高振动频率，都可提高结晶 由图7可知，保护渣道长度增加，保护渣道内正 器振动的速度；但从工艺角度分析，采用提高结晶器 滑脱期负压和负滑脱期正压都增加，特别是正滑脱 振动频率比增大振动行程的效果更好，所以对于高 期负压沿结晶器高度方向的最大值几乎成倍增加， 拉速连铸机，结晶器宜采用高频小振幅振动， 因此保护渣道长度增加，会使保护渣道内正负压差 10 急剧增加，不利于结晶器内金属弯月面稳定，造成初 始凝固区域的变形波动，将影响俦坯表面质量 -54 从以上研究可知，欲控制保护渣道内最大正负 00oo0e 卡0室 -10 -,-3.0m/min 压差，减小压力波动，可采取适当拓宽渣道入口宽度 ◆-，2.4m/min +就=1.8m/min 和出口宽度并缩短渣道长度的措施。为控制铸坯表 -20 1-025s -25 o-v,3.0 m/min 面振痕，正在研究软接触电磁连铸技术[门，该技术 -30 -◇就-2.4m/min o-就，-l.8m/min 改善铸坯表面质量的可能机理之一是利用电磁力拓 -35 0.0020.0040.0060.0080.010 宽保护渣道，正负压力同时减小，即减少渣道压力波 x/m 动对弯月面波动和初始凝固坯壳的影响[8]，但针对 图8拉坯速度变化对渣道压力的影响 电磁力对保护渣道作用的观点并不完全一致·李廷 Fig.8 Effect of withdrawal velocity on the pressure 举等认为，电磁力压缩弯月面，拓宽了渣道入口， 并通过实验观测到施加磁场后，结晶器振动导致的 2.3.2结晶器振动速度的影响 弯月面波动明显减弱.雷作胜等10认为，施加磁场 图9是结晶器振动速度变化对保护渣道最大正 拓宽了保护渣道出口宽度，渣流量增加，润滑效果改 负压力的影响，从图可知，在拉坯速度不变的情况 善，从而提高铸坯表面质量，从本文可知，保护渣道 下，结晶器振动频率或行程增加，保护渣道内正滑脱 入口宽度和出口宽度增加对减弱保护渣道压力波动 期的最大负压和负滑脱期的最大正压都明显增加， 都有明显效果，且渣道出口宽度增加的效果更明显， 从而可推知：结晶器振动速度是与一定的拉坯速度 因此，软接触电磁连铸高频磁场应集中施加在弯月 相匹配的，合适的振动速度将有利于提高结晶器内 面根部区域，主要拓宽保护渣道出口，另外，施加磁 弯月面的稳定性；同时，负滑脱期的正压保证脱模， 场不可避免地会拓宽整个保护渣道，从而导致保护 正滑脱期的负压有利于保护渣的流入· 渣道长度增加，该因素反而会使保护渣道内正负压 2.4保护渣黏度的影响 力同时增大；所以高频磁场应集中在较短的区域，以 图10是保护渣黏度在0.5~5Pas变化对渣道 减弱施加磁场对渣道长度的影响 最大正负压力的影响，研究表明，保护渣黏度增加， 2.3连铸工艺参数对渣道压力的影响 渣道内正滑脱期的负压和负滑脱期的正压都增加， 设定h:=1mm,hf=0.05mm,k=10mm,在结 从保护渣道压力变化导致铸坯表面振痕的机理考
2∙2∙3 渣道长度的影响 取 hi ＝1mmhf ＝0∙05mm研究 lf 在5～ 15mm范围内变化对保护渣道压力的影响计算结 果如图7所示． 图7 保护渣道长度变化对渣道压力的影响 Fig．7 Effect of flux channel length on the pressure 由图7可知保护渣道长度增加保护渣道内正 滑脱期负压和负滑脱期正压都增加特别是正滑脱 期负压沿结晶器高度方向的最大值几乎成倍增加 因此保护渣道长度增加会使保护渣道内正负压差 急剧增加不利于结晶器内金属弯月面稳定造成初 始凝固区域的变形波动将影响铸坯表面质量． 从以上研究可知欲控制保护渣道内最大正负 压差减小压力波动可采取适当拓宽渣道入口宽度 和出口宽度并缩短渣道长度的措施．为控制铸坯表 面振痕正在研究软接触电磁连铸技术［7］．该技术 改善铸坯表面质量的可能机理之一是利用电磁力拓 宽保护渣道正负压力同时减小即减少渣道压力波 动对弯月面波动和初始凝固坯壳的影响［8］但针对 电磁力对保护渣道作用的观点并不完全一致．李廷 举等［9］认为电磁力压缩弯月面拓宽了渣道入口 并通过实验观测到施加磁场后结晶器振动导致的 弯月面波动明显减弱．雷作胜等［10］认为施加磁场 拓宽了保护渣道出口宽度渣流量增加润滑效果改 善从而提高铸坯表面质量．从本文可知保护渣道 入口宽度和出口宽度增加对减弱保护渣道压力波动 都有明显效果且渣道出口宽度增加的效果更明显． 因此软接触电磁连铸高频磁场应集中施加在弯月 面根部区域主要拓宽保护渣道出口．另外施加磁 场不可避免地会拓宽整个保护渣道从而导致保护 渣道长度增加该因素反而会使保护渣道内正负压 力同时增大；所以高频磁场应集中在较短的区域以 减弱施加磁场对渣道长度的影响． 2∙3 连铸工艺参数对渣道压力的影响 设定 hi＝1mmhf＝0∙05mmlf＝10mm在结 晶器正弦振动参数 f m＝2Hzs＝8mm的条件下研 究vs在1∙8～3∙0m·min —1范围变化对渣道压力的 影响；当 vs＝1∙2m·min —1时改变结晶器振频和振 幅研究振动参数对保护渣道压力的影响． 