EUROPEAN COMMISSION

歐洲委員會(huì)

Research Fund for Coaland Steel

煤炭與鋼鐵研究基金

Investigationof the effect of Ti on clogging of feeding systems and its prevention forcontinuous slab casting

鈦對(duì)連鑄塞棒水口堵塞的影響及預(yù)防—概述

(TICLOGG)

1. 最后的總結(jié)

介紹

這是VDEh-BetriebsforschungsinstitutGmbH (BFI)、Comdicast AB (COMDIC)、Montanuniversit?t Leoben (UNILEOB)、Salzgitter Flachstahl GmbH (SALZF)和奧鋼聯(lián)StahlGmbH (VASL)之間的一個(gè)合作研究項(xiàng)目。UNILEOB參與了兩個(gè)獨(dú)立機(jī)構(gòu)的研究項(xiàng)目:黑色冶金(UNILEOB- fm)主席和冶金過(guò)程模擬與建模(UNILEOB- smmp)主席。他們的工作針對(duì)不同的目標(biāo)。因此，為了更好地區(qū)分UNILEOB機(jī)構(gòu)，在本報(bào)告中單獨(dú)討論。

鈦穩(wěn)定的ULC鋼對(duì)堵塞非常敏感。目前對(duì)這種現(xiàn)象還沒(méi)有完全的認(rèn)識(shí)清楚，特別是對(duì)鈦穩(wěn)定的ULC鋼。在這種背景下，本項(xiàng)目的主要目標(biāo)是:

?   更好地理解導(dǎo)致堵塞的機(jī)理。

?   利用這些知識(shí)，制定工藝和構(gòu)建優(yōu)化措施。

工作方案是作為工廠以及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算合作而建立的。

項(xiàng)目會(huì)議每年在合作伙伴的駐地舉行兩次，該研究項(xiàng)目的主要成果已在網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上公布。除《成果的科學(xué)技術(shù)說(shuō)明》中注明的外，根據(jù)修訂后的合同技術(shù)附件，目標(biāo)已經(jīng)完成。

每個(gè)任務(wù)的結(jié)果總結(jié)如下。主要的結(jié)果、結(jié)論和開(kāi)發(fā)在結(jié)果的科學(xué)和技術(shù)說(shuō)明中進(jìn)行了

WP1（工作項(xiàng)目1）: 產(chǎn)生一個(gè)與操作實(shí)踐和水口阻塞發(fā)生之間相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)

在任務(wù)1.1中，合作伙伴收集了可用的知識(shí)，并列出了他們之前的研究活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了鈦含量對(duì)鋼液中夾雜物尺寸和堵塞的影響。

在任務(wù)1.2中，通過(guò)對(duì)阻塞的水口解剖分析，觀察了堵塞結(jié)瘤沉積的分布，確定了三種主要的阻塞沉積類型。采用一種新的方法測(cè)定了VASL鋼廠沉積結(jié)瘤物材料的形貌、尺寸和化學(xué)成分，概括了主要發(fā)現(xiàn)。

在任務(wù)1.3中，行業(yè)合作伙伴開(kāi)發(fā)了一個(gè)常用的阻塞指數(shù)，并對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整。分析了SALZF鋼廠和VASL鋼廠不同的真空脫氣工藝。SALZF鋼廠為VD工藝，VASL鋼廠為RH工藝。行業(yè)合作伙伴之間交換了數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一了堵塞檢測(cè)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。在VASL鋼廠，即RH真空脫氣工藝路線中，脫氧前的氧含量顯著降低。在SALZF鋼廠，從脫氧到開(kāi)始連鑄之間的時(shí)間階段上，Al和Ti的含量明顯較高。在SALZF鋼廠的OES-PDA上比較了無(wú)鈣鋼和經(jīng)鈣處理鋼的P合金化處理的鋼水結(jié)果。在VASL鋼廠，對(duì)Ti-IF和P-IF鋼牌號(hào)的OES數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類分析。

在任務(wù)1.4中，我們對(duì)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，并將其作為下面工作項(xiàng)目WP的起點(diǎn)，例如使用堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行COMDIC試驗(yàn)的起始條件，收集了中間包和塞棒的幾何形狀、澆鑄速度等連鑄條件，并從文獻(xiàn)中獲取了初始非金屬夾雜物NMI分布。

WP2（工作項(xiàng)目2）: 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

在任務(wù)2.1中，應(yīng)用了工業(yè)合作伙伴和文獻(xiàn)給出的堵塞促進(jìn)參數(shù)對(duì)夾雜物行為、形態(tài)和化學(xué)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)。為了確定導(dǎo)致含鈦ULC鋼嚴(yán)重堵塞行為的影響，在tammann型爐中進(jìn)行了添加FeTi鈦鐵合金和不添加FeTi鈦鐵合金的脫氧實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了三個(gè)系列的實(shí)驗(yàn)。一般來(lái)說(shuō)，較小尺寸的夾雜物更容易粘附在水口內(nèi)壁上，造成較為嚴(yán)重的水口結(jié)瘤堵塞。在全氧含量較低的情況下，當(dāng)FeTi鈦鐵合金加入時(shí)，可以檢測(cè)到細(xì)小氧化鋁顆粒的形成，這些小顆粒的氧化鋁夾雜分離傾向較低。因此，一般來(lái)說(shuō)，與含相同總氧水平的無(wú)鈦鋼相比，FeTi鈦鐵合金的添加應(yīng)該促進(jìn)了結(jié)瘤堵塞的形成，合金添加的時(shí)間段上看，沒(méi)有導(dǎo)致試樣內(nèi)夾雜物的顯著變化。

在任務(wù)2.2中，研究了鋼液和非金屬夾雜物之間的潤(rùn)濕行為，因?yàn)殇撘簝?nèi)部和界面處夾雜物的行為受到強(qiáng)烈影響。為了研究來(lái)自工業(yè)伙伴的各種鋼牌號(hào)對(duì)鋁鈦氧化物的潤(rùn)濕行為，采用了一種新方法。采用等離子噴涂法在鉬板上制備Al₂O₃-TiOx基板。考慮了涂層的不同成分以及三種不同的合金。分析了TiO₂和不同合金對(duì)潤(rùn)濕角的影響。在富鋁基體中，無(wú)鈦ULC的潤(rùn)濕傾向最低，而Ti-P合金鋼的接觸角明顯較低。此外，還研究了與氧化鋁接觸的Fe-Nb鋼種，隨著鈮含量的增加，潤(rùn)濕角顯著降低。

在任務(wù)2.3中，在堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)中考察了鋼化學(xué)、脫氧實(shí)踐和連鑄參數(shù)對(duì)堵塞率的影響，以0.09%、0.06%、0.03%和0%為目標(biāo)的4個(gè)鋁和鈦含量水平和不同的含量水平組合進(jìn)行了研究，共進(jìn)行了22項(xiàng)試驗(yàn)，Al和Ti的含量水平不能精確地涵蓋在所有試驗(yàn)中。此外，為了調(diào)節(jié)夾雜物的數(shù)量，還改變了脫氧前的等待時(shí)間和塞棒的提升高度。在4個(gè)無(wú)堵塞的實(shí)驗(yàn)中，Al和Ti的值都較低，夾雜物數(shù)量也較低。如果將中度堵塞與重度堵塞相比較，純鋁更容易出現(xiàn)中度堵塞，而鈦和鋁和鈦的混合物更容易出現(xiàn)重度堵塞。用掃描電鏡/能譜儀對(duì)四種堵塞的水口進(jìn)行分析，對(duì)三次試驗(yàn)的試樣進(jìn)行自動(dòng)SEM/EDS夾雜物評(píng)估。這些試樣是在開(kāi)始澆鑄前采集的。從兩個(gè)試驗(yàn)中堵塞水口解剖分析，顯示了類似的夾雜物沉積結(jié)瘤積累行為。

任務(wù)2.4調(diào)查Al脫氧后和加入Ti后的結(jié)果對(duì)夾雜物的瞬態(tài)行為，Fe-Ti和 Fe-Nb系鋼種與氧化鋁夾雜物的潤(rùn)濕性和堵塞測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)進(jìn)行概括總結(jié)，給出總體的觀察和建議。

WP3（工作項(xiàng)目3）: 阻塞相關(guān)現(xiàn)象的數(shù)值模擬

在任務(wù)3.1中，首先建立了數(shù)值模型。從WP1中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出邊界條件，定義通用接口和數(shù)據(jù)格式。

在任務(wù)3.2中，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證。BFI應(yīng)用了一個(gè)數(shù)值模型來(lái)正確處理夾雜物NMI的團(tuán)聚，采用了一種基于歐拉拉格朗日方法的粒子跟蹤方法，鋼液的流通量基本上是由中間包中塞棒的位置控制的，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了調(diào)整，以盡可能好地表示這種行為，即考慮中間包中的鋼水靜壓。熱邊界條件取自文獻(xiàn)并結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)，在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上選擇了合適的湍流模型。數(shù)值模型實(shí)現(xiàn)了吹氬處理，研究了非金屬夾雜物的濃度和湍流模型對(duì)夾雜物團(tuán)聚行為的影響，與預(yù)期的一樣，夾雜物的濃度是影響團(tuán)聚行為的主要因素。UNILEOB-SMMP開(kāi)發(fā)了一種微觀模型，考慮了堵塞的三個(gè)主要步驟。該模型采用一種特殊的隨機(jī)方法來(lái)模擬靠近水口內(nèi)壁面的流體結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，在微觀模型中忽略了Ar泡的影響。通過(guò)在WP2堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)驗(yàn)證了微觀模型的有效性，結(jié)果表明，該模型能夠再現(xiàn)與堵塞有關(guān)的現(xiàn)象。

