结晶器电磁搅拌钢水旋转观察
为了提高结晶器内钢水周向稳定换热和传热,现代化生产优特钢拉矫机结晶器采用了电磁搅拌工艺装备,借助交流旋转磁场使液芯感生电流并使之类同于感应电动机转子作旋转运动。线圈产生的低频磁场能够穿透结晶器奥氏体不锈钢内水套和铜管,作用于钢水中。如果是外置式搅拌线圈,电磁场还需须穿透结晶器奥氏体不锈钢外筒。由于是旋转磁场,就造成液态钢水在结晶器内按照特定的方向进行旋转。
生产优特钢结晶器均采用保护浇铸模式,结晶器钢水液面上层具有保护渣层覆盖其上,保护渣的液渣层、烧结层和粉渣层构成了约40~60mm厚度的渣层,重重地压在钢水液面上,起到了稳定钢水液面的作用,但是由于保护渣产生的重力作用,抑制了钢水液面的旋转,所以在保护渣上难以在短时间内观察到钢水的实际旋转状况。
图1 使用易拉罐感应搅拌力和方向
图1是结晶器线圈工厂试验时候使用易拉罐进行直观试验,感受电磁搅拌力和旋转方向,现场感觉是铁丝连接易拉罐进入线圈内部时候,易拉罐高速旋转。当然这是没有内水套和铜管对电磁感应的阻碍,实际使用过程中由于受到水套和铜管的阻碍,磁场穿透后受到很大的削弱,实际钢水感受到的磁场并没有这么大。
图2是笔者钢厂工作的时候,使用电磁搅拌厂家带来的力矩测试仪,用来标定其产生的扭力矩,根据现场现场结晶器和线圈标间,给定不同的电流频率进行测定,测试的结果是频率在3~4Hz情况下得到的搅拌力矩最大,搅拌力矩随电流增加而加大。
尽管知道结晶器铜管钢水处于旋转之中,通过试验手段知道钢水旋转方向,通过低倍知道了柱状晶是逆着钢水旋转方向生长,其柱状晶弯曲方向与钢水旋转方向相反,见图3所示。怎么样才能直观看到结晶器内钢水旋转呢?于是就开始进行准备这个观察。
图3 φ280mm圆坯50Mn
由于观察条件的限制,小断面铸坯冷却快,结晶器上方液面很快结壳,难以观察钢水旋转。最好是使用较大断面的连铸机来进行观察,特别是大断面圆坯。这样不会快速凝固冷却,又能保持钢水旋转,肉眼能够观察到旋转现象。
根据现场生产组织安排,选定生产φ380mm圆坯进行试验观察,选择这个规格好处为:
1 断面较大,有利于观察。
2 断面较大,钢水短时间内仍然保持较好的流动性。
3 圆坯几何上的特点,旋转效果明显,易于观察。
观察时机为快速更换中间包期间,大规格圆坯生产过程一般都采用快速更换中间包模式,也就是飞包模式,这样做的目的为了减少尾坯处理时间,减少穿送柔性引锭杆和做引锭头时间,从而提高生产效率。图4显示的是更换中间包后开启起步,新鲜头坯与上一炉尾坯离开结晶器铜管进入足辊段。
当上一炉钢包钢水浇铸完毕后,中间包钢水继续浇铸,当中间包包底钢水约200mm厚度时候关闭塞棒停止浇铸,中间包升降液压缸动作升起中间包,将浸入式水口拔出离开结晶器盖板,中间包移开。此时使用了第一流进行观察,其余四流按照正常操作程序作业加入钢筋焊接的铁笼子置于液面上方。
中间包快速更换前就逐步减少保护渣的加入量,停止浇铸后马上使用氧气将保护渣层尽可能燃烧掉,目的为对接上下炉钢水做好准备工作,也就是尽可能将上下两炉钢水在对接处连接起来,燃烧掉液面上层保护渣也就为观察钢水旋转做好了准备。此时结晶器电磁搅拌仍然处于正常的工作状态。对接后离开结晶器的铸坯如图4所示。
图4 φ380圆坯快速更换中间包后启动
快速更换中间包的上一炉钢水为45钢,对接钢种为Q345B。连铸机半径11米,铸机五流。钢水液面距离铜管上口100mm。内置式线圈布置,线圈内径Φ550mm,外径Φ842mm,线圈高度420mm,线圈顶部距离铜管上口距离为300mm,电搅电流是120A,频率是3Hz。
根据裸露的钢水液面,可以观察到钢水液面上残存的保护渣,就可以明显观察到钢水在电磁搅拌力的作用下旋转,使用照相机连续拍摄,从而记录了时间和液面钢水旋转的角度,可以计算出来液面钢水的旋转速率。图5到图10是相距1秒钟时间记录拍摄的照片。
图5 旋转1秒钟
图6 旋转2秒钟
图7 旋转3秒钟
图8 旋转4秒钟
图9 旋转5秒钟
图10 旋转6秒钟
在快速更换中间包过程中看表面钢水的流动,6秒钟旋转90°,保护渣标志物大约在半径130mm的地方,旋转一周的时间为24秒,由此来观察钢水在液面的旋转情况,从而有一个定量的机会了解位于结晶器搅拌线圈位置钢水旋转情况。
图5~10的照片反映了钢水逆时针旋转的情况,由于三相电源接线位置有所不同,有的流的钢水是顺时针旋转。
本次试验将钢水停留在正常浇铸的位置上,由于钢水粘度和固态坯壳侧壁摩擦作用的影响,结晶器内钢水液面停留在固定位置上,此时钢水旋转流动速率不一定能代表真实的结晶器内钢水旋转情况,这里仅仅表达的是一个直观的现象。
这是我10年前在现场做的旋转试验,就是想看看实际的钢水在电磁搅拌线圈磁场的驱动下旋转,眼见为实,看了之后印象非常深刻的。那个时候已经购买了单反照相机,使用相机进行拍摄,同时也记录了拍摄的时间,就能够根据每张照片间隔时间进行计算旋转速率。
整理出来的目的给大家看看,我是底层现场工程师,水平有限掌握的知识也有限,长期在现场干活,也就有点现场方面下里巴人的经验,讲的不妥不对之处请大家尽管指正,多么希望工程师能够真诚友好的交流呀!