2∙3∙1 拉坯速度的影响 图8是拉坯速度变化对保护渣道最大正负压力 的影响．从图可知当结晶器振动参数不变时拉速 增加保护渣道内正滑脱期的最大负压明显增加而 负滑脱期的最大正压则明显减少．可以预测：当拉 速增加到等于或高于结晶器的最大下振速度时结 晶器振动无负滑脱期保护渣道的正压力将消失；在 结晶器处于最大上振速度时保护渣道内具有很高 的负压．这不利于强制脱模容易造成粘漏钢事故． 因此拉坯速度增加应当增加结晶器的振动速度增 加结晶器振动行程或提高振动频率都可提高结晶 器振动的速度；但从工艺角度分析采用提高结晶器 振动频率比增大振动行程的效果更好．所以对于高 拉速连铸机结晶器宜采用高频小振幅振动． 图8 拉坯速度变化对渣道压力的影响 Fig．8 Effect of withdrawal velocity on the pressure 2∙3∙2 结晶器振动速度的影响 图9是结晶器振动速度变化对保护渣道最大正 负压力的影响．从图可知在拉坯速度不变的情况 下结晶器振动频率或行程增加保护渣道内正滑脱 期的最大负压和负滑脱期的最大正压都明显增加． 从而可推知：结晶器振动速度是与一定的拉坯速度 相匹配的合适的振动速度将有利于提高结晶器内 弯月面的稳定性；同时负滑脱期的正压保证脱模 正滑脱期的负压有利于保护渣的流入． 2∙4 保护渣黏度的影响 图10是保护渣黏度在0∙5～5Pa·s 变化对渣道 最大正负压力的影响．研究表明保护渣黏度增加 渣道内正滑脱期的负压和负滑脱期的正压都增加． 从保护渣道压力变化导致铸坯表面振痕的机理考 ·780· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第6期 王宏明等：连铸保护渣道动态压力计算模型及影响因素 781. 使保护渣道内有合适的正负压力，以保证铸坯脱模、 25 =0 。了=2Hz,=8mm 保护渣的润滑和提高铸坯表面质量. ◆f-2Hzs=16mm =I Hz,s-8 mm (4)保护渣黏度增加，渣道最大正负压力都增 oo000044a 加.适当增加保护渣黏度，对改善铸坯表面振痕有 一5 v,=1.2 m/min 一定作用 -15 t0.5T o-f-2 Hz,s-8 mm -25 of=2 Hz.s16 mm 参考文献 f=I Hz.s8 mm 35 0.0020.0040.0060.0080.010 [1]Sengupta J.Thomas B G.Shin H J.A new mechanism of hook x/m formation during continuous casting of ultralow carbon steel slabs.Metall Mater Trans A.2006.37(5):1597 图9振动速度变化对渣道压力的影响 [2]Lei Z S.Ren Z M.Yan Y G.et al.Mold flux channel dynamic Fig.9 Effect of oscillation velocity on the pressure pressure in electromagnetic continuous casting.Acta Metall Sin. 2004,40(5):546 虑，保护渣道压力变化越大，连铸坯表面的振痕就越 (雷作胜，任忠鸣，闫勇刚，等。软接触结晶器电磁连铸保护 深：但实际生产中，保护渣黏度适当增加，铸坯表面 渣道的动态压力，金属学报，2004,40(5)：546) 振痕不仅不增加反而减少山].本研究认为，随保护 [3]Lee GG.Thomas B G.Kim S H,et al.Microstructure near cor- 渣黏度增加，渣道内负压增加的幅度远大于正压增 ners of continuous cast steel slabs showing three dimensional 加的幅度.因此，适当增加保护渣黏度，渣道内负压 frozen meniscus and hooks.Acta Mater.2007,55(20):6705 [4]Takeuchi E.Brimacombe K.The formation of oscillation marks 明显增加，从而有利于保护渣的吸入，提高渣润滑效 in the continuous casting of steel slabs.Metall Trans B.1984. 