EUROPEAN COMMISSION
欧洲委员会
Research Fund for Coaland Steel
煤炭与钢铁研究基金
Investigationof the effect of Ti on clogging of feeding systems and its prevention forcontinuous slab casting
钛对连铸塞棒水口堵塞的影响及预防—概述
(TICLOGG)
1. 最后的总结
介绍
这是VDEh-BetriebsforschungsinstitutGmbH (BFI)、Comdicast AB (COMDIC)、Montanuniversität Leoben (UNILEOB)、Salzgitter Flachstahl GmbH (SALZF)和奥钢联StahlGmbH (VASL)之间的一个合作研究项目。UNILEOB参与了两个独立机构的研究项目:黑色冶金(UNILEOB- fm)主席和冶金过程模拟与建模(UNILEOB- smmp)主席。他们的工作针对不同的目标。因此，为了更好地区分UNILEOB机构，在本报告中单独讨论。
钛稳定的ULC钢对堵塞非常敏感。目前对这种现象还没有完全的认识清楚，特别是对钛稳定的ULC钢。在这种背景下，本项目的主要目标是:
• 更好地理解导致堵塞的机理。
• 利用这些知识，制定工艺和构建优化措施。
工作方案是作为工厂以及实验室试验和数值计算合作而建立的。
项目会议每年在合作伙伴的驻地举行两次，该研究项目的主要成果已在网络研讨会上公布。除《成果的科学技术说明》中注明的外，根据修订后的合同技术附件，目标已经完成。
每个任务的结果总结如下。主要的结果、结论和开发在结果的科学和技术说明中进行了
WP1（工作项目1）: 产生一个与操作实践和水口阻塞发生之间相关的数据库
在任务1.1中，合作伙伴收集了可用的知识，并列出了他们之前的研究活动的经验，总结了钛含量对钢液中夹杂物尺寸和堵塞的影响。
在任务1.2中，通过对阻塞的水口解剖分析，观察了堵塞结瘤沉积的分布，确定了三种主要的阻塞沉积类型。采用一种新的方法测定了VASL钢厂沉积结瘤物材料的形貌、尺寸和化学成分，概括了主要发现。
在任务1.3中，行业合作伙伴开发了一个常用的阻塞指数，并对该指标进行了调整。分析了SALZF钢厂和VASL钢厂不同的真空脱气工艺。SALZF钢厂为VD工艺，VASL钢厂为RH工艺。行业合作伙伴之间交换了数据，并统一了堵塞检测的评估标准。在VASL钢厂，即RH真空脱气工艺路线中，脱氧前的氧含量显著降低。在SALZF钢厂，从脱氧到开始连铸之间的时间阶段上，Al和Ti的含量明显较高。在SALZF钢厂的OES-PDA上比较了无钙钢和经钙处理钢的P合金化处理的钢水结果。在VASL钢厂，对Ti-IF和P-IF钢牌号的OES数据进行了分类分析。
在任务1.4中，我们对结果进行了总结，并将其作为下面工作项目WP的起点，例如使用堵塞计量试验台进行COMDIC试验的起始条件，收集了中间包和塞棒的几何形状、浇铸速度等连铸条件，并从文献中获取了初始非金属夹杂物NMI分布。
WP2（工作项目2）: 实验室试验
在任务2.1中，应用了工业合作伙伴和文献给出的堵塞促进参数对夹杂物行为、形态和化学的影响进行了实验室规模的实验。为了确定导致含钛ULC钢严重堵塞行为的影响，在tammann型炉中进行了添加FeTi钛铁合金和不添加FeTi钛铁合金的脱氧实验，进行了三个系列的实验。一般来说，较小尺寸的夹杂物更容易粘附在水口内壁上，造成较为严重的水口结瘤堵塞。在全氧含量较低的情况下，当FeTi钛铁合金加入时，可以检测到细小氧化铝颗粒的形成，这些小颗粒的氧化铝夹杂分离倾向较低。因此，一般来说，与含相同总氧水平的无钛钢相比，FeTi钛铁合金的添加应该促进了结瘤堵塞的形成，合金添加的时间段上看，没有导致试样内夹杂物的显著变化。
在任务2.2中，研究了钢液和非金属夹杂物之间的润湿行为，因为钢液内部和界面处夹杂物的行为受到强烈影响。为了研究来自工业伙伴的各种钢牌号对铝钛氧化物的润湿行为，采用了一种新方法。采用等离子喷涂法在钼板上制备Al2O3-TiOx基板。考虑了涂层的不同成分以及三种不同的合金。分析了TiO2和不同合金对润湿角的影响。在富铝基体中，无钛ULC的润湿倾向最低，而Ti-P合金钢的接触角明显较低。此外，还研究了与氧化铝接触的Fe-Nb钢种，随着铌含量的增加，润湿角显著降低。
在任务2.3中，在堵塞计量试验台中考察了钢化学、脱氧实践和连铸参数对堵塞率的影响，以0.09%、0.06%、0.03%和0%为目标的4个铝和钛含量水平和不同的含量水平组合进行了研究，共进行了22项试验，Al和Ti的含量水平不能精确地涵盖在所有试验中。此外，为了调节夹杂物的数量，还改变了脱氧前的等待时间和塞棒的提升高度。在4个无堵塞的实验中，Al和Ti的值都较低，夹杂物数量也较低。如果将中度堵塞与重度堵塞相比较，纯铝更容易出现中度堵塞，而钛和铝和钛的混合物更容易出现重度堵塞。用扫描电镜/能谱仪对四种堵塞的水口进行分析，对三次试验的试样进行自动SEM/EDS夹杂物评估。这些试样是在开始浇铸前采集的。从两个试验中堵塞水口解剖分析，显示了类似的夹杂物沉积结瘤积累行为。
任务2.4调查Al脱氧后和加入Ti后的结果对夹杂物的瞬态行为，Fe-Ti和 Fe-Nb系钢种与氧化铝夹杂物的润湿性和堵塞测量试验台的试验进行概括总结，给出总体的观察和建议。
WP3（工作项目3）: 阻塞相关现象的数值模拟
在任务3.1中，首先建立了数值模型。从WP1中的数据导出边界条件，定义通用接口和数据格式。
在任务3.2中，对数值模型进行了验证。BFI应用了一个数值模型来正确处理夹杂物NMI的团聚，采用了一种基于欧拉拉格朗日方法的粒子跟踪方法，钢液的流通量基本上是由中间包中塞棒的位置控制的，对数值模型进行了调整，以尽可能好地表示这种行为，即考虑中间包中的钢水静压。热边界条件取自文献并结合自身的经验，在参考文献的基础上选择了合适的湍流模型。数值模型实现了吹氩处理，研究了非金属夹杂物的浓度和湍流模型对夹杂物团聚行为的影响，与预期的一样，夹杂物的浓度是影响团聚行为的主要因素。UNILEOB-SMMP开发了一种微观模型，考虑了堵塞的三个主要步骤。该模型采用一种特殊的随机方法来模拟靠近水口内壁面的流体结构中的质点运动，在微观模型中忽略了Ar泡的影响。通过在WP2堵塞计量试验台的试验验证了微观模型的有效性，结果表明，该模型能够再现与堵塞有关的现象。
在任务3.3中，合作伙伴希望将他们的模型合并为一个完整的模型。由于遇到一些问题，合作者决定将数值模型分为中间包(宏观)和水口SEN(微观)两部分。宏观部分为微观部分提供边界条件(流速、湍流度、夹杂物分布和尺寸)。这些建模方法选择了不同的湍流模型。
在任务3.4中，两台钢厂连铸机都用宏观尺度的数值模型表示，考虑中间包钢水液面高度和塞棒升高量，对这些参数和钢厂连铸机的速度和湍流强度进行了研究，对两台连铸机的夹杂物团聚现象进行了研究。采用微观数值模型研究了水口和中间包的截面，在靠近塞棒区注入了较多的夹杂物以观察堵塞情况。从整个中间包和水口的模拟中提取了该域的边界条件，并对在水口内壁上的夹杂物的沉积进行了观察和分析。研究了中间包钢水液面高度对堵塞的影响，水口内腔直径越小，堵塞越小，阻塞物在SEN壁上的分布越均匀。
在任务 3.5中，对数值结果进行了总结，并列出了所获得的信息。
在任务3.6中，针对导致平行于水口内壁流动的修正流动条件，研究了一种改进的塞棒头部形状设计。其基本思想是避免流动再循环，加速钢水靠近水口以防止夹杂物堵塞沉积。两种修改都显示了预期的速度场，塞棒下方的回流区域是可见的，对于塞棒端部平面的设计，回流区域较大；而对于塞棒头部的椭圆形设计，回流区域较小。分析了湍流强度和钢水速度局部最大值的位置对团聚行为的可能影响，修正的塞棒几何形状只导致团聚行为的很小的变化。
WP4（工作项目4）：钢厂试验中实施优化措施并验证其效率
在任务4.1中，实验室试验和数值模拟的结果进行总结，如果适用于钢厂现场进行控制。