在任務(wù)3.3中，合作伙伴希望將他們的模型合并為一個(gè)完整的模型。由于遇到一些問(wèn)題，合作者決定將數(shù)值模型分為中間包(宏觀)和水口SEN(微觀)兩部分。宏觀部分為微觀部分提供邊界條件(流速、湍流度、夾雜物分布和尺寸)。這些建模方法選擇了不同的湍流模型。

在任務(wù)3.4中，兩臺(tái)鋼廠連鑄機(jī)都用宏觀尺度的數(shù)值模型表示，考慮中間包鋼水液面高度和塞棒升高量，對(duì)這些參數(shù)和鋼廠連鑄機(jī)的速度和湍流強(qiáng)度進(jìn)行了研究，對(duì)兩臺(tái)連鑄機(jī)的夾雜物團(tuán)聚現(xiàn)象進(jìn)行了研究。采用微觀數(shù)值模型研究了水口和中間包的截面，在靠近塞棒區(qū)注入了較多的夾雜物以觀察堵塞情況。從整個(gè)中間包和水口的模擬中提取了該域的邊界條件，并對(duì)在水口內(nèi)壁上的夾雜物的沉積進(jìn)行了觀察和分析。研究了中間包鋼水液面高度對(duì)堵塞的影響，水口內(nèi)腔直徑越小，堵塞越小，阻塞物在SEN壁上的分布越均勻。

在任務(wù) 3.5中，對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，并列出了所獲得的信息。

在任務(wù)3.6中，針對(duì)導(dǎo)致平行于水口內(nèi)壁流動(dòng)的修正流動(dòng)條件，研究了一種改進(jìn)的塞棒頭部形狀設(shè)計(jì)。其基本思想是避免流動(dòng)再循環(huán)，加速鋼水靠近水口以防止夾雜物堵塞沉積。兩種修改都顯示了預(yù)期的速度場(chǎng)，塞棒下方的回流區(qū)域是可見(jiàn)的，對(duì)于塞棒端部平面的設(shè)計(jì)，回流區(qū)域較大；而對(duì)于塞棒頭部的橢圓形設(shè)計(jì)，回流區(qū)域較小。分析了湍流強(qiáng)度和鋼水速度局部最大值的位置對(duì)團(tuán)聚行為的可能影響，修正的塞棒幾何形狀只導(dǎo)致團(tuán)聚行為的很小的變化。

WP4（工作項(xiàng)目4）：鋼廠試驗(yàn)中實(shí)施優(yōu)化措施并驗(yàn)證其效率

在任務(wù)4.1中，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，如果適用于鋼廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制。

在任務(wù)4.2中，在VASL鋼廠進(jìn)行了工廠試驗(yàn)，以評(píng)估RH脫氣過(guò)程中非金屬夾雜物的演變過(guò)程。感興趣的參數(shù)是夾雜物的數(shù)量及其類型。在SALZF鋼廠試驗(yàn)也在RH脫氣期間進(jìn)行。RH脫氣裝置在項(xiàng)目運(yùn)行期間投入使用，使得VD脫氣工藝和RH脫氣工藝可以直接比較。

在任務(wù)4.3中，分析了任務(wù)4.2中進(jìn)行的鋼廠試驗(yàn)。在VASL鋼廠，氧含量和鋁酸鹽的平均值與鋁鎮(zhèn)靜后的時(shí)間和尖晶石型夾雜物與鋁鎮(zhèn)靜后的時(shí)間的平均值進(jìn)行了調(diào)查和詳細(xì)的報(bào)道。測(cè)定了不同鋁、鈦含量的指數(shù)表。當(dāng)Ti/Al比較低時(shí)，澆注性能較好，即堵塞較少。當(dāng)Clog表示為Ti和Al含量的函數(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)的意義發(fā)生了變化。鈦含量越低，Al含量越高，堵塞越少。后一種結(jié)果與SALZF鋼廠的結(jié)果非常吻合。此外，在SALZF鋼廠上對(duì)VD脫氣工藝路線的781爐號(hào)和RH工藝的697爐號(hào)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，目的是對(duì)這些工藝路線進(jìn)行比較。考慮了處理時(shí)間、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對(duì)微夾雜物進(jìn)行分析，并對(duì)兩種方法進(jìn)行比較。

在任務(wù)4.4中，總結(jié)了研究結(jié)果，并就工藝過(guò)程和構(gòu)建措施提出建議/指引。

WP5（工作項(xiàng)目5）: 項(xiàng)目管理

在任務(wù)5.1中，原本計(jì)劃的研討會(huì)被更改為網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)。該活動(dòng)于2018年3月1日舉行，共有34名參與者。之后，展示的幻燈片在參與者中分發(fā)。本次網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)的主要優(yōu)勢(shì)在于不限制與會(huì)者人數(shù)，節(jié)省旅行費(fèi)用。

在Task 5.2中，協(xié)調(diào)項(xiàng)目會(huì)議。項(xiàng)目合作伙伴每年舉行兩次會(huì)議。每個(gè)項(xiàng)目合作伙伴主持一次會(huì)議，協(xié)調(diào)員BFI主持啟動(dòng)會(huì)議和最后一次會(huì)議。行業(yè)合作伙伴SALZF鋼廠和VASL鋼廠會(huì)面了兩次，相互交換數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一了堵塞檢測(cè)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。這是在不同的脫氣工藝的背景下完成的。

在任務(wù)5.3中，報(bào)告按照計(jì)劃編寫(xiě)，并由協(xié)調(diào)員在相應(yīng)的TGS3會(huì)議上提出。

結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

• 脫氧實(shí)驗(yàn)表明，氧化鋁顆粒是主要的夾雜物類型。一般來(lái)說(shuō)，添加時(shí)間對(duì)夾雜物組織形狀沒(méi)有顯著影響。實(shí)驗(yàn)總時(shí)間(鋁鎮(zhèn)靜后總時(shí)間)對(duì)氧化鋁的上浮有較大影響。

• FeTi鈦鐵合金的加入對(duì)氧化鋁夾雜物形態(tài)可能變化的影響無(wú)法檢測(cè)到。

• 較小的夾雜物更容易粘附在水口內(nèi)壁上，在全氧含量低的情況下，檢測(cè)到小顆粒氧化鋁夾雜物的形成，與不含鈦的ULC鋼相比，小尺寸的非金屬夾雜物分離傾向較低，并會(huì)加速水口堵塞沉積的形成。

• 在FeTi鈦鐵合金添加的各種情況下，夾雜物數(shù)量的強(qiáng)烈變化可以在一個(gè)系列中進(jìn)行評(píng)估。一個(gè)可能的原因是鈦鐵中的氧含量會(huì)導(dǎo)致小顆粒的氧化鋁夾雜物的形成。鋼水中的小顆粒夾雜物也是鈦處理ULC鋼高堵塞傾向的一個(gè)可能解釋。

• 合金的添加時(shí)間沒(méi)有顯著改變?cè)嚇訆A雜物性質(zhì)，這一結(jié)果并不奇怪，因?yàn)槎我苯疬^(guò)程中會(huì)發(fā)生大量的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，如夾雜物NMI的團(tuán)聚、吹氬上浮夾雜物、夾雜物在爐渣中的溶解等。

• 鉬基噴涂是制備Al2O3-TiOx涂層用于接觸角測(cè)量的一種有效方法。不同相的分布規(guī)律，但不均勻。為了獲得更好的均勻性，額外的熱處理(在1600°C下30分鐘)會(huì)導(dǎo)致相反的效果，導(dǎo)致富TiOx相在基體表面團(tuán)聚。

• 堵塞與非金屬夾雜物顆粒的團(tuán)聚和附著力密切相關(guān)，而團(tuán)聚和附著力與潤(rùn)濕角等界面性質(zhì)有關(guān)。在40%和100% TiO2的情況下，較低的接觸角也意味著較低的團(tuán)聚傾向。因此，在二次冶金處理過(guò)程中，Al2TiO5和純TiO2粒子的去除率較低，最終大量夾雜物進(jìn)入連鑄澆鑄系統(tǒng)。

• 在低的TiO2濃度下，鈦合金級(jí)鋼的接觸角低于無(wú)鈦ULC級(jí)鋼。較低的潤(rùn)濕角導(dǎo)致較低的夾雜物團(tuán)聚傾向。

• 在富鋁基體中，無(wú)鈦ULC鋼的潤(rùn)濕傾向最低，而Ti-P合金鋼的接觸角顯著較低。然而，鈦和磷這兩種元素都能增加氧化鋁的潤(rùn)濕性。正如預(yù)期的那樣，僅僅是Ti合金鋼在無(wú)鈦和Ti-P鋼之間產(chǎn)生對(duì)比分析結(jié)果，隨著鈮含量的增加，Fe-Nb與氧化鋁接觸的潤(rùn)濕角顯著降低，為此，制備了幾種Nb含量高達(dá)0.076%的Fe-Nb合金。

• 堵塞測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)觀察到4次沒(méi)有堵塞的試驗(yàn)，表明了較低的Al和Ti的含量，以及澆鑄前鋼水中較低的夾雜物數(shù)量，主要的結(jié)論是大量的非金屬夾雜物增強(qiáng)了堵塞現(xiàn)象。