果；而且渣道内正压增加幅度较小，对铸坯表面振痕 15(3):493 深度影响不大，这解释了适当增加保护渣黏度可以 [5]Sengupta J.Shin H J.Thomas B G.Micrograph evidence of 减轻铸坯表面振痕的机理， meniscus solidification and sub"surface microstructure evolution in 20r continuous cast ultralow carbon steels.Acta Mater,2006,54 0 (04):1165 -204 [6]Lu Q T.Wang X H.Yu H X.et al.Calculation of F value and 10线 40 relationship between Fvalue and slag entrapment in a slab contin- --0.5 Pa-s --1 Pa-s -60 2 Pa.s 3 Pa-s uous casting mold.J Univ Sci Technol Beijing.2007,29(8): -+4 Pa.s 5 Pa-s -80 811 1=0.25s -100 (陆巧形，王新华，于会香，等，F数计算及其与板坯连铸结晶 o-0.5 Pa+s -0-I Pa.s -120 d-2Pa…s -3 Pa-s 器内钢水卷渣的关系.北京科技大学学报，2007,29(8)： -4 Pa.s 5 Pa-s -140 811) 0.002 0.0040.0060.0080.010 x/m [7]Wang H M.Ren Z M.Xia X J.et al.Effect of molten steel level on magnetic field distribution in electromagnetic softcontact con 图10保护渣黏度对渣道压力的影响 tinuous casting mold.JUnin Sci Technol Beijing.2008.30(7): Fig-10 Effect of flux viscosity on the pressure 795 (王宏明，任忠鸣，夏小江，等。电磁软接触结晶器内钢液面高 3结论 度对磁场分布的影响.北京科技大学学报，2008,30(7)：795) [8]Deng A Y.Wang E G.He JC.Meniscus behavior in electromag (1)结晶器振动导致保护渣道压力周期性变 netic softcontact continuous casting round billet mold.Iron 化.结晶器达最大上振速度和最大下振速度时，渣 Steel Res1nt,2006,13(4):13 道压力分别达到最大负压和最大正压，最大正负压 [9]LiT J.Nagaya S,Sassa K.Study of meniscus behavior and sur- face properties during casting in a high frequency magnetic field. 力点接近渣道出口 Metall Mater Trans B.1995.26(2):353 (2)渣道入口宽度和出口宽度增加，渣道正负 [10]LeiZ S,Ren Z M.Yang S H.Study of dynamic pressure in 压力都明显下降，出口宽度变化的影响比入口宽度 mold flux channel during continuous casting.Shanghai Met. 变化对渣道压力的影响更明显；渣道长度增加，渣道 2001,23(2):14 正负压力都增加，特别是负压增加幅度很大， (雷作胜，任忠鸣，杨松华。连铸保护渣道动态压力的研究 上海金属，2001,23(2)：14) (③)拉坯速度增加，渣道最大负压增加，而最大 [11]Zhao H M.Wang X H.Zhang J M.Research on mold flux for 正压减小；结晶器振动速度增加，渣道最大正负压力 hypo peritectic steel at high casting speed.Univ Sci Technol 都增加，因此，拉坯速度与结晶器振动速度要匹配， Beijing,2007,14(3):219
图9 振动速度变化对渣道压力的影响 Fig．9 Effect of oscillation velocity on the pressure 虑保护渣道压力变化越大连铸坯表面的振痕就越 深；但实际生产中保护渣黏度适当增加铸坯表面 振痕不仅不增加反而减少［11］．本研究认为随保护 渣黏度增加渣道内负压增加的幅度远大于正压增 加的幅度．因此适当增加保护渣黏度渣道内负压 明显增加从而有利于保护渣的吸入提高渣润滑效 果；而且渣道内正压增加幅度较小对铸坯表面振痕 深度影响不大．这解释了适当增加保护渣黏度可以 减轻铸坯表面振痕的机理． 图10 保护渣黏度对渣道压力的影响 Fig．10 Effect of flux viscosity on the pressure 3 结论 （1） 结晶器振动导致保护渣道压力周期性变 化．结晶器达最大上振速度和最大下振速度时渣 道压力分别达到最大负压和最大正压最大正负压 力点接近渣道出口． （2） 渣道入口宽度和出口宽度增加渣道正负 压力都明显下降出口宽度变化的影响比入口宽度 变化对渣道压力的影响更明显；渣道长度增加渣道 正负压力都增加特别是负压增加幅度很大． （3） 拉坯速度增加渣道最大负压增加而最大 正压减小；结晶器振动速度增加渣道最大正负压力 都增加．