在任务4.2中，在VASL钢厂进行了工厂试验，以评估RH脱气过程中非金属夹杂物的演变过程。感兴趣的参数是夹杂物的数量及其类型。在SALZF钢厂试验也在RH脱气期间进行。RH脱气装置在项目运行期间投入使用，使得VD脱气工艺和RH脱气工艺可以直接比较。
在任务4.3中，分析了任务4.2中进行的钢厂试验。在VASL钢厂，氧含量和铝酸盐的平均值与铝镇静后的时间和尖晶石型夹杂物与铝镇静后的时间的平均值进行了调查和详细的报道。测定了不同铝、钛含量的指数表。当Ti/Al比较低时，浇注性能较好，即堵塞较少。当Clog表示为Ti和Al含量的函数时，数据的意义发生了变化。钛含量越低，Al含量越高，堵塞越少。后一种结果与SALZF钢厂的结果非常吻合。此外，在SALZF钢厂上对VD脱气工艺路线的781炉号和RH工艺的697炉号进行了评价，目的是对这些工艺路线进行比较。考虑了处理时间、平均Al含量和添加量、平均Ti含量和添加量以及各自的收得率。用OES-PDA对微夹杂物进行分析，并对两种方法进行比较。
在任务4.4中，总结了研究结果，并就工艺过程和构建措施提出建议/指引。
WP5（工作项目5）: 项目管理
在任务5.1中，原本计划的研讨会被更改为网络研讨会。该活动于2018年3月1日举行，共有34名参与者。之后，展示的幻灯片在参与者中分发。本次网络研讨会的主要优势在于不限制与会者人数，节省旅行费用。
在Task 5.2中，协调项目会议。项目合作伙伴每年举行两次会议。每个项目合作伙伴主持一次会议，协调员BFI主持启动会议和最后一次会议。行业合作伙伴SALZF钢厂和VASL钢厂会面了两次，相互交换数据，并统一了堵塞检测的评价标准。这是在不同的脱气工艺的背景下完成的。
在任务5.3中，报告按照计划编写，并由协调员在相应的TGS3会议上提出。
结论
实验室试验
脱氧实验表明，氧化铝颗粒是主要的夹杂物类型。一般来说，添加时间对夹杂物组织形状没有显著影响。实验总时间(铝镇静后总时间)对氧化铝的上浮有较大影响。
FeTi钛铁合金的加入对氧化铝夹杂物形态可能变化的影响无法检测到。
较小的夹杂物更容易粘附在水口内壁上，在全氧含量低的情况下，检测到小颗粒氧化铝夹杂物的形成，与不含钛的ULC钢相比，小尺寸的非金属夹杂物分离倾向较低，并会加速水口堵塞沉积的形成。
在FeTi钛铁合金添加的各种情况下，夹杂物数量的强烈变化可以在一个系列中进行评估。一个可能的原因是钛铁中的氧含量会导致小颗粒的氧化铝夹杂物的形成。钢水中的小颗粒夹杂物也是钛处理ULC钢高堵塞倾向的一个可能解释。
合金的添加时间没有显著改变试样夹杂物性质，这一结果并不奇怪，因为二次冶金过程中会发生大量的动力学过程，如夹杂物NMI的团聚、吹氩上浮夹杂物、夹杂物在炉渣中的溶解等。
钼基喷涂是制备Al2O3-TiOx涂层用于接触角测量的一种有效方法。不同相的分布规律，但不均匀。为了获得更好的均匀性，额外的热处理(在1600°C下30分钟)会导致相反的效果，导致富TiOx相在基体表面团聚。
堵塞与非金属夹杂物颗粒的团聚和附着力密切相关，而团聚和附着力与润湿角等界面性质有关。在40%和100% TiO2的情况下，较低的接触角也意味着较低的团聚倾向。因此，在二次冶金处理过程中，Al2TiO5和纯TiO2粒子的去除率较低，最终大量夹杂物进入连铸浇铸系统。
在低的TiO2浓度下，钛合金级钢的接触角低于无钛ULC级钢。较低的润湿角导致较低的夹杂物团聚倾向。
在富铝基体中，无钛ULC钢的润湿倾向最低，而Ti-P合金钢的接触角显著较低。然而，钛和磷这两种元素都能增加氧化铝的润湿性。正如预期的那样，仅仅是Ti合金钢在无钛和Ti-P钢之间产生对比分析结果，随着铌含量的增加，Fe-Nb与氧化铝接触的润湿角显著降低，为此，制备了几种Nb含量高达0.076%的Fe-Nb合金。
堵塞测量试验台观察到4次没有堵塞的试验，表明了较低的Al和Ti的含量，以及浇铸前钢水中较低的夹杂物数量，主要的结论是大量的非金属夹杂物增强了堵塞现象。
对“中等”堵塞和“强”堵塞的比较表明，纯Al多见于中等堵塞组，而Ti以及Al和Ti的混合添加多见于强堵塞试验组。
没有堵塞“全部”的四个实验的Al和Ti含量都低于100 ppm，其他试验的铝含量都高于100ppm，平均是413ppm。Al含量低，试样质量差，不利于可靠的SEM/EDS特征测量。事实上，低铝含量也导致少量的固体氧化铝夹杂物。此外，在实验中，添加钛铁合金造成富钛氧化物与纯氧化铝相比，表现出更低的吸引力。这两个效应解释了“全部”实验中较低的堵塞倾向。
通过堵塞计量试验台试验对堵塞的水口进行分析，发现堵塞的原因是在典型的堵塞区域内有大量的小颗粒沉淀和颗粒结瘤团聚现象。
只有钢水铝镇静才导致适度的堵塞行为，而随后添加FeTi钛铁合金会导致堵塞趋势的增加。总体而言，堵塞等级与“夹杂物数量”、“夹杂物含量”、“夹杂物大小”和化学性质等影响因素之间的相关性较弱。
数值研究
宏观数值模型的目的是尽可能好地反映塞棒升高对钢液流通量的控制，考虑中间包钢水静压的边界条件导致了预期的行为，静压结果显示，塞棒间隙的压力的典型值为零以下。可以考虑钢水静压、钢水流通速度和表示钢厂情况的湍流波动对团聚的影响。
用数值模型对两个钢厂的中间包进行了宏观研究。对于相同的中间包钢水液面高度和塞棒升高量，不同的水口内径导致钢液讨论过的不同。分析了速度和湍流，特别是对夹杂物凝聚的可能的影响，具有最大局部速度和湍流强度的几何形状容易产生强烈的非金属夹杂物的团聚。
由于夹杂物的团聚，较小塞棒升高导致更大的夹杂物直径。VASL钢厂连铸机的团聚结果对中间包钢水液面高度具有敏感性，钢水液面越低，湍流强度越大，夹杂物直径越大。
对塞棒端部几何形状的修改导致了在塞棒间隙和塞棒尖端钢水速度达到了预期效果，两种塞棒端部修改均未发现对夹杂物团聚有明显影响。特别是与塞杆升高量没有发现任何变化。研究结果被认为是弱的，即没有发现对聚集行为的明显影响，然而，这并不是塞棒修改的第一个目标。
建立考虑阻塞生长(非金属夹杂物的沉积)与钢水流动双向耦合的瞬态水口阻塞模型，该模型在微观尺度上考虑了堵塞的关键步骤：颗粒通过湍流向水口内壁面的运移；水口壁面-流体相互作用及夹杂物在水口内壁面上的沉积，夹杂物粒子沉积引起的阻塞物生长。
通过重现COMDIC的堵塞计量试验台试验，验证了该模型。数值计算的水口堵塞段与室内试验的堵塞段定性地吻合。计算得到的堵塞过程中通过水口的质量流量随时间的变化规律也与实验监测结果一致。
基于堵塞计量试验台的建立，从模型结果中导出了堵塞的新的认识。
应用微观数值模型模拟了实际工业规模(VASL钢厂, SALZF钢厂)连铸过程中水口阻塞现象，获得了以下建模结果。
工厂试验
堵塞后的水口解剖发现阻塞物质由球状、枝状、柱状等形状各异的小颗粒组成。分析了非金属夹杂物大小的分布。所检测的颗粒大部分由Al2O3、TiO2和MgO组成，主要成分为Al2O3。
首先对不同脱气工艺(SALZF钢厂使用VD，VASL钢厂使用RH)的工艺数据进行比较，发现脱氧前的氧含量存在显著差异，SALZF钢厂的Al和Ti的含量较大，脱氧到连铸开始的时间也较长。
在项目运行期间，将SALZF的工艺路线改为RH脱气，可以与VD脱气进行直接比较。使用RH脱气的二次冶金的处理时间大致缩短50%，最终Ti-和Al含量在RH路线中较低，而Ti-和Al收得率在RH工艺路线中较高。
使用OES-PDA结果对RH和VD脱气进行了评估。微观高倍夹杂物(Al+Ca+Mg)的浓度在RH脱气处理中要低得多。在生产IF钢时候，RH工艺处理的微观高倍夹杂物(Al)浓度略大于VD的高倍夹杂物。标准钢种和磷合金IF钢种之间观察不到显著差异。
RH脱气过程中非金属夹杂物的演变与铝、钛含量和总氧含量密切相关。铝和钛的消耗现象可以用炉渣分析解释。
在VASL钢厂，根据观察到的堵塞趋势的迹象以及UNILEOB-FM进行的实验室试验和研究的结果进行试验。在Ti- IF钢生产的一周内，平均Al含量为610ppm±40ppm，平均Ti含量为570ppm ±35ppm, Ti/Al比为~ 0.93。Clog平均值为0,090 ±0,017。