• 對(duì)“中等”堵塞和“強(qiáng)”堵塞的比較表明，純Al多見(jiàn)于中等堵塞組，而Ti以及Al和Ti的混合添加多見(jiàn)于強(qiáng)堵塞試驗(yàn)組。

• 沒(méi)有堵塞“全部”的四個(gè)實(shí)驗(yàn)的Al和Ti含量都低于100 ppm，其他試驗(yàn)的鋁含量都高于100ppm，平均是413ppm。Al含量低，試樣質(zhì)量差，不利于可靠的SEM/EDS特征測(cè)量。事實(shí)上，低鋁含量也導(dǎo)致少量的固體氧化鋁夾雜物。此外，在實(shí)驗(yàn)中，添加鈦鐵合金造成富鈦氧化物與純氧化鋁相比，表現(xiàn)出更低的吸引力。這兩個(gè)效應(yīng)解釋了“全部”實(shí)驗(yàn)中較低的堵塞傾向。

• 通過(guò)堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)堵塞的水口進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)堵塞的原因是在典型的堵塞區(qū)域內(nèi)有大量的小顆粒沉淀和顆粒結(jié)瘤團(tuán)聚現(xiàn)象。

• 只有鋼水鋁鎮(zhèn)靜才導(dǎo)致適度的堵塞行為，而隨后添加FeTi鈦鐵合金會(huì)導(dǎo)致堵塞趨勢(shì)的增加。總體而言，堵塞等級(jí)與“夾雜物數(shù)量”、“夾雜物含量”、“夾雜物大小”和化學(xué)性質(zhì)等影響因素之間的相關(guān)性較弱。

數(shù)值研究

• 宏觀數(shù)值模型的目的是盡可能好地反映塞棒升高對(duì)鋼液流通量的控制，考慮中間包鋼水靜壓的邊界條件導(dǎo)致了預(yù)期的行為，靜壓結(jié)果顯示，塞棒間隙的壓力的典型值為零以下。可以考慮鋼水靜壓、鋼水流通速度和表示鋼廠情況的湍流波動(dòng)對(duì)團(tuán)聚的影響。

• 用數(shù)值模型對(duì)兩個(gè)鋼廠的中間包進(jìn)行了宏觀研究。對(duì)于相同的中間包鋼水液面高度和塞棒升高量，不同的水口內(nèi)徑導(dǎo)致鋼液討論過(guò)的不同。分析了速度和湍流，特別是對(duì)夾雜物凝聚的可能的影響，具有最大局部速度和湍流強(qiáng)度的幾何形狀容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的非金屬夾雜物的團(tuán)聚。

• 由于夾雜物的團(tuán)聚，較小塞棒升高導(dǎo)致更大的夾雜物直徑。VASL鋼廠連鑄機(jī)的團(tuán)聚結(jié)果對(duì)中間包鋼水液面高度具有敏感性，鋼水液面越低，湍流強(qiáng)度越大，夾雜物直徑越大。

• 對(duì)塞棒端部幾何形狀的修改導(dǎo)致了在塞棒間隙和塞棒尖端鋼水速度達(dá)到了預(yù)期效果，兩種塞棒端部修改均未發(fā)現(xiàn)對(duì)夾雜物團(tuán)聚有明顯影響。特別是與塞桿升高量沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何變化。研究結(jié)果被認(rèn)為是弱的，即沒(méi)有發(fā)現(xiàn)對(duì)聚集行為的明顯影響，然而，這并不是塞棒修改的第一個(gè)目標(biāo)。

• 建立考慮阻塞生長(zhǎng)(非金屬夾雜物的沉積)與鋼水流動(dòng)雙向耦合的瞬態(tài)水口阻塞模型，該模型在微觀尺度上考慮了堵塞的關(guān)鍵步驟：顆粒通過(guò)湍流向水口內(nèi)壁面的運(yùn)移；水口壁面-流體相互作用及夾雜物在水口內(nèi)壁面上的沉積，夾雜物粒子沉積引起的阻塞物生長(zhǎng)。

• 通過(guò)重現(xiàn)COMDIC的堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型。數(shù)值計(jì)算的水口堵塞段與室內(nèi)試驗(yàn)的堵塞段定性地吻合。計(jì)算得到的堵塞過(guò)程中通過(guò)水口的質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化規(guī)律也與實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。

• 基于堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)的建立，從模型結(jié)果中導(dǎo)出了堵塞的新的認(rèn)識(shí)。

• 應(yīng)用微觀數(shù)值模型模擬了實(shí)際工業(yè)規(guī)模(VASL鋼廠, SALZF鋼廠)連鑄過(guò)程中水口阻塞現(xiàn)象，獲得了以下建模結(jié)果。

工廠試驗(yàn)

• 堵塞后的水口解剖發(fā)現(xiàn)阻塞物質(zhì)由球狀、枝狀、柱狀等形狀各異的小顆粒組成。分析了非金屬夾雜物大小的分布。所檢測(cè)的顆粒大部分由Al2O3、TiO2和MgO組成，主要成分為Al2O3。

• 首先對(duì)不同脫氣工藝(SALZF鋼廠使用VD，VASL鋼廠使用RH)的工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)脫氧前的氧含量存在顯著差異，SALZF鋼廠的Al和Ti的含量較大，脫氧到連鑄開(kāi)始的時(shí)間也較長(zhǎng)。

• 在項(xiàng)目運(yùn)行期間，將SALZF的工藝路線改為RH脫氣，可以與VD脫氣進(jìn)行直接比較。使用RH脫氣的二次冶金的處理時(shí)間大致縮短50%，最終Ti-和Al含量在RH路線中較低，而Ti-和Al收得率在RH工藝路線中較高。

• 使用OES-PDA結(jié)果對(duì)RH和VD脫氣進(jìn)行了評(píng)估。微觀高倍夾雜物(Al+Ca+Mg)的濃度在RH脫氣處理中要低得多。在生產(chǎn)IF鋼時(shí)候，RH工藝處理的微觀高倍夾雜物(Al)濃度略大于VD的高倍夾雜物。標(biāo)準(zhǔn)鋼種和磷合金IF鋼種之間觀察不到顯著差異。

• RH脫氣過(guò)程中非金屬夾雜物的演變與鋁、鈦含量和總氧含量密切相關(guān)。鋁和鈦的消耗現(xiàn)象可以用爐渣分析解釋。

• 在VASL鋼廠，根據(jù)觀察到的堵塞趨勢(shì)的跡象以及UNILEOB-FM進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和研究的結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)。在Ti- IF鋼生產(chǎn)的一周內(nèi)，平均Al含量為610ppm±40ppm，平均Ti含量為570ppm ±35ppm, Ti/Al比為~ 0.93。Clog平均值為0,090 ±0,017。

• 對(duì)兩臺(tái)鋼廠連鑄機(jī)的Ar-、Ti-含量及Ti/ Al比的主要結(jié)論非常一致，當(dāng)Ti/Al比較低時(shí)，有減少堵塞的趨勢(shì)，單獨(dú)考慮Ti和Al元素含量，Ti-含量越低，Al-含量越高，堵塞越少。

• 由于堵塞的減少，VASL鋼廠效益是每一個(gè)連鑄機(jī)更換水口量的減少，或每一個(gè)水口連鑄板坯數(shù)量增加，即由于水口而造成鋼板降級(jí)數(shù)量減少。雖然無(wú)法證明鈦鋁比對(duì)最終帶鋼盤卷質(zhì)量的影響，但總體收得率是提高了。

可能的應(yīng)用

• 該研究項(xiàng)目沒(méi)有開(kāi)發(fā)具體的應(yīng)用或?qū)＠＿@些調(diào)查結(jié)果可以為鋼鐵生產(chǎn)商提供建議/指導(dǎo)。

• 科學(xué)技術(shù)成果描述

• 項(xiàng)目目標(biāo)

加鈦ULC鋼對(duì)堵塞非常敏感，目前對(duì)于加鈦的ULC鋼種這種堵塞現(xiàn)象認(rèn)識(shí)不夠全面，在這種背景下，本項(xiàng)目的主要目標(biāo)是:

•  更好地理解導(dǎo)致阻塞的機(jī)理。

•  利用這些知識(shí)指導(dǎo)工藝過(guò)程和構(gòu)建優(yōu)化措施。

工作程序是作為鋼廠以及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的合作而建立的，為了實(shí)現(xiàn)上述主要目標(biāo)，設(shè)想了下列次級(jí)目標(biāo):

工廠試驗(yàn)

• 識(shí)別操作實(shí)踐與堵塞發(fā)生之間的相關(guān)性。

• 驗(yàn)證鋼廠試驗(yàn)中減少/預(yù)防堵塞的詳細(xì)過(guò)程和改進(jìn)措施。

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

•  更好地了解ULC鋼中夾雜物的瞬態(tài)行為，即在Al脫氧和隨后添加Ti后，化學(xué)和形貌隨時(shí)間的變化，基于SEM/EDS調(diào)查觀察到的夾雜物分類。

•  確定Fe-Ti和Fe-Nb鋼種與Al2O3-TiOx接觸的潤(rùn)濕性，驗(yàn)證了Al2O3的潤(rùn)濕性隨TiOx含量的增加而增加。

•  在可重現(xiàn)的真實(shí)條件下，測(cè)定鋼脫氧過(guò)程中堵塞的發(fā)生情況。

數(shù)值調(diào)查

• X 聚焦于水口SEN的歐拉-拉格朗日模型在微觀層面上的擴(kuò)展:

- 水口壁上夾雜物的粘附機(jī)理。

宏觀上分析包括中間包出口和浸入式水口系統(tǒng):

