连铸结晶器液面波动控制及检测技术研究

University of Science & Technology Beijing
•
Metallurgical & Ecological Engineering
•
Chuanbo Ji
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水口浸入深度对表面流速影响
0.6
0.6
Without EMBr
Top surface velocity (m/s)
涡流法
缺点是在结晶上方设有探测线圈,线圈会被高温烧坏
钢液表面产生磁涡流。该涡流又产生一个新磁场，并在二次侧线圈中感应产 生一个差分电压
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Distance from center of nozzle (mm)
NF
88
88
窄面液面高，水口附近液面低 液面波动较剧烈 液面波动随时间变化而呈现 周期性变化，变化周期~90s
t=0s
82
t=30s
82
拉
NF
速
Distance from top of mold (mm)
Distance from top of mold (mm)
t=0s
82
82
t=30s
SEN depth 180mm SEN depth 250mm SEN depth 120mm
Distance from top of mold (mm)
液面波动剧烈，3.0m/min最 高波动达~12mm 更易造成表面卷渣
0
100
200
300
400
500
600
0
100
200
300
400
500
600
Distance from center of nozzle (mm)
Distance from center of nozzle (mm)
t=60s
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Chuanbo Ji
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应用背景及意义
结晶器内钢水流动要求
不应把结晶器保护渣卷入钢水内部
钢水流动利于液相穴夹杂物上浮 钢水凝固不应对凝固坯壳冲刷
EMBr
表面流速降低 最高速度在水口和结晶器窄面之间
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对SENdepth 180mm作用越强 表面流速最降低
11
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Chuanbo Ji
Top surface velocity (m/s)
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
SEN depth 250mm SEN depth 180mm SEN depth 120mm
SEN depth 250mm SEN depth 180mm SEN depth 120mm
84 86 88 90 92 94 96
No EMBr
84 86 88 90 92 94 96
No EMBr
NF
Casting speed 2.0 m/min Casting speed 2.5 m/min Casting speed 3.0 m/min
Casting speed 2.0 m/min Casting speed 2.5 m/min Casting speed 3.0 m/min
86
Distance from top of mold (mm)
84
SEN depth 180mm SEN depth 250mm SEN depth 120mm
84 86
SEN depth 180mm SEN depth 250mm SEN depth 120mm
180mm
NF
NF
88 90 92 94 96
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应用背景及意义
结晶器内钢水流动产生的铸坯缺陷
从水口流出的钢水对结晶器窄面的冲击，易产生角部纵裂纹， 严重时漏钢 向上流股动量过大，弯月面波动剧烈，液渣渗入坯壳间空隙， 产生纵裂纹 液面波动剧烈，造成卷渣污染钢液 液面流动不充分，局部温度过低，造成局部冷凝形成深振痕 和弯月面区初生坯壳呈现“镰刀状”，捕捉渣滴、夹杂物和气 泡进入坯壳
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结晶器表面检测方法
插钉法
优点：
直观 操作简单、可控性强 准确性高、可以测量表面瞬态波动情况
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插钉法实验误差分析
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
With EMBr
0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Distance from center of nozzle (m)
Distance from center of nozzle (m)
无电磁制动：
SEN Depth
流速越大，测量产生的误差也越大 水口和结晶器窄面中间的地方易产生湍流漩涡