对两台钢厂连铸机的Ar-、Ti-含量及Ti/ Al比的主要结论非常一致，当Ti/Al比较低时，有减少堵塞的趋势，单独考虑Ti和Al元素含量，Ti-含量越低，Al-含量越高，堵塞越少。
由于堵塞的减少，VASL钢厂效益是每一个连铸机更换水口量的减少，或每一个水口连铸板坯数量增加，即由于水口而造成钢板降级数量减少。虽然无法证明钛铝比对最终带钢盘卷质量的影响，但总体收得率是提高了。
可能的应用
该研究项目没有开发具体的应用或专利。这些调查结果可以为钢铁生产商提供建议/指导。
科学技术成果描述
项目目标
加钛ULC钢对堵塞非常敏感，目前对于加钛的ULC钢种这种堵塞现象认识不够全面，在这种背景下，本项目的主要目标是:
更好地理解导致阻塞的机理。
利用这些知识指导工艺过程和构建优化措施。
工作程序是作为钢厂以及实验室试验和数值计算的合作而建立的，为了实现上述主要目标，设想了下列次级目标:
工厂试验
识别操作实践与堵塞发生之间的相关性。
验证钢厂试验中减少/预防堵塞的详细过程和改进措施。
实验室试验
更好地了解ULC钢中夹杂物的瞬态行为，即在Al脱氧和随后添加Ti后，化学和形貌随时间的变化，基于SEM/EDS调查观察到的夹杂物分类。
确定Fe-Ti和Fe-Nb钢种与Al2O3-TiOx接触的润湿性，验证了Al2O3的润湿性随TiOx含量的增加而增加。
在可重现的真实条件下，测定钢脱氧过程中堵塞的发生情况。
数值调查
X 聚焦于水口SEN的欧拉-拉格朗日模型在微观层面上的扩展:
- 水口壁上夹杂物的粘附机理。
宏观上分析包括中间包出口和浸入式水口系统:
- 改进的中间包流入到水口内部几何形状，钢水流动时候夹杂物容易附着在此。
- 夹杂物的聚集成团的演化。
实施和验证由微观/宏观模块扩展的数值模型，数据来自现场操作/实验室试验，允许随后的计算，以细化优化措施。
所有相关伙伴的合作
利用实验室试验和数值调查的结果，提出关于在连铸条件下浇铸加钛ULC钢时减少/防止堵塞的具体建议/指导，包括详细说明可能的工艺和建设性措施。
2.2 活动描述与讨论
2.2.1 WP1——产生操作实践和阻塞发生之间关联的数据库
这个工作包的目标是:
考虑到堵塞的发生，检查现有的运行数据。
操作使用后对堵塞的水口进行解剖分析，以确定导致堵塞的夹杂物。
从钢包、中间包和结晶器中取样，确定堵塞的发生与测量之间的相关性。
阻塞发生与基于从连铸板坯中取样，检查之间的相关性。
从获取的操作实践和阻塞发生之间关联的信息生成一个操作数据库。
任务1.1:分析现有数据。(SALZF钢厂和VASL钢厂)
这项任务的目的是检查是否可以对已有的关于加钛ULC钢种中堵塞现象的数据进行评估。这项分析被用于任务1.3和1.4的范围定义钢厂试验。
合作伙伴收集了可用的知识，并在附录A中列出了他们之前研究活动的经验。
中间包钢水液面高度对塞棒处和水口内腔壁夹杂物沉积有影响，中间包钢水液面越高，塞棒处夹杂物沉积越少，而水口内夹杂物沉积越多。
ULC钢中Ti含量的增加导致塞棒和水口的沉积增加。
提高水口预热温度可以减少水口内腔壁的夹杂物沉积。
使用Ar/N2混合气体不利于堵塞。使用氦气的效果并不比使用氩气好。
特别是对于铝镇静的IF-ULC钢种，虽然在液相冶金过程中没有明显的差异，但在浇铸过程中的一些炉号会发生堵塞。
对8炉钢的钢水清洁度的影响，即非金属夹杂物的影响进行了调查，如附录a所述。4个炉号是IF-ULC钢种，4次是加磷的IF-ULC钢种。考虑了全铝含量、钢中钙含量以及钢中夹杂物比的影响。
研究了Ti含量对ULC钢液中夹杂物尺寸和堵塞的影响，结果如下:
Ti含量越高，Al2O3粒径越小，
Ti含量越高，堵塞越严重。
任务1.2：阻塞水口解剖分析(SALZF钢厂, VASL钢厂)
这项任务的目的是研究堵塞沉积，考虑工艺参数的影响和钢成分分析。此外，还应分析堵塞发生的位置。
观察到堵塞沉积的分布，基本上可以发现三种堵塞物质分布，如附录A.1所述:
沉积只发生在水口内部，并增加到水口出口。在上水口处没有沉积。
沉积从上水口处开始(堵塞塞棒)，并逐渐增加，直到水口出口。
强烈沉积发生在上水口，并逐渐减少，直到水口出口。
采用一种新的方法测定了VASL钢厂沉积材料的形貌、尺寸和化学成分。样品从沉积物内部的三个位置采集：靠近水口，靠近钢水和中间部位。堵塞颗粒分为球状或类似形状、树枝状和柱状三大类。粒子及其份额的分类如图21所示。
从已说明的位置提取的试样，对其化学成分进行了额外分析。每个分析区域的大小设置为(0.5 x 0.5) mm2。在这些区域检测到了Al、Ti、Mg、Fe和O等元素。这意味着Al2O3, TiO2, MgO可能堵塞沉积材料或另外更复杂的形式。测定了Al2O3、TiO2、MgO、Fe的含量，列于表2。在靠近水口和中间的堵塞材料中，铁含量在44 ~ 52mass%之间。在接近钢水的区域，铁的含量大约是9%。TiO2含量在1.5 - 2.2mass%之间，在所有调查地点没有明显的偏差。
任务1.3：不同脱气设备钢厂试验表现。(SALZF 钢厂和VASL钢厂)
这项任务的目的是显示不同的工艺路线对夹杂物行为及其对堵塞发生的影响，必须检验不同的脱气设备，即SALZF钢厂是VD工艺，而VASL钢厂是RH工艺。
在SALZF钢厂和VASL的钢厂，钢水从中间包到结晶器的流动由塞棒控制，即塞棒的位置是钢水流动状况的最明显的衡量标准。它表示堵塞或塞棒的侵蚀。然而，无论是在一个钢厂还是在不同的钢厂之间，塞棒位置都是一个不足反应堵塞的指标。因此，设计了一个堵塞指数“Clog”，以[mm/t]浇铸钢水给出了塞棒位置，如附录a .2所述。最初堵塞指数只考虑了塞棒向上的偏差，“突然疏通”或塞棒断裂不包括在内，本文给出并讨论了几个例子。最后，堵塞指数得到了增强，即也考虑了负面塞子偏差。这种新方案可作为指示沉积结瘤物进入相应板坯钢液中，对应不良板坯的指标。
本研究项目的一个组成部分是在SALZF和VASL钢厂比较不同的脱气设备，在研究项目开始时，在SALZF建立了VD工艺设备，在VASL建立了RH脱气设备。行业合作伙伴交换了数据，并统一了堵塞检测的评估标准。在附录A.3中收集了加P合金钢水和不含P钢水的工业伙伴的主要工艺数据，并在表4中列出。很明显，在VASL钢厂中脱氧前的氧含量明显较低，即使用RH路线。在SALZF钢厂，Al和Ti的含量明显增加，从脱氧到开始浇铸的总时间也明显增加。这些结论对于含磷钢水和不含磷钢水都是有效的。
在VASL钢厂, 2016年第一季度Ti-IF和P-IF钢级的OES数据分类显示出显著的数据点分散，因此在2016年第二和第三季度得到了增强。OES-PDA数据作为选择的工艺参数(Al添加前的氧含量，Al和Ti合金化之间的时间，合金化到RH处理结束之间的时间)的函数进行分析。在VASL中，IF钢中大约50%的夹杂物是纯Al2O3，剩下的夹杂物是：钙铝酸盐，尖晶石和铝钛酸盐。从RH处理结束到中间包之间，含铝的夹杂物数量明显增加。对P-IF和Ti-IF钢种的OES-PDA分析没有提供与工艺参数或堵塞发生的明确相关性。
在SALZF钢厂的 OES-PDA上比较了无钙钢和钙处理钢的结果。基本上，无Ca钢种显示较大的Al信号中值，铝与钙的化学键被认为是这种行为的解释，在没有Ca的低碳St15钢种中，Al信号值最大，这里Al是在真空处理后加入的，即钢水和渣之间的反应时间缩短。ULC钢种的Al信号表现出较大的散射，可能是由Ca材料(CaFe)引起的。对于经钙处理的钢种，Al的OESPDA信号中值随着Si含量的增加而降低，真空处理进一步降低了这些值。我们假设Si和/或真空处理增加了O2的化学键合是这种行为的原因。经真空处理的碳钢和回火钢的Al+Ca值均低于未处理的，但Al含量< 0.015%时，Al值较大。同样，真空处理增加了O2的结合键被认为是这一观察结果的解释。
在SALZF钢厂, ULC钢种和无硅钢种显示出最大的(Al+Ca) OES-PDA信号值，尽管如此，它们的Al 元素OES-PDA值中位数低于其他Ca处理钢级。这些数据表明了钙处理对ULC钢的冶金效率，即Al2O3夹杂物的改性。与无硅钢相比，未经过Ca处理的钢显示(Al+Ca) OES-PDA信号中值增加。