- 改進(jìn)的中間包流入到水口內(nèi)部幾何形狀，鋼水流動(dòng)時(shí)候夾雜物容易附著在此。

- 夾雜物的聚集成團(tuán)的演化。

• 實(shí)施和驗(yàn)證由微觀/宏觀模塊擴(kuò)展的數(shù)值模型，數(shù)據(jù)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)操作/實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，允許隨后的計(jì)算，以細(xì)化優(yōu)化措施。

所有相關(guān)伙伴的合作

•  利用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值調(diào)查的結(jié)果，提出關(guān)于在連鑄條件下澆鑄加鈦ULC鋼時(shí)減少/防止堵塞的具體建議/指導(dǎo)，包括詳細(xì)說(shuō)明可能的工藝和建設(shè)性措施。

2.2  活動(dòng)描述與討論

2.2.1 WP1——產(chǎn)生操作實(shí)踐和阻塞發(fā)生之間關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)

這個(gè)工作包的目標(biāo)是:

• 考慮到堵塞的發(fā)生，檢查現(xiàn)有的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

• 操作使用后對(duì)堵塞的水口進(jìn)行解剖分析，以確定導(dǎo)致堵塞的夾雜物。

• 從鋼包、中間包和結(jié)晶器中取樣，確定堵塞的發(fā)生與測(cè)量之間的相關(guān)性。

• 阻塞發(fā)生與基于從連鑄板坯中取樣，檢查之間的相關(guān)性。

• 從獲取的操作實(shí)踐和阻塞發(fā)生之間關(guān)聯(lián)的信息生成一個(gè)操作數(shù)據(jù)庫(kù)。

任務(wù)1.1:分析現(xiàn)有數(shù)據(jù)。(SALZF鋼廠和VASL鋼廠)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是檢查是否可以對(duì)已有的關(guān)于加鈦ULC鋼種中堵塞現(xiàn)象的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。這項(xiàng)分析被用于任務(wù)1.3和1.4的范圍定義鋼廠試驗(yàn)。

合作伙伴收集了可用的知識(shí)，并在附錄A中列出了他們之前研究活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)。

•  中間包鋼水液面高度對(duì)塞棒處和水口內(nèi)腔壁夾雜物沉積有影響，中間包鋼水液面越高，塞棒處夾雜物沉積越少，而水口內(nèi)夾雜物沉積越多。

•  ULC鋼中Ti含量的增加導(dǎo)致塞棒和水口的沉積增加。

•  提高水口預(yù)熱溫度可以減少水口內(nèi)腔壁的夾雜物沉積。

•  使用Ar/N₂混合氣體不利于堵塞。使用氦氣的效果并不比使用氬氣好。

特別是對(duì)于鋁鎮(zhèn)靜的IF-ULC鋼種，雖然在液相冶金過(guò)程中沒(méi)有明顯的差異，但在澆鑄過(guò)程中的一些爐號(hào)會(huì)發(fā)生堵塞。

對(duì)8爐鋼的鋼水清潔度的影響，即非金屬夾雜物的影響進(jìn)行了調(diào)查，如附錄a所述。4個(gè)爐號(hào)是IF-ULC鋼種，4次是加磷的IF-ULC鋼種。考慮了全鋁含量、鋼中鈣含量以及鋼中夾雜物比的影響。

研究了Ti含量對(duì)ULC鋼液中夾雜物尺寸和堵塞的影響，結(jié)果如下:

•  Ti含量越高，Al₂O₃粒徑越小，

•  Ti含量越高，堵塞越嚴(yán)重。

任務(wù)1.2：阻塞水口解剖分析(SALZF鋼廠, VASL鋼廠)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是研究堵塞沉積，考慮工藝參數(shù)的影響和鋼成分分析。此外，還應(yīng)分析堵塞發(fā)生的位置。

觀察到堵塞沉積的分布，基本上可以發(fā)現(xiàn)三種堵塞物質(zhì)分布，如附錄A.1所述:

•  沉積只發(fā)生在水口內(nèi)部，并增加到水口出口。在上水口處沒(méi)有沉積。

•  沉積從上水口處開(kāi)始(堵塞塞棒)，并逐漸增加，直到水口出口。

•  強(qiáng)烈沉積發(fā)生在上水口，并逐漸減少，直到水口出口。

采用一種新的方法測(cè)定了VASL鋼廠沉積材料的形貌、尺寸和化學(xué)成分。樣品從沉積物內(nèi)部的三個(gè)位置采集：靠近水口，靠近鋼水和中間部位。堵塞顆粒分為球狀或類似形狀、樹(shù)枝狀和柱狀三大類。粒子及其份額的分類如圖21所示。

從已說(shuō)明的位置提取的試樣，對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行了額外分析。每個(gè)分析區(qū)域的大小設(shè)置為(0.5 x 0.5) mm²。在這些區(qū)域檢測(cè)到了Al、Ti、Mg、Fe和O等元素。這意味著Al₂O₃, TiO₂, MgO可能堵塞沉積材料或另外更復(fù)雜的形式。測(cè)定了Al₂O₃、TiO₂、MgO、Fe的含量，列于表2。在靠近水口和中間的堵塞材料中，鐵含量在44 ~ 52mass%之間。在接近鋼水的區(qū)域，鐵的含量大約是9%。TiO₂含量在1.5 - 2.2mass%之間，在所有調(diào)查地點(diǎn)沒(méi)有明顯的偏差。

任務(wù)1.3：不同脫氣設(shè)備鋼廠試驗(yàn)表現(xiàn)。(SALZF 鋼廠和VASL鋼廠)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是顯示不同的工藝路線對(duì)夾雜物行為及其對(duì)堵塞發(fā)生的影響，必須檢驗(yàn)不同的脫氣設(shè)備，即SALZF鋼廠是VD工藝，而VASL鋼廠是RH工藝。

在SALZF鋼廠和VASL的鋼廠，鋼水從中間包到結(jié)晶器的流動(dòng)由塞棒控制，即塞棒的位置是鋼水流動(dòng)狀況的最明顯的衡量標(biāo)準(zhǔn)。它表示堵塞或塞棒的侵蝕。然而，無(wú)論是在一個(gè)鋼廠還是在不同的鋼廠之間，塞棒位置都是一個(gè)不足反應(yīng)堵塞的指標(biāo)。因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)堵塞指數(shù)“Clog”，以[mm/t]澆鑄鋼水給出了塞棒位置，如附錄a .2所述。最初堵塞指數(shù)只考慮了塞棒向上的偏差，“突然疏通”或塞棒斷裂不包括在內(nèi)，本文給出并討論了幾個(gè)例子。最后，堵塞指數(shù)得到了增強(qiáng)，即也考慮了負(fù)面塞子偏差。這種新方案可作為指示沉積結(jié)瘤物進(jìn)入相應(yīng)板坯鋼液中，對(duì)應(yīng)不良板坯的指標(biāo)。

本研究項(xiàng)目的一個(gè)組成部分是在SALZF和VASL鋼廠比較不同的脫氣設(shè)備，在研究項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，在SALZF建立了VD工藝設(shè)備，在VASL建立了RH脫氣設(shè)備。行業(yè)合作伙伴交換了數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一了堵塞檢測(cè)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。在附錄A.3中收集了加P合金鋼水和不含P鋼水的工業(yè)伙伴的主要工藝數(shù)據(jù)，并在表4中列出。很明顯，在VASL鋼廠中脫氧前的氧含量明顯較低，即使用RH路線。在SALZF鋼廠，Al和Ti的含量明顯增加，從脫氧到開(kāi)始澆鑄的總時(shí)間也明顯增加。這些結(jié)論對(duì)于含磷鋼水和不含磷鋼水都是有效的。

在VASL鋼廠, 2016年第一季度Ti-IF和P-IF鋼級(jí)的OES數(shù)據(jù)分類顯示出顯著的數(shù)據(jù)點(diǎn)分散，因此在2016年第二和第三季度得到了增強(qiáng)。OES-PDA數(shù)據(jù)作為選擇的工藝參數(shù)(Al添加前的氧含量，Al和Ti合金化之間的時(shí)間，合金化到RH處理結(jié)束之間的時(shí)間)的函數(shù)進(jìn)行分析。在VASL中，IF鋼中大約50%的夾雜物是純Al₂O₃，剩下的夾雜物是：鈣鋁酸鹽，尖晶石和鋁鈦酸鹽。從RH處理結(jié)束到中間包之間，含鋁的夾雜物數(shù)量明顯增加。對(duì)P-IF和Ti-IF鋼種的OES-PDA分析沒(méi)有提供與工藝參數(shù)或堵塞發(fā)生的明確相關(guān)性。

在SALZF鋼廠的 OES-PDA上比較了無(wú)鈣鋼和鈣處理鋼的結(jié)果。基本上，無(wú)Ca鋼種顯示較大的Al信號(hào)中值，鋁與鈣的化學(xué)鍵被認(rèn)為是這種行為的解釋，在沒(méi)有Ca的低碳St15鋼種中，Al信號(hào)值最大，這里Al是在真空處理后加入的，即鋼水和渣之間的反應(yīng)時(shí)間縮短。ULC鋼種的Al信號(hào)表現(xiàn)出較大的散射，可能是由Ca材料(CaFe)引起的。對(duì)于經(jīng)鈣處理的鋼種，Al的OESPDA信號(hào)中值隨著Si含量的增加而降低，真空處理進(jìn)一步降低了這些值。我們假設(shè)Si和/或真空處理增加了O₂的化學(xué)鍵合是這種行為的原因。經(jīng)真空處理的碳鋼和回火鋼的Al+Ca值均低于未處理的，但Al含量< 0.015%時(shí)，Al值較大。同樣，真空處理增加了O₂的結(jié)合鍵被認(rèn)為是這一觀察結(jié)果的解釋。

