一种连铸结晶器浸入式水口吹氩控制方法

摘要

本发明涉及一种连铸结晶器浸入式水口吹氩控制方法，其包括:S1:根据要生产的宽厚板铸坯断面的宽度K、厚度H、铸坯的拉速Vc，计算通入氩气在25℃下的理论体积流量，计算公式为：

说明书

技术领域

本发明涉及连铸工艺，特别涉及一种连铸结晶器浸入式水口吹氩控制方法。

背景技术

宽厚板对内部质量要求非常严格，尤其是对于重要的结构件如锅炉、压力容器、管线、高层建筑等。探伤缺陷是宽厚板的主要质量缺陷之一，国内外冶金工作者在此方面开展了大量研究工作，发现导致探伤缺陷的主要原因是板坯中小气泡和非金属夹杂物的聚集。

在铝镇静钢种连铸工艺中，为防止浇注水口结瘤，目前业内已广泛采用吹氩技术(塞棒吹氩、上水口吹氩等)。氩气泡能够防止浸入式水口阻塞，氩气泡进入结晶器内能够搅拌钢液，均匀钢液的成分和温度，促进非金属夹杂物上浮，改善铸坯的质量。但是吹氩不当也会带来负面的影响：吹氩量过大易造成上表面钢液裸露、卷渣；吹氩量过小又会造成水口堵塞、偏流。因此需要合理控制水口吹氩量。

在连铸结晶器吹氩过程中，由于浮力的作用，大多数气泡在一个扇形区域内(气泡群)快速上浮，而一些脱群的小气泡会在钢液射流的作用下进入结晶器深处。这些脱群进入结晶器深处的气泡在钢液熔池停留期间，表面将吸附大量非金属夹杂物，并一起被凝固坯壳捕捉。在后续的热处理和轧钢过程中形成“sliver(微细裂纹)”或“blister(气泡)”等缺陷。因此，尽可能减少脱群气泡的产生，对提高宽厚板内部质量至关重要。随着用户对钢材使用性能要求的不断提高，为生产高纯净钢，有必要提出合理的吹氩控制方法，以便得到高质量的铸钢材料。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，发明人以深入研究和了解连铸结晶器内钢液/氩气的两相流场及气泡分布特征，针对不同生产状况和设备条件，提出一种合理的连铸结晶器浸入式水口吹氩控制方法，方便连铸工作者现场操作，提高宽厚板的探伤合格率。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种连铸结晶器浸入式水口吹氩控制方法，包括:

S1:根据要生产的宽厚板铸坯断面的宽度K、厚度H、铸坯的拉速Vc，计算通入氩气在25℃下的理论体积流量，计算公式为：

其中η＝0.05～0.15，表示在所述浸入式水口内氩气气流的横截面占所述浸入式水口横截面的比值；

S2:根据计算得到的理论体积流量，控制和调节氩气通入速度，此时在结晶器内的钢液形成三涡型流场。

优选地方案，其中η＝0.1，即使所述浸入式水口内氩气气流的横截面占所述浸入式水口横截面的10％。

试验证明，当所述浸入式水口内氩气气流的横截面占所述浸入式水口横截面的5～15％时，即氩气体积流量占经过所述浸入式水口的流体总体积流量的5～15％，此时氩气通入所述结晶器后，在射出的钢液射流和氩气气泡自身浮力作用下，此时形成的钢液流场属于三涡型流场，有利于非金属夹杂物的去除。

优选地，还包括步骤S3，通过控制和微调节氩气的体积流速，使从所述浸入式水口的出口射出的氩气气泡群集中在一个相对于结晶器宽边壁面的投影呈扇形的区域内。

优选地，所述步骤S3，通过控制和微调节氩气的体积流速，使从所述浸入式水口的出口射出的氩气气泡群集中在如图2所示的扇形区域内。

本发明在保证结晶器内的钢液构成三涡型流场的基础下，通过进一步控制和调节氩气的体积流速，使氩气气泡群在结晶器宽边壁面的投影维持扇形，尽可能地减少脱群气泡的产生，防止脱群气泡进入结晶器深处并在吸附非金属夹杂物后一同被凝固坯壳捕捉，造成铸钢板出现细微裂纹和气泡等严重质量缺陷。

判断是否氩气的通入速度是否恰当，可从结晶器的上表面氩气气泡的吐出口位置及大小判定氩气吹气量是否恰当，因此可通过对结晶器的表面进行观察和监测，并根据观察或监测结果，来相应控制和调节氩气的体积流速。

具体地，还包括步骤S3，通过控制和微调节氩气的体积流速，使从所述浸入式水口的出口射出的氩气气泡从结晶器上表面以星点状吐出，单个吐出点的直径小于10mm。星点状吐出且单个吐出点的直径小于10mm，此时可保证不会出现大面积裸露而造成的二次氧化。