任务1.4 ：细化操作实践与堵塞发生之间的相关性。(所有合作伙伴)
该任务的目的是对任务1.1、1.2和1.3中关于工艺参数、钢水成分和水口中堵塞发生之间的相关性的结果进行评估，这些信息是WP2(实验室试验)和WP3(数值模拟)工作的基础。
总结了这些结果，并将其作为以下WPs工作的起点，考虑了标准和加磷合金IF钢的冶金参数：
一炉钢吨位,
Ti和al合金，
铝和钛含量，
总脱气时间，
二次冶金后的时间。
这些参数与工业合作伙伴开发并同步的Clog指数相关。全面的统计分析没有显示出“总体”趋势。
COMDIC堵塞计量试验台的启动条件由合作伙伴讨论并精心准备，他们在Fagersta的项目会议上达成一致，在Leoben的会议上调整了初步结果。
收集了中间包和塞棒的几何形状、浇铸速度等连铸条件，并从文献中获取了初始非金属夹杂物的分布，并与堵塞计量试验台的试验结果以及其他运行结果和经验进行了比较。
2.2.2 WP2 -实验室试验
这个任务包工作的目标是:
更好地了解铝脱氧和随后添加Ti后ULC钢中夹杂物的瞬态行为/形成。
Fe-Ti和Fe-Nb钢种与Al2O3-TiOx接触润湿行为的测定。
在可重现的真实条件下对钢脱氧的堵塞模拟中发生堵塞进行测量。
从冶金角度提供可能的工艺和建设性措施。
任务2.1:：Al脱氧和随后添加Ti后夹杂物的瞬态行为(化学、类型)的研究。(UNILEOB)
这项任务的目的是在实验室试验中调查夹杂物化学成分和由此产生的夹杂物结瘤沉淀类型。需要改变的参数在WP1 -生成一个数据库中详细阐述了操作实践和阻塞发生之间的关系。
在这个任务中，钢厂伙伴和文献给出的堵塞促进参数被应用于实验室规模的实验，关于它们对夹杂物的行为、形态和化学的影响。研究表明，与Al -镇静、无钛钢相比，加钛ULC钢的堵塞倾向更高。此外，钢中较高的Ti/ Al比会导致堵塞增加。在加入FeTi钛铁合金和开始浇铸之间的较短时间也被确定为促进浸入式水口中沉积的形成。此外，钛铁的质量以及精炼渣的化学性质也起着重要的作用。详情见附录B.1。
为了确定导致加钛的ULC钢种严重堵塞行为的影响，在tammann型炉中进行了添加FeTi钛铁合金和不添加FeTi钛铁合金的脱氧实验。这种类型的炉具有一个电阻加热的试样室，这导致钢水只有自然对流，像在感应炉中强制对流是不存在的，这使得有必要通过搅拌的方式混合添加后的钢水。
实验在1600℃氩气气氛(Ar 5.0)下进行，有效防止了钢水的二次氧化。基本上，所有的实验都使用了大约300克的钢铁，它只含有少量的伴生元素。为了调整钢中含氧水平，使用了含氧量在1.800-2.000 ppm之间的Fe-O合金。因此，进行了三个系列的实验，在一定的起始氧含量水平下进行，使用铝丝脱氧后，加入FeTi75 (~ 75% Ti)钛铁调整钛含量。
实验选择的参数如下:
系列1:
起始氧含量水平(溶解氧)~ 300ppm
铝镇静，残余铝含量为~ 600ppm
加入铝到实验结束时间的变化(2,4,6,8 min)
Ti/ al比：0，1.2
添加Al和Ti之间的时间变化(2，4，6 分钟)
加入Ti到实验结束的时间(2 min)
系列2:
起始氧含量水平(溶解)~ 100ppm
铝镇静，残余铝含量~ 600ppm
加铝量变化及实验结束时间(3和8分钟)
Ti/ al比的变化：0，0.7，1.2，1.8
添加Al和Ti之间的时间变化(2和5分钟)
加入Ti到实验结束的时间(1 ~ 6min)
系列 3:
起始氧含量水平(总氧含量)~ 20- 30ppm
铝镇静，残余铝含量~ 600ppm
加铝量变化及实验结束时间(3，5，8，10 min)
Ti/ al比的变化：0，0.7，1.2，1.8
添加Al和Ti之间的时间变化(2和5分钟)
加入Ti到实验结束的时间(1，3，6，8 min)
对实验和应用参数的更详细描述见附录B.1.4。采用OES、氧氮分析仪、SEM/ EDS夹杂物自动检测和SEM夹杂物人工检测对试样样品进行了评价。
在系列1中，在加铝镇静处理后的短时间内，大量的氧化铝粒子在高起始氧含量下形成，随着钢水停留时间的延长，氧化铝粒子趋于分离进入渣中。在随后添加FeTi的实验中，也发现了一些Al - Ti -氧化物。特别是在铝镇静和添加钛之间的短时间内，确定是导致残留氧化铝团簇在试样的评价区域。一个可能的影响可能归因于钢和非金属夹杂物之间不同的相互作用，这可能导致润湿的变化行为。在这种情况下，找不到清晰一致的解释。然而，Al和Ti的加入之间的时间延长不会引起明显的变化。
在系列2中，主要的夹杂物仍然是氧化铝。试样中总氧含量的很清楚地表明，实验的总时间对夹杂物的分离上浮是必不可少的。添加合金之间的时间不会显著影响夹杂物形貌组织的，因此，系列1的结果不能被揭示。此外，还对添加和不添加Ti的铝镇静试样中非金属夹杂物的形貌进行了评价，结果表明，FeTi钛铁合金的加入没有引起明显的变化。同时考虑较长的停留时间，球形、多边形和不规则夹杂物的份额保持不变。
在系列3中没有使用额外的氧源，因此在添加Al之前总氧含量为20- 30ppm。观察到夹杂物含量和总氧含量有较大偏差。在这些实验中，添加的时间也没有导致夹杂物组织形态的显著变化，与初始含氧量较高的实验相比，这个系列的氧化铝夹杂物的平均尺寸明显减小。
二次冶金过程中会发生大量的动力学过程(如颗粒团聚、吹氩夹杂物上浮、渣中夹杂物溶解、二次氧化等)，在实验室试验中没有考虑到这些影响，详细的描述和结果见附录B.1.4。
任务2.2: 研究Fe-Ti和Fe-Nb钢与氧化铝夹杂物接触的润湿性。(UNILEOB)
这项任务的目的是通过在受控气氛下连续监测滴定的形状来测量润湿行为，衬底基板是新开发的，使用喷涂技术来生产基板。
钢液与非金属夹杂物之间的润湿性对钢液内部和界面(例如钢液与浸入式水口的界面)的夹杂物的润湿性有很大的影响。文献报道了ULC钢水中含钛颗粒的存在，实验室实验也揭示了这一现象，它们在液态钢水的行为是不清楚的。
为了研究来自工业伙伴的各种钢牌号对铝钛氧化物的润湿行为，采用了一种新方法。采用等离子喷涂法在钼板上制备Al2O3-TiOx基板，涂料的组成如下:
100% Al2O3,，0% TiO2
97% Al2O3, 3% TiO2
90% Al2O3, 10% TiO2
60% Al2O3, 40% TiO2
0% Al2O3, 100% TiO2
用KrüssDSA 10-HT仪器在1600°C下测量了三种不同的合金，该仪器见附录B.2.1中的图64。
无钛ULC钢(<0.001 % Ti)
加钛ULC钢 (0.083% Ti, 0.013% P)
Ti- P-和Nb合金低碳钢LC (0.12% Ti, 0.052% P, 0.028% Nb)
附录B.2.3中图71所示的结果表明，低含量的TiO2(高达10%)对润湿角的影响很小。在TiO2含量为40%时，Al2TiO5的形成导致接触角显著降低。纯Ti -氧化物的润湿角最低，约为90°。另一方面，纯氧化铝显示出高的非润湿性，相对较高的值归因于接触角测量方法，对于给定的结果，采用Young-Laplace方法考虑了液滴的整个轮廓，对三相点中反应产物的发生等影响不太敏感。
关于喷涂合金接触角测量的详细信息见附录B.2.1。研究了与氧化铝接触的Fe-Nb钢系。为此，制备了几种Nb含量为0.076%的Fe-Nb合金。结果见附录B.2.2图70。
任务2.3：在堵塞模拟器中检测钢化学成分、脱氧实践和浇铸参数对堵塞率的影响。(COMDIC)
本任务的目的是应用堵塞计量试验台，测量不同参数下的堵塞趋势和堵塞速度。夹杂物的类型、数量和尺寸分布等，这些是夹杂物的典型参数，而夹杂物的类型、数量和尺寸分布又与脱氧参数和脱氧与浇铸之间的等待时间有关。监测钢水温度和水口温度，观察其对堵塞的影响。