在SALZF鋼廠, ULC鋼種和無(wú)硅鋼種顯示出最大的(Al+Ca) OES-PDA信號(hào)值，盡管如此，它們的Al 元素OES-PDA值中位數(shù)低于其他Ca處理鋼級(jí)。這些數(shù)據(jù)表明了鈣處理對(duì)ULC鋼的冶金效率，即Al2O₃夾雜物的改性。與無(wú)硅鋼相比，未經(jīng)過(guò)Ca處理的鋼顯示(Al+Ca) OES-PDA信號(hào)中值增加。

任務(wù)1.4 ：細(xì)化操作實(shí)踐與堵塞發(fā)生之間的相關(guān)性。(所有合作伙伴)

該任務(wù)的目的是對(duì)任務(wù)1.1、1.2和1.3中關(guān)于工藝參數(shù)、鋼水成分和水口中堵塞發(fā)生之間的相關(guān)性的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，這些信息是WP2(實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn))和WP3(數(shù)值模擬)工作的基礎(chǔ)。

總結(jié)了這些結(jié)果，并將其作為以下WPs工作的起點(diǎn)，考慮了標(biāo)準(zhǔn)和加磷合金IF鋼的冶金參數(shù)：

•  一爐鋼噸位,

•  Ti和al合金，

•  鋁和鈦含量，

•  總脫氣時(shí)間，

•  二次冶金后的時(shí)間。

這些參數(shù)與工業(yè)合作伙伴開(kāi)發(fā)并同步的Clog指數(shù)相關(guān)。全面的統(tǒng)計(jì)分析沒(méi)有顯示出“總體”趨勢(shì)。

COMDIC堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)的啟動(dòng)條件由合作伙伴討論并精心準(zhǔn)備，他們?cè)?/span>Fagersta的項(xiàng)目會(huì)議上達(dá)成一致，在Leoben的會(huì)議上調(diào)整了初步結(jié)果。

收集了中間包和塞棒的幾何形狀、澆鑄速度等連鑄條件，并從文獻(xiàn)中獲取了初始非金屬夾雜物的分布，并與堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果以及其他運(yùn)行結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了比較。

2.2.2 WP2 -實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

這個(gè)任務(wù)包工作的目標(biāo)是:

• 更好地了解鋁脫氧和隨后添加Ti后ULC鋼中夾雜物的瞬態(tài)行為/形成。

• Fe-Ti和Fe-Nb鋼種與Al₂O₃-TiOx接觸潤(rùn)濕行為的測(cè)定。

• 在可重現(xiàn)的真實(shí)條件下對(duì)鋼脫氧的堵塞模擬中發(fā)生堵塞進(jìn)行測(cè)量。

• 從冶金角度提供可能的工藝和建設(shè)性措施。

任務(wù)2.1:：Al脫氧和隨后添加Ti后夾雜物的瞬態(tài)行為(化學(xué)、類型)的研究。(UNILEOB)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中調(diào)查夾雜物化學(xué)成分和由此產(chǎn)生的夾雜物結(jié)瘤沉淀類型。需要改變的參數(shù)在WP1 -生成一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中詳細(xì)闡述了操作實(shí)踐和阻塞發(fā)生之間的關(guān)系。

在這個(gè)任務(wù)中，鋼廠伙伴和文獻(xiàn)給出的堵塞促進(jìn)參數(shù)被應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，關(guān)于它們對(duì)夾雜物的行為、形態(tài)和化學(xué)的影響。研究表明，與Al -鎮(zhèn)靜、無(wú)鈦鋼相比，加鈦ULC鋼的堵塞傾向更高。此外，鋼中較高的Ti/ Al比會(huì)導(dǎo)致堵塞增加。在加入FeTi鈦鐵合金和開(kāi)始澆鑄之間的較短時(shí)間也被確定為促進(jìn)浸入式水口中沉積的形成。此外，鈦鐵的質(zhì)量以及精煉渣的化學(xué)性質(zhì)也起著重要的作用。詳情見(jiàn)附錄B.1。

為了確定導(dǎo)致加鈦的ULC鋼種嚴(yán)重堵塞行為的影響，在tammann型爐中進(jìn)行了添加FeTi鈦鐵合金和不添加FeTi鈦鐵合金的脫氧實(shí)驗(yàn)。這種類型的爐具有一個(gè)電阻加熱的試樣室，這導(dǎo)致鋼水只有自然對(duì)流，像在感應(yīng)爐中強(qiáng)制對(duì)流是不存在的，這使得有必要通過(guò)攪拌的方式混合添加后的鋼水。

實(shí)驗(yàn)在1600℃氬氣氣氛(Ar 5.0)下進(jìn)行，有效防止了鋼水的二次氧化。基本上，所有的實(shí)驗(yàn)都使用了大約300克的鋼鐵，它只含有少量的伴生元素。為了調(diào)整鋼中含氧水平，使用了含氧量在1.800-2.000 ppm之間的Fe-O合金。因此，進(jìn)行了三個(gè)系列的實(shí)驗(yàn)，在一定的起始氧含量水平下進(jìn)行，使用鋁絲脫氧后，加入FeTi75 (~ 75% Ti)鈦鐵調(diào)整鈦含量。

實(shí)驗(yàn)選擇的參數(shù)如下:

系列1:

• 起始氧含量水平(溶解氧)~ 300ppm

• 鋁鎮(zhèn)靜，殘余鋁含量為~ 600ppm

• 加入鋁到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)間的變化(2,4,6,8 min)

• Ti/ al比：0，1.2

• 添加Al和Ti之間的時(shí)間變化(2，4，6 分鐘)

• 加入Ti到實(shí)驗(yàn)結(jié)束的時(shí)間(2 min)

系列2:

• 起始氧含量水平(溶解)~ 100ppm

• 鋁鎮(zhèn)靜，殘余鋁含量~ 600ppm

• 加鋁量變化及實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)間(3和8分鐘)

• Ti/ al比的變化：0，0.7，1.2，1.8

• 添加Al和Ti之間的時(shí)間變化(2和5分鐘)

• 加入Ti到實(shí)驗(yàn)結(jié)束的時(shí)間(1 ~ 6min)

系列 3:

• 起始氧含量水平(總氧含量)~ 20- 30ppm

• 鋁鎮(zhèn)靜，殘余鋁含量~ 600ppm

• 加鋁量變化及實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)間(3，5，8，10 min)

• Ti/ al比的變化：0，0.7，1.2，1.8

• 添加Al和Ti之間的時(shí)間變化(2和5分鐘)

• 加入Ti到實(shí)驗(yàn)結(jié)束的時(shí)間(1，3，6，8 min)

對(duì)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用參數(shù)的更詳細(xì)描述見(jiàn)附錄B.1.4。采用OES、氧氮分析儀、SEM/ EDS夾雜物自動(dòng)檢測(cè)和SEM夾雜物人工檢測(cè)對(duì)試樣樣品進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

在系列1中，在加鋁鎮(zhèn)靜處理后的短時(shí)間內(nèi)，大量的氧化鋁粒子在高起始氧含量下形成，隨著鋼水停留時(shí)間的延長(zhǎng)，氧化鋁粒子趨于分離進(jìn)入渣中。在隨后添加FeTi的實(shí)驗(yàn)中，也發(fā)現(xiàn)了一些Al - Ti -氧化物。特別是在鋁鎮(zhèn)靜和添加鈦之間的短時(shí)間內(nèi)，確定是導(dǎo)致殘留氧化鋁團(tuán)簇在試樣的評(píng)價(jià)區(qū)域。一個(gè)可能的影響可能歸因于鋼和非金屬夾雜物之間不同的相互作用，這可能導(dǎo)致潤(rùn)濕的變化行為。在這種情況下，找不到清晰一致的解釋。然而，Al和Ti的加入之間的時(shí)間延長(zhǎng)不會(huì)引起明顯的變化。

在系列2中，主要的夾雜物仍然是氧化鋁。試樣中總氧含量的很清楚地表明，實(shí)驗(yàn)的總時(shí)間對(duì)夾雜物的分離上浮是必不可少的。添加合金之間的時(shí)間不會(huì)顯著影響夾雜物形貌組織的，因此，系列1的結(jié)果不能被揭示。此外，還對(duì)添加和不添加Ti的鋁鎮(zhèn)靜試樣中非金屬夾雜物的形貌進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，FeTi鈦鐵合金的加入沒(méi)有引起明顯的變化。同時(shí)考慮較長(zhǎng)的停留時(shí)間，球形、多邊形和不規(guī)則夾雜物的份額保持不變。

在系列3中沒(méi)有使用額外的氧源，因此在添加Al之前總氧含量為20- 30ppm。觀察到夾雜物含量和總氧含量有較大偏差。在這些實(shí)驗(yàn)中，添加的時(shí)間也沒(méi)有導(dǎo)致夾雜物組織形態(tài)的顯著變化，與初始含氧量較高的實(shí)驗(yàn)相比，這個(gè)系列的氧化鋁夾雜物的平均尺寸明顯減小。

二次冶金過(guò)程中會(huì)發(fā)生大量的動(dòng)力學(xué)過(guò)程(如顆粒團(tuán)聚、吹氬夾雜物上浮、渣中夾雜物溶解、二次氧化等)，在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中沒(méi)有考慮到這些影響，詳細(xì)的描述和結(jié)果見(jiàn)附錄B.1.4。