进一步地，若定义从所述浸入式水口的出口射出的氩气气泡从结晶器上表面吐出的位置为气泡吐出区域，通过控制和调节氩气的体积流速，使所述气泡吐出区域介于所述浸入式水口与结晶器窄边壁面之间且不接触所述浸入式水口和结晶器是窄边壁面；由此，可避免被结晶器壁面的凝固钩捕捉，防止铸钢板内部出现细微裂纹或气泡等缺陷。

再进一步地，若以从所述浸入式水口到所述结晶器窄边壁面间的距离为参照，所述气泡吐出区域介于1/6～4/6所述距离的位置。如通入的氩气气泡吐出区域超出前述界定的位置范围之外，例如若更靠近结晶器窄边壁面，则应适当减小氩气的通入流速，反之则应适当增大氩气的通入流速。

本发明可通过对结晶器上表面进行观察和监测，根据氩气气泡吐出区域和气泡吐出的形态，来判定吹气效果，如气泡吐出区域和形态满足上述特征，即认为合理，无需调节氩气通入速度。否则需要先根据钢板铸坯的即时拉速，使浸入式水口内氩气的体积流量控制在所述浸入式水口内流体体积流量的5～15％范围内，计算通入氩气的流速理论值；然后，根据该理论值调节氩气的体积流速；最后进一步地微调氩气流速，使其达到前述所要求的氩气泡吐出区域位置、吐出形态和吐出点大小等特征。

另外，连铸是一个非稳态过程，所以要求在整个结晶器浇注过程中根据宽厚钢板铸坯的即时拉速，不断调整。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

按照本发明提出的吹氩控制方法，可有效控制氩气气泡在结晶器内的运动分布，减少脱群气泡的产生，使结晶器内的钢液流场维持三涡型结构，有利于非金属夹杂物的去除；氩气泡在结晶器上表面以星点状排出，且直径小于10mm，可避免出现大面积裸露而造成的二次氧化。

经实际的生产验证，经该吹氩控制方法生产出的钢板，采用超声波探伤检测内部无超标缺陷，钢板探伤合格率达到98％以上。

附图说明

图1为通过浸入式水口吹氩气时结晶器内钢液的三涡型流场示意图。

图2为本发明控制方法中，通过调整吹氩量使氩气气泡群在结晶器中呈扇形集中分布的示意图。

图3为本发明控制方法中，通过调整吹氩量使氩气气泡在结晶器上表面保护渣渣面氩气气泡吐出区域所在位置的示意图。

【附图标记说明】

1浸入式水口；2水口出口；3结晶器中间竖直截面；4结晶器窄边壁面；5结晶器上表面；6靠近浸入式水口1的上回流；7靠近结晶器窄边壁面的上回流；8下回流；9氩气气泡；10氩气气泡群组成的扇形；11脱群气泡；12凝固坯壳；15结晶器宽边壁面；13结晶器渣层上表面；14星点状的气泡吐出点；16气泡吐出区域。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示,考虑结晶器的对称性，图1为结晶器和浸入式水口1的一半结构。在该浸入式水口1下端左右两侧对称地设有水口出口2。3表示结晶器中间竖直截面(假定的)，4表示结晶器窄边壁面，5表示结晶器上表面，6表示靠近浸入式水口1的上回流，7表示靠近窄边壁面4的上回流，8表示结晶器中钢液的下回流。从浸入式水口1的出口2射出的钢液射流和氩气气泡，在氩气气泡自身浮力的作用下，会分成两股射流，其中1股向结晶器上表面5运动，形成上回流6，另一股继续向窄边壁面4运动，冲击到窄边壁面4后，形成上回流7和下回流8，进而构成了三涡型流场。为了该三涡型流场，发明人经多年研究，发现可由铸坯的即时拉速和氩气通入流速共同决定和实现，即当所述浸入式水口1内氩气气流的横截面为该浸入式水口1横截面的5～15％时，可形成该三涡型流场，此时氩气的通气体积流量为通过该浸入式水口的流体总体积流量的5～15％。相比于不吹氩气下的双涡流场，在该三涡型流场作用下非金属夹杂物在结晶器上表面的去除率将提高20％左右。

为了达到控制氩气气流在浸入式水口1内的横截面的横截面占比为5～15％之间的目的，可根据以下理论公式计算出氩气在25℃下体积流速：

假设生产的宽厚板铸坯断面为：K(宽度)×H(厚度)，铸坯的拉速为Vc。流过水口的钢液体积流量为Q_Steel，满足以下关系：

Q_Steel＝K×H×V_c>

工业现场可监测的是常温常压(25℃，1atm)下的氩气流量Q_Ar,25℃。当常温常压下的氩气通过上水口进入浸入式水口后，高温(假设1540℃)引起氩气膨胀，流量变为Q_Ar,1540℃。其对应关系为：