因此拉坯速度与结晶器振动速度要匹配 使保护渣道内有合适的正负压力以保证铸坯脱模、 保护渣的润滑和提高铸坯表面质量． （4） 保护渣黏度增加渣道最大正负压力都增 加．适当增加保护渣黏度对改善铸坯表面振痕有 一定作用． 参 考 文 献 ［1］ Sengupta JThomas B GShin H J．A new mechanism of hook formation during continuous casting of ultra-low-carbon steel slabs．Metall Mater T rans A200637（5）：1597 ［2］ Lei Z SRen Z MYan Y Get al．Mold flux channel dynamic pressure in electromagnetic continuous casting．Acta Metall Sin 200440（5）：546 （雷作胜任忠鸣闫勇刚等．软接触结晶器电磁连铸保护 渣道的动态压力．金属学报200440（5）：546） ［3］ Lee G GThomas B GKim S Het al．Microstructure near corners of continuous-cast steel slabs showing three-dimensional frozen meniscus and hooks．Acta Mater200755（20）：6705 ［4］ Takeuchi EBrimacombe K．The formation of oscillation marks in the continuous casting of steel slabs．Metall T rans B1984 15（3）：493 ［5］ Sengupta JShin H JThomas B G．Micrograph evidence of meniscus solidification and sub-surface microstructure evolution in continuous cast ultra-low carbon steels．Acta Mater200654 （04）：1165 ［6］ Lu Q TWang X HYu H Xet al．Calculation of F value and relationship between F value and slag entrapment in a slab continuous casting mold．J Univ Sci Technol Beijing200729（8）： 811 （陆巧彤王新华于会香等．F 数计算及其与板坯连铸结晶 器内钢水卷渣的关系．北京科技大学学报200729（8）： 811） ［7］ Wang H MRen Z MXia X Jet al．Effect of molten steel level on magnetic field distribution in electromagnetic soft-contact continuous casting mold．J Univ Sci Technol Beijing200830（7）： 795 （王宏明任忠鸣夏小江等．电磁软接触结晶器内钢液面高 度对磁场分布的影响．北京科技大学学报200830（7）：795） ［8］ Deng A YWang E GHe J C．Meniscus behavior in electromagnetic soft-contact continuous casting round billet mold． J Iron Steel Res Int200613（4）：13 ［9］ Li T JNagaya SSassa K．Study of meniscus behavior and surface properties during casting in a high-frequency magnetic field． Metall Mater T rans B199526（2）：353 ［10］ Lei Z SRen Z MYang S H．Study of dynamic pressure in mold flux channel during continuous casting． Shanghai Met 200123（2）：14 （雷作胜任忠鸣杨松华．连铸保护渣道动态压力的研究． 上海金属200123（2）：14） ［11］ Zhao H MWang X HZhang J M．Research on mold flux for hypo-peritectic steel at high casting speed．J Univ Sci Technol Beijing200714（3）：219 第6期 王宏明等： 连铸保护渣道动态压力计算模型及影响因素 ·781·