任務(wù)2.2: 研究Fe-Ti和Fe-Nb鋼與氧化鋁夾雜物接觸的潤(rùn)濕性。(UNILEOB)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是通過(guò)在受控氣氛下連續(xù)監(jiān)測(cè)滴定的形狀來(lái)測(cè)量潤(rùn)濕行為，襯底基板是新開(kāi)發(fā)的，使用噴涂技術(shù)來(lái)生產(chǎn)基板。

鋼液與非金屬夾雜物之間的潤(rùn)濕性對(duì)鋼液內(nèi)部和界面(例如鋼液與浸入式水口的界面)的夾雜物的潤(rùn)濕性有很大的影響。文獻(xiàn)報(bào)道了ULC鋼水中含鈦顆粒的存在，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)也揭示了這一現(xiàn)象，它們?cè)谝簯B(tài)鋼水的行為是不清楚的。

為了研究來(lái)自工業(yè)伙伴的各種鋼牌號(hào)對(duì)鋁鈦氧化物的潤(rùn)濕行為，采用了一種新方法。采用等離子噴涂法在鉬板上制備Al₂O₃-TiOx基板，涂料的組成如下:

• 100% Al₂O₃,，0% TiO₂

• 97% Al₂O₃, 3% TiO₂

• 90% Al₂O₃, 10% TiO₂

• 60% Al₂O₃, 40% TiO₂

• 0% Al₂O₃, 100% TiO₂

用KrüssDSA 10-HT儀器在1600°C下測(cè)量了三種不同的合金，該儀器見(jiàn)附錄B.2.1中的圖64。

• 無(wú)鈦ULC鋼(<0.001 % Ti)

• 加鈦ULC鋼 (0.083% Ti, 0.013% P)

• Ti- P-和Nb合金低碳鋼LC (0.12% Ti, 0.052% P, 0.028% Nb)

附錄B.2.3中圖71所示的結(jié)果表明，低含量的TiO₂(高達(dá)10%)對(duì)潤(rùn)濕角的影響很小。在TiO₂含量為40%時(shí)，Al₂TiO₅的形成導(dǎo)致接觸角顯著降低。純Ti -氧化物的潤(rùn)濕角最低，約為90°。另一方面，純氧化鋁顯示出高的非潤(rùn)濕性，相對(duì)較高的值歸因于接觸角測(cè)量方法，對(duì)于給定的結(jié)果，采用Young-Laplace方法考慮了液滴的整個(gè)輪廓，對(duì)三相點(diǎn)中反應(yīng)產(chǎn)物的發(fā)生等影響不太敏感。

關(guān)于噴涂合金接觸角測(cè)量的詳細(xì)信息見(jiàn)附錄B.2.1。研究了與氧化鋁接觸的Fe-Nb鋼系。為此，制備了幾種Nb含量為0.076%的Fe-Nb合金。結(jié)果見(jiàn)附錄B.2.2圖70。

任務(wù)2.3：在堵塞模擬器中檢測(cè)鋼化學(xué)成分、脫氧實(shí)踐和澆鑄參數(shù)對(duì)堵塞率的影響。(COMDIC)

本任務(wù)的目的是應(yīng)用堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)，測(cè)量不同參數(shù)下的堵塞趨勢(shì)和堵塞速度。夾雜物的類型、數(shù)量和尺寸分布等，這些是夾雜物的典型參數(shù)，而夾雜物的類型、數(shù)量和尺寸分布又與脫氧參數(shù)和脫氧與澆鑄之間的等待時(shí)間有關(guān)。監(jiān)測(cè)鋼水溫度和水口溫度，觀察其對(duì)堵塞的影響。

在項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)，合作伙伴認(rèn)為術(shù)語(yǔ)“阻塞模擬器”不能正確地表示COMDIC實(shí)驗(yàn)設(shè)置的功能。實(shí)驗(yàn)設(shè)置的目的不是模擬堵塞，目的是測(cè)量在真實(shí)鋼水和真實(shí)脫氧條件下真正發(fā)生的堵塞。因此，使用術(shù)語(yǔ)“堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)”代替。試驗(yàn)是在一個(gè)鋼重130kg的高頻爐上進(jìn)行的。最大功率為150千瓦，頻率為1000赫茲，爐的內(nèi)徑為30厘米，內(nèi)襯為Al₂O₃。采用熱電偶對(duì)鋼水和水口的溫度進(jìn)行測(cè)量并連續(xù)控制。鋼的流動(dòng)是由鋁-碳塞棒控制的。以1 Hz的頻率對(duì)累積澆鋼量進(jìn)行采樣，并與基于伯努利方程的理論澆鑄計(jì)算進(jìn)行比較。實(shí)測(cè)澆鑄速率與理論澆鑄速率的偏差與堵塞強(qiáng)度相當(dāng)。從鋼水中提取棒棒糖分析試樣，進(jìn)行了化學(xué)分析和高倍微觀分析。

項(xiàng)目合作伙伴同意測(cè)試4種含量水平的鋁和鈦，每一種的目標(biāo)是0.09%、0.06%、0.03%和0%以及它們的不同組合。從理論上講，這個(gè)方案導(dǎo)致了16次試驗(yàn)。但是事實(shí)上，進(jìn)行了22項(xiàng)試驗(yàn)，Al和Ti的水平并沒(méi)有完全涵蓋在所有試驗(yàn)中。除改變脫氧元素Al和Ti外，還改變脫氧前等待時(shí)間和塞棒深感量參數(shù)，以調(diào)節(jié)夾雜物的含量。對(duì)于堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)的評(píng)價(jià)，需要一個(gè)通用的指標(biāo)。在這個(gè)研究項(xiàng)目中，同意使用一個(gè)簡(jiǎn)單的指標(biāo):在堵塞停止之前可以澆鑄的鋼水重量，這些試驗(yàn)被作為堵塞指標(biāo)，它不是很復(fù)雜，但給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字，便于分析堵塞趨勢(shì)。堵塞指數(shù)被用來(lái)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行分類，以觀察主要參數(shù)Al和Ti堵塞的影響。選擇的組是：早期停止，強(qiáng)烈阻塞，中度阻塞和澆鑄完成。

在堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，觀察到堵塞突然消失的現(xiàn)象。它被定義為堵塞的停止伴隨著堵塞物質(zhì)的消失和鋼水流速陡然增加。當(dāng)夾雜物與鋼相發(fā)生反應(yīng)時(shí)，鋼與夾雜物之間的表面張力顯著下降，這可能是堵塞突然消失現(xiàn)象的一種解釋。這種現(xiàn)象在文獻(xiàn)“反應(yīng)潤(rùn)濕”中有報(bào)道。在堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)中，由于鋼水氧化導(dǎo)致鋼液中鋁含量急劇下降，會(huì)發(fā)生反應(yīng)潤(rùn)濕。

堵塞的水口的試驗(yàn)第5、6、5和22用SEM/EDS分析。在實(shí)驗(yàn)中第5和第6只采用鋁鎮(zhèn)靜，結(jié)果Ti/ Al比約為0，隨后在試驗(yàn)中第15和22添加了鈦鐵，導(dǎo)致Ti/ Al比為2，與純Al脫氧鋼水相比，認(rèn)為是促進(jìn)堵塞的發(fā)生。對(duì)試驗(yàn)第5、15和22的試樣進(jìn)行了自動(dòng)SEM/EDS檢測(cè)評(píng)估。這些試樣是在開(kāi)始澆鑄取樣的，應(yīng)該是代表鋼水的條件。

對(duì)試驗(yàn)5和試驗(yàn)6的水口的解剖分析顯示了類似的沉積團(tuán)聚行為，在第15試樣分析的堵塞沉積物，純氧化鋁是鋼中主要的夾雜物，沉積結(jié)瘤物中的夾雜物多為球狀。一般來(lái)說(shuō)，這些夾雜物形成了一個(gè)珊瑚狀的網(wǎng)格，網(wǎng)格空腔完全由鋼水填充。如果只有鋁鎮(zhèn)靜鋼水，則可以在水口上部的錐形部分檢測(cè)到沉積結(jié)瘤團(tuán)聚，并在管狀底部處變得更嚴(yán)重。在圓錐形部分，沉積粒子呈放射狀生長(zhǎng)，而在管狀部分，附著粒子形成與鋼水流動(dòng)方向相反的結(jié)構(gòu)。在臨界區(qū)域，也就是鋼流最終被阻塞的地方，位于水口的錐形到管狀的那個(gè)部分。

試驗(yàn)15的結(jié)果表明，含Ti的氧化鋁夾雜物是最先附著在水口內(nèi)壁上的顆粒，最后的堵塞是由水口底部的富鈦氧化物引起的，導(dǎo)致了不同形態(tài)的沉積結(jié)構(gòu)。從任務(wù) 2.2的結(jié)果可以得出結(jié)論，富Ti氧化物潤(rùn)濕性的提高導(dǎo)致沉積傾向降低。然而，大量的夾雜物會(huì)導(dǎo)致結(jié)塊的形成，從而中斷鋼水的流動(dòng)。