氩气在水口横截面的体积流量占比η可由下式计算：

因此，可调节的常温常压下的氩气流量可由下式计算：

要控制和调节氩气的体积流速时，先根据公式(4)，令其中的η＝0.05～0.15，以计算得出氩气流量的理论值Q_Ar,25℃，然后根据该理论值Q_Ar,25℃对所述浸入式水口1的上水口输入的氩气体积流速进行调节，从而保证在结晶器内的钢液形成三涡型流场。

接着进一步地，在保证构成三涡型流场的情形下，通过进一步微调整氩气通入流速，使氩气气泡在结晶器的宽边壁面15的投影维持扇形的集中分布模式，如图2所示。

参见图2，其中9表示氩气气泡，10表示氩气气泡群组成的扇形，11表示脱群气泡，12表示凝固坯壳。当氩气气泡群维持如图2所示的扇形分布时，大部分氩气气泡都处在气泡群组成的扇形10内，这些气泡将在自身浮力的作用下弥散上浮而去除，在结晶器上表面5呈星点状吐出点14，所有的吐出点构成气泡吐出区域16。当上浮的气泡形成星状点吐出点时，此时有利于控制脱群气泡11的产生。当气泡群组成的扇形10区域较小时，即大部分气泡在浸入式水口1附近上浮时，在浸入式水口1附近的大含气率将会造成浸入式水口1周围大面积的裸漏，易造成卷渣和二次氧化。当气泡群组成的扇形10区域较大时，其前端甚至会到达结晶器窄边壁面4，此时，气泡容易被凝固坯壳12捕捉，在铸钢板内形成细微裂缝或气泡。因此，优选地，通过调节氩气通入流速，使从浸入式水口1通入到结晶器内的氩气气泡9达到和维持如图2所示的扇形分布。

进一步地，为了使氩气气泡9达到和维持如图2所示的扇形分布，本发明提出通过从结晶器上表面5观察和监测氩气气泡吐出区域的位置、形态等特征来掌握结晶器内气泡群的分布情况，并对氩气通气速度进一步调节，以实现氩气气泡9达到和维持如图2所示扇形分布的目的。

如图3所示为从结晶器上表面5向下观察的俯视示意图。其中，13表示结晶器渣层上表面，14表示星点状的气泡吐出点，16表示气泡吐出区域，15表示结晶器宽边壁面。通过微调节氩气通入流速，使从该浸入式水口1的出口2通入到结晶器内的氩气，以图3所述的星点状吐出时，单个吐出点直径小于10mm，此时不会出现大面积裸露。这些星点状的气泡吐出点14构成气泡吐出区域16。进一步地，通过微调节氩气的流速，使气泡吐出区域16介于浸入式水口1与窄边壁面4之间；更为优选地，若该气泡吐出区域16在浸入式水口1与窄边壁面4间总距离的1/6～4/6的位置，且使该气泡吐出区域16的边缘与窄边壁面4的距离大于该气泡吐出区域16的边缘与浸入式水口1的距离，由此避免被窄边壁面4的凝固钩捕捉。

另外，根据实际连铸的非稳态浇注情况，吹氩流速还需不断调整。

为进一步说明本发明的技术效果，现根据以上所述的控制方法，用于制造宽厚铸钢板，如下所示的具体实施例1-2，并采用超声波探伤检测内部缺陷情况。

实施例1

宽厚板铸坯断面为：K＝2300mm，H＝220mm，拉速为V_c＝0.8m/min，假定初始氩气在水口横截面的体积流量占比η＝10％，则氩气通入的流速初始值(浸入式水口的上水口处)应控制在：

然后，根据结晶器渣层上表面吐出口情况进行微调，所述微调包括：

通过控制和微调节氩气的体积流速，使从所述浸入式水口1出口射出的氩气气泡群集中在一个相对于结晶器宽边壁面15的投影呈扇形的区域内，优选如图2所示的扇形区域内。

所述微调具体包括：通过控制和微调节氩气的体积流速，使从浸入式水口1的出口2射出的氩气气泡从结晶器上表面以星点状吐出，而单个吐出点的直径小于10mm，且使气泡吐出区域16介于浸入式水口1与结晶器窄边壁面4之间，靠近浸入式水口1侧1/6～4/6的浸入式水口1结晶器与窄边壁面4间距的位置。

按照本实施例生产出的铸钢板，超声波探伤检测内部无超标缺陷，钢板探伤合格率达到98.6％。

实施例2

宽厚板铸坯断面为：K＝2300mm，H＝300mm，拉速为V_c＝0.6m/min，假定初始氩气在水口横截面的体积流量占比η＝10％，则氩气通入的流速初始值(浸入式水口的上水口处)应控制在：

然后，根据结晶器渣层上表面吐出口情况进行微调，使结晶器内的氩气气泡群构成说明书附图图2的形态。

按照本实施例生产出的铸钢板，超声波探伤检测内部无超标缺陷，钢板探伤合格率达到98.3％。

以上结合具体实施例描述了本发明的控制原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。