結晶器電磁攪拌鋼水旋轉觀察
為了提高結晶器內鋼水周向穩定換熱和傳熱,現代化生產優特鋼拉矯機結晶器采用了電磁攪拌工藝裝備,借助交流旋轉磁場使液芯感生電流并使之類同于感應電動機轉子作旋轉運動。線圈產生的低頻磁場能夠穿透結晶器奧氏體不銹鋼內水套和銅管,作用于鋼水中。如果是外置式攪拌線圈,電磁場還需須穿透結晶器奧氏體不銹鋼外筒。由于是旋轉磁場,就造成液態鋼水在結晶器內按照特定的方向進行旋轉。
生產優特鋼結晶器均采用保護澆鑄模式,結晶器鋼水液面上層具有保護渣層覆蓋其上,保護渣的液渣層、燒結層和粉渣層構成了約40~60mm厚度的渣層,重重地壓在鋼水液面上,起到了穩定鋼水液面的作用,但是由于保護渣產生的重力作用,抑制了鋼水液面的旋轉,所以在保護渣上難以在短時間內觀察到鋼水的實際旋轉狀況。
圖1 使用易拉罐感應攪拌力和方向
圖1是結晶器線圈工廠試驗時候使用易拉罐進行直觀試驗,感受電磁攪拌力和旋轉方向,現場感覺是鐵絲連接易拉罐進入線圈內部時候,易拉罐高速旋轉。當然這是沒有內水套和銅管對電磁感應的阻礙,實際使用過程中由于受到水套和銅管的阻礙,磁場穿透后受到很大的削弱,實際鋼水感受到的磁場并沒有這么大。
圖2是筆者鋼廠工作的時候,使用電磁攪拌廠家帶來的力矩測試儀,用來標定其產生的扭力矩,根據現場現場結晶器和線圈標間,給定不同的電流頻率進行測定,測試的結果是頻率在3~4Hz情況下得到的攪拌力矩最大,攪拌力矩隨電流增加而加大。
盡管知道結晶器銅管鋼水處于旋轉之中,通過試驗手段知道鋼水旋轉方向,通過低倍知道了柱狀晶是逆著鋼水旋轉方向生長,其柱狀晶彎曲方向與鋼水旋轉方向相反,見圖3所示。怎么樣才能直觀看到結晶器內鋼水旋轉呢?于是就開始進行準備這個觀察。
圖3 φ280mm圓坯50Mn
由于觀察條件的限制,小斷面鑄坯冷卻快,結晶器上方液面很快結殼,難以觀察鋼水旋轉。最好是使用較大斷面的連鑄機來進行觀察,特別是大斷面圓坯。這樣不會快速凝固冷卻,又能保持鋼水旋轉,肉眼能夠觀察到旋轉現象。
根據現場生產組織安排,選定生產φ380mm圓坯進行試驗觀察,選擇這個規格好處為:
1 斷面較大,有利于觀察。
2 斷面較大,鋼水短時間內仍然保持較好的流動性。
3 圓坯幾何上的特點,旋轉效果明顯,易于觀察。
觀察時機為快速更換中間包期間,大規格圓坯生產過程一般都采用快速更換中間包模式,也就是飛包模式,這樣做的目的為了減少尾坯處理時間,減少穿送柔性引錠桿和做引錠頭時間,從而提高生產效率。圖4顯示的是更換中間包后開啟起步,新鮮頭坯與上一爐尾坯離開結晶器銅管進入足輥段。
當上一爐鋼包鋼水澆鑄完畢后,中間包鋼水繼續澆鑄,當中間包包底鋼水約200mm厚度時候關閉塞棒停止澆鑄,中間包升降液壓缸動作升起中間包,將浸入式水口拔出離開結晶器蓋板,中間包移開。此時使用了第一流進行觀察,其余四流按照正常操作程序作業加入鋼筋焊接的鐵籠子置于液面上方。
中間包快速更換前就逐步減少保護渣的加入量,停止澆鑄后馬上使用氧氣將保護渣層盡可能燃燒掉,目的為對接上下爐鋼水做好準備工作,也就是盡可能將上下兩爐鋼水在對接處連接起來,燃燒掉液面上層保護渣也就為觀察鋼水旋轉做好了準備。此時結晶器電磁攪拌仍然處于正常的工作狀態。對接后離開結晶器的鑄坯如圖4所示。
圖4 φ380圓坯快速更換中間包后啟動
快速更換中間包的上一爐鋼水為45鋼,對接鋼種為Q345B。連鑄機半徑11米,鑄機五流。鋼水液面距離銅管上口100mm。內置式線圈布置,線圈內徑Φ550mm,外徑Φ842mm,線圈高度420mm,線圈頂部距離銅管上口距離為300mm,電攪電流是120A,頻率是3Hz。
根據裸露的鋼水液面,可以觀察到鋼水液面上殘存的保護渣,就可以明顯觀察到鋼水在電磁攪拌力的作用下旋轉,使用照相機連續拍攝,從而記錄了時間和液面鋼水旋轉的角度,可以計算出來液面鋼水的旋轉速率。圖5到圖10是相距1秒鐘時間記錄拍攝的照片。
圖5 旋轉1秒鐘
圖6 旋轉2秒鐘
圖7 旋轉3秒鐘
圖8 旋轉4秒鐘
圖9 旋轉5秒鐘
圖10 旋轉6秒鐘
在快速更換中間包過程中看表面鋼水的流動,6秒鐘旋轉90°,保護渣標志物大約在半徑130mm的地方,旋轉一周的時間為24秒,由此來觀察鋼水在液面的旋轉情況,從而有一個定量的機會了解位于結晶器攪拌線圈位置鋼水旋轉情況。
圖5~10的照片反映了鋼水逆時針旋轉的情況,由于三相電源接線位置有所不同,有的流的鋼水是順時針旋轉。
本次試驗將鋼水停留在正常澆鑄的位置上,由于鋼水粘度和固態坯殼側壁摩擦作用的影響,結晶器內鋼水液面停留在固定位置上,此時鋼水旋轉流動速率不一定能代表真實的結晶器內鋼水旋轉情況,這里僅僅表達的是一個直觀的現象。
這是我10年前在現場做的旋轉試驗,就是想看看實際的鋼水在電磁攪拌線圈磁場的驅動下旋轉,眼見為實,看了之后印象非常深刻的。那個時候已經購買了單反照相機,使用相機進行拍攝,同時也記錄了拍攝的時間,就能夠根據每張照片間隔時間進行計算旋轉速率。
整理出來的目的給大家看看,我是底層現場工程師,水平有限掌握的知識也有限,長期在現場干活,也就有點現場方面下里巴人的經驗,講的不妥不對之處請大家盡管指正,多么希望工程師能夠真誠友好的交流呀!