試驗(yàn)22對(duì)水口內(nèi)沉積物進(jìn)行了分析，結(jié)果與試驗(yàn)5和6的結(jié)果相似。應(yīng)該注意的是，第22試驗(yàn)中堵塞10分鐘后突然打開(kāi)鋼水流動(dòng)下來(lái)。加入0,05%的鋁，幾分鐘后形成新的堵塞水口現(xiàn)象。這就解釋了為什么盡管添加了FeTi，正如夾雜物穩(wěn)定性圖所預(yù)測(cè)的那樣，堵塞材料中發(fā)現(xiàn)了大部分鋁氧化物。在典型的水口堵塞區(qū)域，最終堵塞來(lái)自大量的小顆粒和團(tuán)聚顆粒。

任務(wù)2.4：減少/防止加鈦ULC鋼種水口堵塞的可能工藝和建設(shè)性措施。(UNILEOB鋼廠, COMDIC鋼廠, SALZF鋼廠,VASL鋼廠)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是檢測(cè)減少/預(yù)防堵塞的可能工藝和建設(shè)性措施，即實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的結(jié)果必須總結(jié)為操作實(shí)踐的建議。

調(diào)查關(guān)于鋁氧化后夾雜物的瞬態(tài)行為和隨后的Ti, Fe-Ti和Fe-Nb鋼種的潤(rùn)濕性與氧化鋁夾雜物堵塞計(jì)量測(cè)試，在堵塞檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)導(dǎo)致一些一般性的觀察和總結(jié)在3.1節(jié)。

2.2.3 WP3 -阻塞相關(guān)現(xiàn)象的數(shù)值模擬

這個(gè)工作包的目標(biāo)是:

• 堵塞問(wèn)題現(xiàn)有歐拉-拉格朗日模型的推廣。

• 擴(kuò)展數(shù)值模型的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。

• 根據(jù)物理和化學(xué)角度的數(shù)值計(jì)算，提供關(guān)于減少/防止堵塞的可能工藝和建設(shè)性措施。

• 修改塞棒端部的幾何形狀，以防止堵塞。

任務(wù)3.1：基于軟件代碼FLUENT的數(shù)值模型的初始設(shè)置，包括對(duì)來(lái)自WP1的操作數(shù)據(jù)庫(kù)的評(píng)估以及通用接口和數(shù)據(jù)格式的定義。(UNILEOB BFI)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是利用現(xiàn)有的歐拉-拉格朗日方法來(lái)確定流動(dòng)、溫度和凝固(歐拉)以及夾雜物運(yùn)動(dòng)(拉格朗日)。應(yīng)該定義基本的起始條件和邊界條件，并在涉及的合作伙伴之間商定公共接口和數(shù)據(jù)格式。

UNILEOB-SMMP和BFI利用ANSYS-FLUENT軟件進(jìn)行模擬仿真，該數(shù)值代碼基于有限體積法(FVM)。采用雷諾平均Navier-Stokes (RANS)方程對(duì)在水口內(nèi)部的鋼水湍流流動(dòng)進(jìn)行模擬，采用離散相模型(DPM)對(duì)鋼水多相流動(dòng)進(jìn)行模擬，即在鋼水中的非金屬夾雜物(NMI)和氬氣泡的運(yùn)動(dòng)。

本研究項(xiàng)目在兩個(gè)尺度上進(jìn)行了數(shù)值調(diào)查:

• 微觀：研究夾雜物的粘附機(jī)理以及由于粘附而導(dǎo)致水口壁生長(zhǎng)的模型。

• 宏觀：研究整體流動(dòng)中夾雜物和氣泡的動(dòng)力學(xué)行為及其傳送。

采用歐拉-拉格朗日格式模擬鋼水和夾雜物的湍流流動(dòng)以及在水口內(nèi)壁上的沉積，將鋼水相視為連續(xù)體(Euler)，而分散相夾雜物和氬氣氣泡通過(guò)計(jì)算流場(chǎng)(拉格朗日)跟蹤粒子的路徑來(lái)求解。宏觀層面的數(shù)值模型采用了非金屬夾雜物的團(tuán)聚模型，采用氣泡模型模擬攪拌氣體流動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn)和測(cè)試團(tuán)聚模型，必須建立夾雜物直徑分布的基本模型。合作伙伴同意從文獻(xiàn)中的夾雜物分布入手，[1]然后，通過(guò)掃描電鏡/能譜分析(SEM/EDS)確認(rèn)了這一假設(shè)的分布，這些分析是在堵塞計(jì)量試驗(yàn)期間采集的鋼樣品，見(jiàn)附錄b .3.2和圖79。該模型已成功應(yīng)用于RFCCS項(xiàng)目中，旨在去除中間包中夾雜物。

任務(wù)3.2：數(shù)值模型的調(diào)整/開(kāi)發(fā)，包括使用WP1的操作數(shù)據(jù)庫(kù)和WP2的中試規(guī)模結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。(UNILEOB BFI)

本任務(wù)的目的是調(diào)整/發(fā)展聚焦于水口的微觀尺度數(shù)值模型(UNILEOB-SMMP)和聚焦于夾雜物凝聚和惰性氣體注入處理的宏觀尺度數(shù)值模型(BFI)。數(shù)值模型的驗(yàn)證過(guò)程應(yīng)包括對(duì)所獲得的數(shù)值參數(shù)建模結(jié)果的靈敏度分析。

BFI應(yīng)用了一個(gè)數(shù)值模型來(lái)正確處理夾雜物的凝聚，見(jiàn)附錄C.1。這基本上使用了一種基于歐拉-拉格朗日方法的粒子跟蹤方法。計(jì)算每個(gè)計(jì)算步驟的夾雜物粒子軌跡，并根據(jù)每個(gè)流單元中所有粒子的粒子特性和速度的平均值生成一個(gè)可能的碰撞伙伴粒子。

鋼水的流通量基本上是由中間包中塞棒的位置控制的。數(shù)值模型進(jìn)行了調(diào)整，以盡可能好地表現(xiàn)這種行為，定義并測(cè)試了能夠?qū)崿F(xiàn)期望行為的邊界條件。此外，隨著中間包鋼水液面高度的增加，中間包底部和塞棒入口處的鋼水靜壓也隨之增加，這種行為也在數(shù)值模型中得到了實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)文獻(xiàn)中的結(jié)果進(jìn)行了成功驗(yàn)證，特別是在低壓塞桿區(qū)域。熱邊界條件取自文獻(xiàn)并結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于夾雜物團(tuán)聚行為，對(duì)幾種湍流模型的適用性進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)價(jià)，無(wú)法做出明確的決定。因此，根據(jù)文獻(xiàn)推薦，選擇合適的模型。數(shù)值模型引入了氬氣泡。最初計(jì)劃根據(jù)理想氣體定律考慮改變氬氣密度，估算水口內(nèi)的溫度降低，氣泡密度增大，氣泡直徑減小。選擇了一種適當(dāng)?shù)姆椒ǎ芯苛虽搹S連鑄機(jī)氬氣泡條件進(jìn)入模型，考慮了對(duì)湍流強(qiáng)度的影響。

研究了夾雜物濃度和湍流模型對(duì)團(tuán)聚行為的影響，與預(yù)期的一樣，夾雜物濃度是影響團(tuán)聚行為的主要因素。所選湍流模型的影響不能很好地體現(xiàn)出來(lái)，部分原因是比較數(shù)據(jù)不足。湍流模型的選擇是基于前面提到的文獻(xiàn)推薦的。

UNILEOB-SMMP開(kāi)發(fā)了C.2中報(bào)道的微觀模型，它考慮了以下堵塞的主要步驟:

• 鋼水湍流流動(dòng)和懸浮顆粒向水口內(nèi)壁面的運(yùn)輸。

• 鋼水與水口壁面的相互作用及顆粒在壁面上的粘附機(jī)制。

• 阻塞的形成和生長(zhǎng)。

在模型中采用了一種特殊的隨機(jī)方法來(lái)模擬顆粒在靠近水口內(nèi)壁面的流體結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)，就像[3]所采用的方法。采用一種簡(jiǎn)化的處理方法來(lái)模擬顆粒與粗糙壁之間的相互作用。在此模型中，忽略了氬鼓泡的影響，采用一種新的算法來(lái)跟蹤阻塞的增長(zhǎng)。為此，提出了一個(gè)考慮微觀問(wèn)題的瞬態(tài)雙向耦合模型來(lái)模擬堵塞現(xiàn)象，關(guān)于微觀模型的更多細(xì)節(jié)在[4]中給出。通過(guò)在WP2堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)驗(yàn)證了微觀模型的有效性，結(jié)果表明，該模型能夠再現(xiàn)與堵塞有關(guān)的現(xiàn)象:

• 重點(diǎn)計(jì)算靠近內(nèi)壁區(qū)域的粒子軌跡。

• 通過(guò)與顆粒沉積相關(guān)的動(dòng)態(tài)壁面粗糙度來(lái)處理堵塞早期壁面特性的變化。

• 堵塞長(zhǎng)為可以捕獲粒子的多孔材料。

• 在早期(通過(guò)改變壁面粗糙度)和后期(通過(guò)應(yīng)用Darcy源項(xiàng))均考慮了堵塞對(duì)流體流動(dòng)的影響。

除了對(duì)圖102附錄C.2中計(jì)算的澆鑄速率進(jìn)行定量比較外，數(shù)值估算的堵塞水口看起來(lái)與圖103中COMDIC堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)得到的堵塞水口類似。

任務(wù)3.3：將認(rèn)為3.2開(kāi)發(fā)的數(shù)值模型實(shí)現(xiàn)為一個(gè)完整的模型。(UNILEOB BFI)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是將微觀和宏觀尺度上的數(shù)值模型合并為一個(gè)完整的數(shù)值模型，以便為涉及的合作伙伴BFI和UNILEOB-SMMP使用。