在项目运行时，合作伙伴认为术语“阻塞模拟器”不能正确地表示COMDIC实验设置的功能。实验设置的目的不是模拟堵塞，目的是测量在真实钢水和真实脱氧条件下真正发生的堵塞。因此，使用术语“堵塞计量试验台”代替。试验是在一个钢重130kg的高频炉上进行的。最大功率为150千瓦，频率为1000赫兹，炉的内径为30厘米，内衬为Al2O3。采用热电偶对钢水和水口的温度进行测量并连续控制。钢的流动是由铝-碳塞棒控制的。以1 Hz的频率对累积浇钢量进行采样，并与基于伯努利方程的理论浇铸计算进行比较。实测浇铸速率与理论浇铸速率的偏差与堵塞强度相当。从钢水中提取棒棒糖分析试样，进行了化学分析和高倍微观分析。
项目合作伙伴同意测试4种含量水平的铝和钛，每一种的目标是0.09%、0.06%、0.03%和0%以及它们的不同组合。从理论上讲，这个方案导致了16次试验。但是事实上，进行了22项试验，Al和Ti的水平并没有完全涵盖在所有试验中。除改变脱氧元素Al和Ti外，还改变脱氧前等待时间和塞棒深感量参数，以调节夹杂物的含量。对于堵塞计量试验台试验的评价，需要一个通用的指标。在这个研究项目中，同意使用一个简单的指标:在堵塞停止之前可以浇铸的钢水重量，这些试验被作为堵塞指标，它不是很复杂，但给出了一个简单的数字，便于分析堵塞趋势。堵塞指数被用来对试验进行分类，以观察主要参数Al和Ti堵塞的影响。选择的组是：早期停止，强烈阻塞，中度阻塞和浇铸完成。
在堵塞计量试验台进行试验时，观察到堵塞突然消失的现象。它被定义为堵塞的停止伴随着堵塞物质的消失和钢水流速陡然增加。当夹杂物与钢相发生反应时，钢与夹杂物之间的表面张力显著下降，这可能是堵塞突然消失现象的一种解释。这种现象在文献“反应润湿”中有报道。在堵塞计量试验台中，由于钢水氧化导致钢液中铝含量急剧下降，会发生反应润湿。
堵塞的水口的试验第5、6、5和22用SEM/EDS分析。在实验中第5和第6只采用铝镇静，结果Ti/ Al比约为0，随后在试验中第15和22添加了钛铁，导致Ti/ Al比为2，与纯Al脱氧钢水相比，认为是促进堵塞的发生。对试验第5、15和22的试样进行了自动SEM/EDS检测评估。这些试样是在开始浇铸取样的，应该是代表钢水的条件。
对试验5和试验6的水口的解剖分析显示了类似的沉积团聚行为，在第15试样分析的堵塞沉积物，纯氧化铝是钢中主要的夹杂物，沉积结瘤物中的夹杂物多为球状。一般来说，这些夹杂物形成了一个珊瑚状的网格，网格空腔完全由钢水填充。如果只有铝镇静钢水，则可以在水口上部的锥形部分检测到沉积结瘤团聚，并在管状底部处变得更严重。在圆锥形部分，沉积粒子呈放射状生长，而在管状部分，附着粒子形成与钢水流动方向相反的结构。在临界区域，也就是钢流最终被阻塞的地方，位于水口的锥形到管状的那个部分。
试验15的结果表明，含Ti的氧化铝夹杂物是最先附着在水口内壁上的颗粒，最后的堵塞是由水口底部的富钛氧化物引起的，导致了不同形态的沉积结构。从任务 2.2的结果可以得出结论，富Ti氧化物润湿性的提高导致沉积倾向降低。然而，大量的夹杂物会导致结块的形成，从而中断钢水的流动。
试验22对水口内沉积物进行了分析，结果与试验5和6的结果相似。应该注意的是，第22试验中堵塞10分钟后突然打开钢水流动下来。加入0,05%的铝，几分钟后形成新的堵塞水口现象。这就解释了为什么尽管添加了FeTi，正如夹杂物稳定性图所预测的那样，堵塞材料中发现了大部分铝氧化物。在典型的水口堵塞区域，最终堵塞来自大量的小颗粒和团聚颗粒。
任务2.4：减少/防止加钛ULC钢种水口堵塞的可能工艺和建设性措施。(UNILEOB钢厂, COMDIC钢厂, SALZF钢厂,VASL钢厂)
这项任务的目的是检测减少/预防堵塞的可能工艺和建设性措施，即实验室试验的结果必须总结为操作实践的建议。
调查关于铝氧化后夹杂物的瞬态行为和随后的Ti, Fe-Ti和Fe-Nb钢种的润湿性与氧化铝夹杂物堵塞计量测试，在堵塞检测试验台导致一些一般性的观察和总结在3.1节。
2.2.3 WP3 -阻塞相关现象的数值模拟
这个工作包的目标是:
堵塞问题现有欧拉-拉格朗日模型的推广。
扩展数值模型的实现和验证。
根据物理和化学角度的数值计算，提供关于减少/防止堵塞的可能工艺和建设性措施。
修改塞棒端部的几何形状，以防止堵塞。
任务3.1：基于软件代码FLUENT的数值模型的初始设置，包括对来自WP1的操作数据库的评估以及通用接口和数据格式的定义。(UNILEOB BFI)
这项任务的目的是利用现有的欧拉-拉格朗日方法来确定流动、温度和凝固(欧拉)以及夹杂物运动(拉格朗日)。应该定义基本的起始条件和边界条件，并在涉及的合作伙伴之间商定公共接口和数据格式。
UNILEOB-SMMP和BFI利用ANSYS-FLUENT软件进行模拟仿真，该数值代码基于有限体积法(FVM)。采用雷诺平均Navier-Stokes (RANS)方程对在水口内部的钢水湍流流动进行模拟，采用离散相模型(DPM)对钢水多相流动进行模拟，即在钢水中的非金属夹杂物(NMI)和氩气泡的运动。
本研究项目在两个尺度上进行了数值调查:
微观：研究夹杂物的粘附机理以及由于粘附而导致水口壁生长的模型。
宏观：研究整体流动中夹杂物和气泡的动力学行为及其传送。
采用欧拉-拉格朗日格式模拟钢水和夹杂物的湍流流动以及在水口内壁上的沉积，将钢水相视为连续体(Euler)，而分散相夹杂物和氩气气泡通过计算流场(拉格朗日)跟踪粒子的路径来求解。宏观层面的数值模型采用了非金属夹杂物的团聚模型，采用气泡模型模拟搅拌气体流动。
为了实现和测试团聚模型，必须建立夹杂物直径分布的基本模型。合作伙伴同意从文献中的夹杂物分布入手，[1]然后，通过扫描电镜/能谱分析(SEM/EDS)确认了这一假设的分布，这些分析是在堵塞计量试验期间采集的钢样品，见附录b .3.2和图79。该模型已成功应用于RFCCS项目中，旨在去除中间包中夹杂物。
任务3.2：数值模型的调整/开发，包括使用WP1的操作数据库和WP2的中试规模结果进行验证。(UNILEOB BFI)
本任务的目的是调整/发展聚焦于水口的微观尺度数值模型(UNILEOB-SMMP)和聚焦于夹杂物凝聚和惰性气体注入处理的宏观尺度数值模型(BFI)。数值模型的验证过程应包括对所获得的数值参数建模结果的灵敏度分析。
BFI应用了一个数值模型来正确处理夹杂物的凝聚，见附录C.1。这基本上使用了一种基于欧拉-拉格朗日方法的粒子跟踪方法。计算每个计算步骤的夹杂物粒子轨迹，并根据每个流单元中所有粒子的粒子特性和速度的平均值生成一个可能的碰撞伙伴粒子。
钢水的流通量基本上是由中间包中塞棒的位置控制的。数值模型进行了调整，以尽可能好地表现这种行为，定义并测试了能够实现期望行为的边界条件。此外，随着中间包钢水液面高度的增加，中间包底部和塞棒入口处的钢水静压也随之增加，这种行为也在数值模型中得到了实现，并通过文献中的结果进行了成功验证，特别是在低压塞杆区域。热边界条件取自文献并结合自身的经验。
对于夹杂物团聚行为，对几种湍流模型的适用性进行了测试和评价，无法做出明确的决定。因此，根据文献推荐，选择合适的模型。数值模型引入了氩气泡。最初计划根据理想气体定律考虑改变氩气密度，估算水口内的温度降低，气泡密度增大，气泡直径减小。选择了一种适当的方法，研究了钢厂连铸机氩气泡条件进入模型，考虑了对湍流强度的影响。
研究了夹杂物浓度和湍流模型对团聚行为的影响，与预期的一样，夹杂物浓度是影响团聚行为的主要因素。所选湍流模型的影响不能很好地体现出来，部分原因是比较数据不足。湍流模型的选择是基于前面提到的文献推荐的。
UNILEOB-SMMP开发了C.2中报道的微观模型，它考虑了以下堵塞的主要步骤:
钢水湍流流动和悬浮颗粒向水口内壁面的运输。
钢水与水口壁面的相互作用及颗粒在壁面上的粘附机制。
阻塞的形成和生长。
在模型中采用了一种特殊的随机方法来模拟颗粒在靠近水口内壁面的流体结构中的运动，就像[3]所采用的方法。采用一种简化的处理方法来模拟颗粒与粗糙壁之间的相互作用。在此模型中，忽略了氩鼓泡的影响，采用一种新的算法来跟踪阻塞的增长。为此，提出了一个考虑微观问题的瞬态双向耦合模型来模拟堵塞现象，关于微观模型的更多细节在[4]中给出。通过在WP2堵塞计量试验台的试验验证了微观模型的有效性，结果表明，该模型能够再现与堵塞有关的现象:
重点计算靠近内壁区域的粒子轨迹。
通过与颗粒沉积相关的动态壁面粗糙度来处理堵塞早期壁面特性的变化。
堵塞长为可以捕获粒子的多孔材料。
在早期(通过改变壁面粗糙度)和后期(通过应用Darcy源项)均考虑了堵塞对流体流动的影响。
除了对图102附录C.2中计算的浇铸速率进行定量比较外，数值估算的堵塞水口看起来与图103中COMDIC堵塞计量试验台试验得到的堵塞水口类似。
任务3.3：将认为3.2开发的数值模型实现为一个完整的模型。(UNILEOB BFI)
这项任务的目的是将微观和宏观尺度上的数值模型合并为一个完整的数值模型，以便为涉及的合作伙伴BFI和UNILEOB-SMMP使用。
在建立微观模型的过程中，虽然只考虑了中间包的一小部分和水口SEN，但需要付出巨大的计算努力。对包括塞棒和水口在内的整个中间包进行宏观建模，并行计算将大大增加计算工作量。即，微观模型将得到一个更大的计算域，而宏观模型将需要一个具有相当大分辨率的数值网格。因此，合作伙伴BFI和UNILEOB-SMMP决定将数值模型拆分为中间包(宏观)和水口(微观)部分。宏观部分为微观部分提供边界条件(流速、湍流度、夹杂物的分布和尺寸)。如上所述，不同的湍流模型基本适用于建模方法：宏观模型采用RNG k-ε-模型，微观模型采用k-Ω-模型。将数值模型分为两部分，可以根据各自的建模目标选择最合适的湍流模型。
原本计划进行以下细分工作：BFI将微观和宏观模型应用于SALZF钢厂的连铸机上，UNILEOB-SMMP将微观和宏观模型应用于VASL钢厂的连铸机上。建模方法的交换导致了在应用各自的模型，处理用大量专家知识开发高度复杂的模型时出现的问题，模型交换的努力显然被低估了。讨论导致了一种新的方法，该方法也得到了工业伙伴的批准。BFI和UNILEOBSMMP对两家行业合作伙伴都采用了各自的模型，即宏观的BFI和微观的UNILEOBSMMP，通过这种方法，加强了所有伙伴之间的相互作用。
任务3.4：关于在水口内壁上钢水流动、夹杂物运动和粘附的数值计算性能。(UNILEOB BFI)
这项任务的目的是为了性能的工艺参数研究，即通过改变起始条件和边界条件，以减少/防止堵塞现象。这些优化程序可能的措施是修改塞棒/滑动水口的几何形状，或考虑中间包中不同的钢水液面高度，以改变特殊环境下的流动条件。
BFI和UNILEOB-SMMP为实现工业大规模流通量选择了不同的方法。然而，这两种方法都产生了可比较的结果。
BFI在附录C.1中开发并验证了宏观尺度上的数值模型。两台钢厂连铸机都用数值网格表示。其中一个不同的参数是等水口的内径，这个内径对钢水流通量的影响可以被显示出来。在相同数值参数的假设下，较小的水口内径导致较小的钢水流通量。考虑了中间包钢水液面高度和塞棒升高量，对这些参数和钢厂连铸机的速度和湍流强度进行了研究。团聚结果表明，较小的塞棒升高量对应较高的速度水平，导致更强夹杂物的团聚，形成更大直径的非金属夹杂物。对工业钢厂的连铸机来说，中间包钢水液面高度对结块的影响是不同的。SALZF钢厂连铸机的团聚结果在2.5 ~ 5.0 μm范围内，差异不大，但速度和湍流度有明显差异。VASL钢厂的连铸机的浇铸结果对中间包钢水液面高度很敏感，中间包钢水液面较低，会导致较大的非金属夹杂物。
UNILEOB-SMMP开发并验证了附录C.2中所述的微观尺度的数值模型。由于计算工作量巨大，将微观模型扩展到钢厂实际使用的中间包是不可能的。因此，我们对SEN和中间包的一部分进行了建模，并在靠近塞棒区域注入了大量夹杂物，以便在较短的时间内观察堵塞现象。从整个中间包和水口的初始模拟中提取了该区域的边界条件。模拟结果表明，颗粒沉积的临界面积即堵塞面积随时间变化。首先，颗粒沉积主要发生在塞棒下方的水口内壁上，一段时间后，由于内壁面上观察到的阻塞物的生长改变了流场，沉积在水口和塞棒隙内的影响增大。
研究了中间包钢水液面高度对堵塞的影响，结果表明，中间包钢水液面为0.8 m时发生堵塞的速度略快于中间包液面高度为0.5 m时。然而，差别是微不足道的，UNILEOB-FM的研究表明，当夹杂物的体积分数恒定时，夹杂物直径越小，堵塞的概率越大。与宏观模型并行计算表明，中间包液面高度为0.5 m增强了夹杂物的团聚，导致夹杂物直径增大，这些观察结果基本一致。此外，根据SALZF钢厂和VASL钢厂的数据，考虑了两种不同内径的水口设计，在这两种情况下，所有其他参数，如钢水流动速率、粒子注入速率和粒子大小保持不变，结果表明：小直径的水口阻塞量较小，阻塞物在水口内壁上分布更均匀；附录C.3详细介绍了该模型在钢厂连铸机上的应用。
任务3.5：阐述在连铸过程中减少/防止加钛ULC钢种的堵塞的可能工艺和建设性措施。(UNILEOB, BFI, COMDIC, SALZF, VASL)
这项任务的目的是检测和阐述减少/预防堵塞的可能工艺和建设性措施，即总结数值结果，确定操作行为规范。
从建模结果中获得了关于堵塞的新的看法。
堵塞是一个瞬态过程，它包括水口内壁面初始沉积颗粒覆盖，堵塞前沿突出膨胀的演变，以及分支结构的发展。
堵塞是一个随机的、自我加速的过程。
宏观尺度上的结果表明，较小的塞棒升高量导致塞棒间隙的速度和波动较大，同时由于更强的团聚作用导致夹杂物直径增大。在微观尺度下，当水口内径越小时，阻塞物沿壁面分布越均匀。为了达到相同的钢水质量流量，塞棒必须提升高度，也就是说，较小的水口内径似乎可以改善结块和堵塞行为。
中间包钢水液面高度对堵塞的影响较小，这一结果与VASL钢厂的观察结果不同。VASL连铸机的水口团聚结块结果对中间包填充水平具有敏感性，中间包钢水液面越低，夹杂物直径越大。然而，这一观察结果无法为SALZF钢厂的连铸机所证实。中间包液面高度对水口堵塞没有影响。
任务3.6：调整/修改塞棒端部几何形状。(BFI)
本任务的目的是验证在以前的RFCS研究项目中利用开发的数值模型开发的塞棒设计，对流动条件的影响和减少/预防堵塞的有效性进行调查和评估。
关于改进的塞棒头部几何形状的详细研究报告在附录C.4中。该设计的目的是修改流动条件，导致流向平行于水口内壁墙。微观模型的堵塞和宏观模型的团聚结果也与UNILEOB-FM的实验室结果很好地吻合，因此，通过假设团聚结果对堵塞行为的可转移性的宏观模型来调整塞棒几何形状，其基本思想是避免流动再循环，加速钢水靠近水口壁，以防止堵塞沉积，这些考虑的结果是一个漏斗形的设计。对这种塞棒的设计进行了三种修改：一种是原设想的平的塞棒端部，另一种是椭圆端部，但长度不同，目的是避免塞棒下方的回流区。
观察到对钢水流通量的影响主要有两方面：钢水流通量降低，即两种对塞棒的修改都增加了流体机械阻力。此外，与原设计相比，钢水流通量随塞棒升高的渐近过程似乎更清晰，两种效应结合在一起被认为是合理的。
塞棒端部平面修改和椭圆修改显示了预期的速度场，塞棒下方的回流区域是可见的，对于平面设计的塞棒端部来看，回流区域较大，而对预期的椭圆形设计，回流区域则较小。然而，塞棒端部的椭圆设计表明在水口中的流场趋于对称。中间包钢水液面高度对塞棒升高的影响与原塞棒设计基本相同，湍流强度局部极大值的位置如预期的那样在塞棒下方。在这种配置中，局部极大值的位置不在塞棒间隙中，而是在塞棒的下方。与原塞棒设计相比，其湍流强度水平更高。同样，对于塞棒端部椭圆修改，可以观察到一个向水口左边的非对称分布。然而，对于塞棒端部的平面设计，湍流强度有轻微的向水口右侧的趋势，特别是在塞棒升高量为20 mm时。
此外，对于塞棒端部几何形状的修改，较小的塞棒升高量会导致更强的夹杂物团聚，进而导致夹杂物更大的直径。虽然塞棒间隙内的速度发生了明显的变化，但塞棒几何形状的改变对夹杂物的团聚影响很小。在改变中间包钢水液面高度的情况下，塞棒端部椭圆型改造基本上导致了夹杂物直径的增加，而在塞棒端部平坦型改造中，可以发现夹杂物较小直径的趋势。然而，必须提到的是，这些发现现象只是微弱的。
2.2.4 WP4 -在钢厂试验中实施优化措施并验证其效率