avg
2ph 2d1 d lump d nail

2pl 2d 2 d lump d nail
1 d d2 1 ( ) ( ) ( ) 1 2 2 2 d nail 2 15 d lump d lump 10 b1 b2 vs (a1hlump ) (a2 hlump ) 5 5
板坯连铸结晶器内钢水流动模式非常复杂，结晶器内钢水流速 检测方法主要包括以下几点：
放射同位素法
缺点是放射性元素污染
安装在结晶器一侧放射线源连续不断地放射出一定强度的γ射线，利用钢液对γ射 线的吸收程度来反映钢液液面的高度。
激光法
缺点：要在结晶器上方设一个激光测管，保护渣的厚薄影响测量 值，测管内的一个反射镜是一个易污的消耗件，需要经常更换 激光法是光电的LADAR测量系统，基于激光测距技术，利用在发射与接收脉 冲之间的时间延迟与传感部件至钢液面的距离成正比的原理。
数学模拟
基于RANS的模型、LES、DNS
插钉法实验 结晶器表面渣层厚度测量 铸坯振痕测量
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现场测量
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结晶器表面检测方法
拉速对表面波动影响（No EMBr）
82
82
Distance from top of mold (mm)
Distance from top of mold (mm)
84 86
No EMBr
84 86
No EMBr
无电磁制动：
Casting speed 2.0 m/min Casting speed 2.5 m/min Casting speed 3.0 m/min
Dec 27，2012
连铸结晶器液面波动控制 及检测技术
汇报者：吉传波 李京社
北京科技大学冶金与生态工程学院
University of Illinois at Urbana-Champaign Metals Processing Simulation Lab •Ji chuanboji@gmail.com • Beijing Metallurgical & Ecological Engineering • Chuanbo University of Science & Technology • • Metallurgical & Ecological Engineering •
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应用背景及意义
铸坯的洁净度、表面缺陷和内部缺陷 等因素对产品的质量问题起决定性作用。 结晶器内钢水流动决定自由液面波 动，进而影响表面卷渣。
结晶器液面波动加剧
表 面 卷 渣
皮 下 气 泡
裂 纹
合理的钢液流场对稳定钢水液面波动、减少钢液卷 渣、气泡、裂纹等缺陷都有很好的促进作用。 掌握结晶器内钢水表面的波动规律，找出控制表面 波动的因素，并对流场进行合理控制和有效利用，对 提高生产质量有着实际重要的意义!
NF
90 92 94 96
Casting speed 2.0 m/min Casting speed 2.5 m/min Casting speed 3.0 m/min
90 92 94 96
0
100
200
300
400
500
600
0
100
200
300
400
500
600
Distance from center of nozzle (mm)
88 90 92 94 96
SEN Depth
250mm 各个时刻结晶器表面波动 也不同 驻波高度降低
No EMBr
No EMBr
0
100
200
300
400Βιβλιοθήκη Baidu
500
600
0
100
200
300
400
500
600
Distance from center of nozzle (mm)
Distance from center of nozzle (mm)
d lump 10 15 d lump d1 d 2 b11 b 21 a1b1hlump a 2 b2 hlump d (hlump ) cos 5 5 d nail
d lump 10 15 d lump d d2 b1 b 2 1 1 a1hlump a2 hlump sin 1 d (d1 d 2） 5 5 d nail d nail
结晶器内钢水流动控制
电磁搅拌 电磁制动
均匀弯月面处温度 减慢流速，消除卷渣
University of Science & Technology Beijing •
抑制水口射流速度，减缓沿凝固壳向下流动， 促进夹杂物和气泡上浮
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t=90s
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Chuanbo Ji
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水口浸入深度对表面波动影响 （No EMBr）
82
82
Distance from top of mold (mm)
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结晶器内流场研究方法
物理模拟
主要是水模型
速度测量（PIV、UDV） 液面波动测量（DJ800） 可视化流场显示（墨汁、粒子追踪）
•
Lance C. Hibbeler Chuanbo Ji •
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目录
应用背景及意义 研究内容及方法
— 物理模拟 — 数值模拟 — 现场实验（插钉法、铸坯振痕测量）
研究计划
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影响结晶器内钢水流场因素
影响连铸结晶器内钢水流场的主要因素主要分为：
浸入式水口结构参数：浸入式水口的参数 主要有水口直径、出口参数（出口倾角、出 口面积）、水口形状（长方形、正方形、圆 形、椭圆形等； 连铸工艺参数影响，主要包括水口浸入深度、 拉速、吹气量等 浇铸过程中的不稳定因素（塞棒、滑板、水口 结瘤）
d1 d 2 Vm vs cos d nail
d d2 1 b2 b1 (a2 hlump a1hlump ) cos 1 d (d lump ) 5 d nail

dVm
Vm Vm Vm d (d lump ) d (hlump ) d (d1 d 2 ) d lump hlump (d1 d 2 )