这个工作包的目标是：
对由实验室试验、数值调查和操作经验产生的确定措施进行评价，从而形成与操作实践一致的操作设置和旨在控制确定措施潜力的能力。
在RH和VD工艺设备的工厂试验中，工艺控制和减少/防止堵塞发生的建设性措施。
基于改进和初始条件的阻塞比较，对所调查的工艺和建设性措施进行评估。
利用结果，提出减少/预防加钛ULC钢种堵塞发生的具体建议/指导。
任务4.1：总结开发的过程和建设性措施，并转移到实际操作中。(所有合作伙伴)
这项任务的目的是总结和控制在WP2和WP3中制定的有关操作适用性的措施。
一般来说，添加合金的时间对夹杂物形貌没有显著影响，实验总时间(铝镇静后总时间)对氧化铝的浮选有较大影响。
堵塞计量试验台试验表明，无堵塞试验中Al、Ti含量均较低，夹杂物数量也较低。中度堵塞组与重度堵塞组相比，纯Al在中度堵塞组中更多，而Ti和Al和Ti的混合物在重度堵塞组中更多。
数值研究表明，中间包钢水液面高度对VASL钢厂的连铸机堵塞和结块有影响，但对SALZF钢厂连铸机没有影响，即中间包钢水液面的调整不能适用于所有设备，这取决于钢厂的具体连铸条件。
另外，在保持其他连铸条件和相应部件的几何参数不变的情况下，浸入式水口内径也会影响堵塞，例如，较小直径的水口倾向于导致堵塞更均匀分布在水口壁上。
任务4.2：工厂试验。(SALZF 钢厂和VASL钢厂)
这项任务的目的是进行钢厂试验，并控制优化工艺的有效性和在操作实践中的建设性措施。
在VASL钢厂试验中，评估RH脱气过程中夹杂物的演变，感兴趣的参数是夹杂物的数量及其类型。据报道，在RH脱气结束和连铸过程中，IF钢在VASL钢厂的非金属夹杂物主要为(> 50%)铝酸盐。在SALZF钢厂试验中，RH脱气装置在项目运行期间投入使用，这些试验使项目开始时运行的VD路线和新实施的RH路线可以进行比较。
任务4.3：工厂试验的评估。(所有合作伙伴)
这项工作的目的是评估任务4.2中有关项目主要目标的钢厂试验，即加深对造成堵塞现象的机制的了解，以及减少/预防堵塞的优化措施。
氧含量和铝酸盐的平均值与铝镇静后的时间，以及尖晶石型夹杂物的平均值与铝镇静后的时间的调查和详细报告在附录A.4。在两个钢厂合作伙伴中，检测了不同的铝和钛含量的指数阻塞。Ti/Al比值介于0(无Ti 的IF钢)和2.5 (VASL钢厂)和3.5 (SALZF钢厂)之间。这些检查的结果非常一致。当Ti/Al比较低时，浇注性能较好，即堵塞较少。当Clog作为Ti和Al含量的函数时，数据的意义发生了变化，钛含量越低，Al含量越高，堵塞越少。后一种结果与SALZF钢厂的结果非常吻合。
此外，在SALZF钢厂上对VD路线的781炉号和RH路线的697炉号进行了评价，目的是对这些工艺路线进行比较。考虑了处理时间、平均Al含量和添加量、平均Ti含量和添加量以及各自的收得率，用OES-PDA对微小的非金属夹杂物进行分析，并对两种方法进行比较。
任务4.4：具体建议/指导的定义。(所有合作伙伴)
这项任务的目的是为工艺和建设性措施确定具体的建议/准则。表1列出了调查的主要观察结果、导出的建议和可能的指导方针。
表1 观察结果和导出的建议/准则(所有合作伙伴)
2.2.5 WP5 -项目管理
这个工作包的目标是:
协调和监测项目活动。
在TGS出口组介绍和讨论项目进展/结果。
组织和举行协调会议。
项目进展/结果报告。
任务5.1：协调。(BFI)
这项工作的目的是协调和监测研究项目，以实现预期的目标，其中包括组织预定的研讨会/研讨会“优化加钛ULC钢的炼钢规则，以防止堵塞”。
项目合作伙伴提议将BFI在杜塞尔多夫Düsseldorf主办的研讨会转变为网络研讨会。网络研讨会的主要优点是预定的日期和预期的参与者人数。合作伙伴希望尽可能推迟传播结果。此外，由于省略了旅费，预计参加人数将明显增加。
商定了网络研讨会的组织方式，该活动于2018年3月1日举行，共有34名参与者。之后，展示的幻灯片在参与者中分发。
任务5.2：协调会议。(所有合作伙伴)
这项任务的目的是筹备和参加项目的管理/发展所需的会议。
项目合作伙伴每年举行两次会议。每个项目合作伙伴主持一次会议，协调员BFI主持启动会议和最后一次会议。行业合作伙伴SALZF钢厂和VASL钢厂会面了两次，交换了数据，并统一了堵塞检测的评价标准。这是在不同的脱气工艺设备的背景下完成的。
任务5.3：报告。(所有合作伙伴)
这项任务的目的是编写年度报告、中期报告和最后报告。
这些报告是按照计划编写的，并由协调员在相应的TGS3会议上提出。
3. 结论
3.1 实验室试验
脱氧实验表明，氧化铝颗粒是主要的夹杂物类型。一般来说，添加时间对夹杂物形貌没有显著影响。实验总时间(铝镇静后总时间)对氧化铝的上浮有较大影响。
无法检测到FeTi钛铁合金对氧化铝夹杂物形貌可能变化的影响。
较小的夹杂物更容易卡附在水口内壁上，在全氧含量低的情况下，检测到小的氧化铝夹杂物的形成，与不含钛的ULC钢相比，小的夹杂物上浮分离倾向较低，并会加速堵塞沉积的形成。
在任何FeTi钛铁合金添加的情况下，夹杂物数量强列变化可以在一个系列中进行评估，一个可能的原因是钛铁中的氧含量会导致小的氧化铝夹杂物的形成，钢水中的小颗粒夹杂也是Ti-ULC钢高堵塞倾向的一个可能解释。建议检查铁合金的氧含量，使用低氧含量的FeTi钛铁合金。
添加的时间没有显著改变试样样品。这一结果并不奇怪，因为二次冶金过程中会发生大量的动力学过程，如夹杂物团聚、吹氩上浮夹杂物、夹杂物在炉渣中的溶解等。
钼基喷涂是一种有效的方法来创建Al2O3- TiOx涂层用于接触角测量。不同相的分布规律，但不均匀。为了获得更好的均匀性，额外的热处理(在1600°C下30分钟)会导致相反的效果，导致富TiOx相在基板表面团聚。
堵塞与颗粒的团聚和附着力密切相关，这也与润湿角等界面性质有关。在40%和100% TiO2的情况下，较低的接触角也意味着较低的团聚倾向。因此，在二次处理过程中，Al2TiO5和纯TiO2粒子的去除率较低，最终大量夹杂物进入连铸系统。防止有害夹杂物的关键是控制高钛钢加入的钛铁合金中氧的含量，并尽可能降低钛铝比。
钛合金级钢在低TiO2浓度下比无钛ULC级钢有更低的接触角，较低的润湿角导致较低的团聚倾向。建议在浸入式水口内部使用防堵层或选择替代耐火材料，以适当的方式预热水口，并根据钢水流动优化水口的几何形状。
在富铝基板中，无钛ULC的润湿倾向最低，而Ti - P合金钢的接触角显著较低。众所周知，钛和磷这两种元素都能增加氧化铝的润湿性。正如预期的那样，只有Ti合金钢在无钛和Ti - P钢之间产生对比结果。随着铌含量的增加，Fe-Nb与氧化铝接触的润湿角显著降低。为此，制备了几种Nb含量高达0.076%的Fe-Nb合金。
在堵塞计量试验台观察到4个无堵塞试验，它们显示出较低的铝和钛含量，在钢水开始浇铸前具有少量夹杂。主要结论是大量的夹杂物增强了堵塞。
“中等”堵塞与“密集”堵塞的比较表明，纯Al更频繁地出现在中等堵塞组，而Ti以及Al和Ti的混合物更频繁地出现在密集堵塞组。但必须指出的是，在IF钢中不能防止Al和Ti的平行合金化，需要注意的是钛铝比应尽可能低。
没有堵塞“全部”的四个实验都有低于100 ppm的数值，特别是铝和钛含量低。其他试验的铝含量都高于100ppm，平均是413ppm。Al含量低，试样样品质量差，不利于可靠的SEM/EDS特征测量。事实上，低铝含量也导致少量的固态氧化铝夹杂物。此外，在实验中，富钛氧化物与纯氧化铝相比，表现出更低的吸引力。这两个效应解释了“全部”实验中较低的堵塞倾向。
堵塞计量试验台试验对堵塞水口的分析表明，堵塞水口的原因是在典型堵塞区域有大量的小颗粒夹杂物和团聚颗粒。
只有钢水进行铝镇静后才能导致适度的堵塞行为，而随后添加FeTi钛铁合金会导致堵塞趋势的增加。总体而言，堵塞等级与“夹杂物数量”、“夹杂物含量”、“夹杂物大小”和化学性质等影响因素之间的相关性较弱。
3.2 数值调查
宏观数值模型的目的是尽可能好地表示塞棒升高量对钢水流通量的控制。考虑中间包钢水静压的边界条件导致了预期的行为。静压结果显示，塞棒间隙的典型值为零以下。可以考虑静压、钢水速度和代表工业情况的湍流波动对团聚的影响。
两种工业中间包均采用宏观数值模型进行了研究。对于相同的中间包钢水液面高度和塞棒升高量，不同的水口内径导致钢水流通量不同。分析了速度和湍流，特别是对夹杂物凝聚的可能影响。具有最大局部速度和湍流强度的构型容易产生强烈的夹杂物团聚。
由于团聚的缘故，较小的塞棒升高量导致较大的夹杂物直径。VASL钢厂的连铸机团聚结果对中间包钢水液面高度具有敏感性，钢水液面越小，湍流强度越大，夹杂物直径越大。
改变塞棒端部的几何形状导致所需调整在塞棒间隙和在塞杆尖端的钢水速度，采用漏斗形结构来避免塞棒尖端下方的回流区，这被认为是一种很好的措施，可以减少塞棒下方水口堵塞。对塞棒端部两种改进均未发现对夹杂物团聚的明显影响，特别是在与塞棒升高量的结合对比上，没有发现任何变化。研究结果被认为夹杂物团聚行为较弱，即没有发现对夹杂物聚集行为的明显影响。然而，这并不是塞棒修改的第一目标。
建立了考虑水口阻塞生长(夹杂物沉积)与钢水流动双向耦合的瞬态水口阻塞模型。该模型在微观尺度上考虑了堵塞的关键步骤：夹杂颗粒通过湍流向喷嘴壁面的运移；水口内壁面-流体相互作用及夹杂物在水口内壁面上的沉积，夹杂物粒子沉积引起的阻塞生长。
通过在COMDIC重现堵塞计量试验台试验，该模型得到了验，数值计算的水口堵塞段与室内试验的堵塞段定性吻合，计算得到的堵塞过程中通过水口的钢水流通量随时间的变化规律也与实验监测结果一致。
基于堵塞计量试验台的设置，从模型结果中导出了关于堵塞的新的认识。
-堵塞是一个瞬态过程，它包括水口内壁上初始沉积的颗粒覆盖，堵塞前沿凸出的演变，以及分支结构的发展。
-堵塞是一个随机的、自我加速的过程。
采用微观数值模型模拟了实际钢厂工业规模(VASL,钢厂和SALZF钢厂)连铸过程中的水口阻塞。获得了以下建模结果。
- 水口和塞棒的设计(几何形状)影响水口堵塞。参考行业合作伙伴提供的水口图纸，发现两个关键区域对堵塞敏感：(1)塞棒-水口之间的间隙，(2)间隙下面的水口上部。
-中间包钢水液面高度对堵塞的影响很小。这一结果与VASL钢厂的行业观察结果不同。我们假设其他机制可能会导致堵塞，如中间包钢水液面高度对引入水口的夹杂物颗粒的大小和数量密度的影响。
-在保持其他连铸参数和几何参数不变的情况下，水口的内径会影响水口内部的阻塞，例如，较小的水口直径会导致阻塞沿水口内壁分布更加均匀。建议将水口调整到更小的水口内径，并与之相关联，增加塞棒提升高度。
3.3 工厂试验
对堵塞的水口解剖发现，堵塞材料由不同形状的小颗粒组成：球状、枝状、柱状。分析了夹杂物大小的分布。所检测的颗粒大部分由Al2O3、TiO2和MgO组成，主要成分为Al2O3。
首先比较不同脱气工艺(VD在SALZF和RH在VASL)的工艺数据，显示脱氧前的氧含量有显著差异，Al和Ti的数量在SALZF钢厂和脱氧到连铸开始之间的时间间隔也更大。
在项目运行期间，将SALZF钢厂的脱气工艺路线改为RH脱气，从而可以与VD脱气进行直接比较。二次冶金的处理大致结果是RH路线缩短50%的时间，最终Ti-和Al含量在RH路线较低，而Ti-和Al收得率在RH路线较大。如果两种路径(VD和RH)在SALZF都可用，那么RH路径应该是首选的，因为在SALZF的早期数据结果可以进行对比效果的。
OES-PDA结果RH和VD脱气进行了评估。微小夹杂物(Al+Ca+Mg)的浓度在RH脱气处理中要低得多。微小夹杂物(Al)浓度略大于VD生产的IF钢。标准和磷合金IF钢种之间不能观察到显著差异。
RH脱气过程中夹杂物的演变与铝、钛含量和总氧含量密切相关。铝和钛烧损现象可以用精炼渣化学计量学解释。
在VASL钢厂，根据观察到的堵塞趋势的迹象以及UNILEOB-FM进行的实验室试验和研究的结果进行试验。在Ti- If钢生产的一周内，平均Al含量为610ppm ±40ppm，平均Ti含量为570ppm ±35ppm, Ti/Al比为~ 0.93。Clog平均值为0,090 ±0,017。
关于Ar-和Ti含量以及Ti/ Al比的主要结论在两种台钢厂连铸机上都非常一致。当Ti/Al比较低时，有减少堵塞的趋势。考虑Ti和Al的单一含量，Ti-含量越低，Al-含量越高，堵塞越少。建议在给定的成分范围内尽量降低Ti/Al比值，并控制添加FeTi钛铁合金的氧含量以获得较高的Ti含量。
由于堵塞的减少，VASL钢厂的效益是每一个连铸工序减少了浸入式水口使用数量，或者说每一个水口浇铸的板坯数量增加，即由于水口变化而降级的钢板数量减少。虽然无法证明钛铝比对最终带钢盘卷质量的影响，但总体收得率是提高了。
4 研究成果的开发与影响
项目的回报与铝/钛比的变化看，奥钢联voestalpine Stahl可以估计基于以下假设：铝消费量的增加0,23kg/ t乘以~ 2 00€/公斤(平均的Al合金成本业务2017年)会导致Ti-IF钢成本的增加~ 0,46€/ t。由于堵塞的减少，水口的减少是有益的，同时也增加了每个连铸工序接受的钢包数，于是，中间包第一炉降级的钢板或出现缺陷的钢板数量可以减少。
假设每炉钢175t /炉，平均每个中间包浇铸5、7炉钢，2017商业年度浇铸的Ti-IF钢种总数为945 kt，最大的经济效益可以估计大约105.000€。最后，考虑到VASL钢厂的有效项目成本为417.000欧元，回报期不到4年。
当考虑在钢种范围内IF钢级Ti/Al比率的微小变化时，可以确定有关堵塞的优化潜力。
在SALZF钢厂的当前状态下，使用新的RH脱气装置进行真空脱气处理，难以判断最终取得的效益。目前还不清楚，RH脱气装置是否在理想最终条件下操作运行。例如，Ti含量及其Ti/ Al比值不在VASL钢厂已经实现的理想的低范围内。
从VD脱气到RH脱气的变化导致了更短的脱气时间，并节省了相当大的能源和成本。RH脱气工艺提高了铝和钛的收得率。总的来说，从VD脱气到RH脱气的工艺改变提供了成本节约的潜力，并在减少堵塞方面提高了产品质量。在运营初期，精确的量化是非常困难的。
数值模型在宏观和微观层面的结果表明，中间包钢水液面高度和水口内径对夹杂物团聚和堵塞沉积的影响。这些结果部分得到了实际观测的证实，这些影响因素可以在钢厂进行调整，以减少堵塞的发生。因此，数值结果提供了在操作实践中减少堵塞的潜力。
该研究项目的结果在2018年3月1日举行的有34名参与者的网络研讨会上发布。之后，展示的幻灯片在参与者中分发。
出版了三份出版物:
Barati, H.; Wu, M.; Kharicha, A.; Ludwig, A.: ”A transient model for nozzleclogging.” Powder Technology, Vol. 329, pp.181-198, 2018. Barati, H.; Wu, M.; Holzmann, T.; Kharicha, A.; Ludwig, A.:"Simulation of Non-metallic Inclusion Deposition and Clogging of Nozzle."Proceedings of TMS 2018: CFD Modeling and Simulation in Materials Processing,pp 149-158, 2018. Barati, H.; Wu, M.; Kharicha, A.; Ludwig, A.: "Investigation on MeshSensitivity of a Transient Model for Nozzle Clogging." ICMME 2018:International Conference on Metallurgical and Materials Engineering, London,United Kingdom, 2018.
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（未完待续哦！）