在建立微觀模型的過(guò)程中，雖然只考慮了中間包的一小部分和水口SEN，但需要付出巨大的計(jì)算努力。對(duì)包括塞棒和水口在內(nèi)的整個(gè)中間包進(jìn)行宏觀建模，并行計(jì)算將大大增加計(jì)算工作量。即，微觀模型將得到一個(gè)更大的計(jì)算域，而宏觀模型將需要一個(gè)具有相當(dāng)大分辨率的數(shù)值網(wǎng)格。因此，合作伙伴BFI和UNILEOB-SMMP決定將數(shù)值模型拆分為中間包(宏觀)和水口(微觀)部分。宏觀部分為微觀部分提供邊界條件(流速、湍流度、夾雜物的分布和尺寸)。如上所述，不同的湍流模型基本適用于建模方法：宏觀模型采用RNG k-ε-模型，微觀模型采用k-Ω-模型。將數(shù)值模型分為兩部分，可以根據(jù)各自的建模目標(biāo)選擇最合適的湍流模型。

原本計(jì)劃進(jìn)行以下細(xì)分工作：BFI將微觀和宏觀模型應(yīng)用于SALZF鋼廠的連鑄機(jī)上，UNILEOB-SMMP將微觀和宏觀模型應(yīng)用于VASL鋼廠的連鑄機(jī)上。建模方法的交換導(dǎo)致了在應(yīng)用各自的模型，處理用大量專家知識(shí)開(kāi)發(fā)高度復(fù)雜的模型時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，模型交換的努力顯然被低估了。討論導(dǎo)致了一種新的方法，該方法也得到了工業(yè)伙伴的批準(zhǔn)。BFI和UNILEOBSMMP對(duì)兩家行業(yè)合作伙伴都采用了各自的模型，即宏觀的BFI和微觀的UNILEOBSMMP，通過(guò)這種方法，加強(qiáng)了所有伙伴之間的相互作用。

任務(wù)3.4：關(guān)于在水口內(nèi)壁上鋼水流動(dòng)、夾雜物運(yùn)動(dòng)和粘附的數(shù)值計(jì)算性能。(UNILEOB BFI)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是為了性能的工藝參數(shù)研究，即通過(guò)改變起始條件和邊界條件，以減少/防止堵塞現(xiàn)象。這些優(yōu)化程序可能的措施是修改塞棒/滑動(dòng)水口的幾何形狀，或考慮中間包中不同的鋼水液面高度，以改變特殊環(huán)境下的流動(dòng)條件。

BFI和UNILEOB-SMMP為實(shí)現(xiàn)工業(yè)大規(guī)模流通量選擇了不同的方法。然而，這兩種方法都產(chǎn)生了可比較的結(jié)果。

BFI在附錄C.1中開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了宏觀尺度上的數(shù)值模型。兩臺(tái)鋼廠連鑄機(jī)都用數(shù)值網(wǎng)格表示。其中一個(gè)不同的參數(shù)是等水口的內(nèi)徑，這個(gè)內(nèi)徑對(duì)鋼水流通量的影響可以被顯示出來(lái)。在相同數(shù)值參數(shù)的假設(shè)下，較小的水口內(nèi)徑導(dǎo)致較小的鋼水流通量。考慮了中間包鋼水液面高度和塞棒升高量，對(duì)這些參數(shù)和鋼廠連鑄機(jī)的速度和湍流強(qiáng)度進(jìn)行了研究。團(tuán)聚結(jié)果表明，較小的塞棒升高量對(duì)應(yīng)較高的速度水平，導(dǎo)致更強(qiáng)夾雜物的團(tuán)聚，形成更大直徑的非金屬夾雜物。對(duì)工業(yè)鋼廠的連鑄機(jī)來(lái)說(shuō)，中間包鋼水液面高度對(duì)結(jié)塊的影響是不同的。SALZF鋼廠連鑄機(jī)的團(tuán)聚結(jié)果在2.5 ~ 5.0 μm范圍內(nèi)，差異不大，但速度和湍流度有明顯差異。VASL鋼廠的連鑄機(jī)的澆鑄結(jié)果對(duì)中間包鋼水液面高度很敏感，中間包鋼水液面較低，會(huì)導(dǎo)致較大的非金屬夾雜物。

UNILEOB-SMMP開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了附錄C.2中所述的微觀尺度的數(shù)值模型。由于計(jì)算工作量巨大，將微觀模型擴(kuò)展到鋼廠實(shí)際使用的中間包是不可能的。因此，我們對(duì)SEN和中間包的一部分進(jìn)行了建模，并在靠近塞棒區(qū)域注入了大量夾雜物，以便在較短的時(shí)間內(nèi)觀察堵塞現(xiàn)象。從整個(gè)中間包和水口的初始模擬中提取了該區(qū)域的邊界條件。模擬結(jié)果表明，顆粒沉積的臨界面積即堵塞面積隨時(shí)間變化。首先，顆粒沉積主要發(fā)生在塞棒下方的水口內(nèi)壁上，一段時(shí)間后，由于內(nèi)壁面上觀察到的阻塞物的生長(zhǎng)改變了流場(chǎng)，沉積在水口和塞棒隙內(nèi)的影響增大。

研究了中間包鋼水液面高度對(duì)堵塞的影響，結(jié)果表明，中間包鋼水液面為0.8 m時(shí)發(fā)生堵塞的速度略快于中間包液面高度為0.5 m時(shí)。然而，差別是微不足道的，UNILEOB-FM的研究表明，當(dāng)夾雜物的體積分?jǐn)?shù)恒定時(shí)，夾雜物直徑越小，堵塞的概率越大。與宏觀模型并行計(jì)算表明，中間包液面高度為0.5 m增強(qiáng)了夾雜物的團(tuán)聚，導(dǎo)致夾雜物直徑增大，這些觀察結(jié)果基本一致。此外，根據(jù)SALZF鋼廠和VASL鋼廠的數(shù)據(jù)，考慮了兩種不同內(nèi)徑的水口設(shè)計(jì)，在這兩種情況下，所有其他參數(shù)，如鋼水流動(dòng)速率、粒子注入速率和粒子大小保持不變，結(jié)果表明：小直徑的水口阻塞量較小，阻塞物在水口內(nèi)壁上分布更均勻；附錄C.3詳細(xì)介紹了該模型在鋼廠連鑄機(jī)上的應(yīng)用。

任務(wù)3.5：闡述在連鑄過(guò)程中減少/防止加鈦ULC鋼種的堵塞的可能工藝和建設(shè)性措施。(UNILEOB, BFI, COMDIC, SALZF, VASL)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是檢測(cè)和闡述減少/預(yù)防堵塞的可能工藝和建設(shè)性措施，即總結(jié)數(shù)值結(jié)果，確定操作行為規(guī)范。

從建模結(jié)果中獲得了關(guān)于堵塞的新的看法。

• 堵塞是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程，它包括水口內(nèi)壁面初始沉積顆粒覆蓋，堵塞前沿突出膨脹的演變，以及分支結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

• 堵塞是一個(gè)隨機(jī)的、自我加速的過(guò)程。

宏觀尺度上的結(jié)果表明，較小的塞棒升高量導(dǎo)致塞棒間隙的速度和波動(dòng)較大，同時(shí)由于更強(qiáng)的團(tuán)聚作用導(dǎo)致夾雜物直徑增大。在微觀尺度下，當(dāng)水口內(nèi)徑越小時(shí)，阻塞物沿壁面分布越均勻。為了達(dá)到相同的鋼水質(zhì)量流量，塞棒必須提升高度，也就是說(shuō)，較小的水口內(nèi)徑似乎可以改善結(jié)塊和堵塞行為。

中間包鋼水液面高度對(duì)堵塞的影響較小，這一結(jié)果與VASL鋼廠的觀察結(jié)果不同。VASL連鑄機(jī)的水口團(tuán)聚結(jié)塊結(jié)果對(duì)中間包填充水平具有敏感性，中間包鋼水液面越低，夾雜物直徑越大。然而，這一觀察結(jié)果無(wú)法為SALZF鋼廠的連鑄機(jī)所證實(shí)。中間包液面高度對(duì)水口堵塞沒(méi)有影響。

任務(wù)3.6：調(diào)整/修改塞棒端部幾何形狀。(BFI)

本任務(wù)的目的是驗(yàn)證在以前的RFCS研究項(xiàng)目中利用開(kāi)發(fā)的數(shù)值模型開(kāi)發(fā)的塞棒設(shè)計(jì)，對(duì)流動(dòng)條件的影響和減少/預(yù)防堵塞的有效性進(jìn)行調(diào)查和評(píng)估。

關(guān)于改進(jìn)的塞棒頭部幾何形狀的詳細(xì)研究報(bào)告在附錄C.4中。該設(shè)計(jì)的目的是修改流動(dòng)條件，導(dǎo)致流向平行于水口內(nèi)壁墻。微觀模型的堵塞和宏觀模型的團(tuán)聚結(jié)果也與UNILEOB-FM的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果很好地吻合，因此，通過(guò)假設(shè)團(tuán)聚結(jié)果對(duì)堵塞行為的可轉(zhuǎn)移性的宏觀模型來(lái)調(diào)整塞棒幾何形狀，其基本思想是避免流動(dòng)再循環(huán)，加速鋼水靠近水口壁，以防止堵塞沉積，這些考慮的結(jié)果是一個(gè)漏斗形的設(shè)計(jì)。對(duì)這種塞棒的設(shè)計(jì)進(jìn)行了三種修改：一種是原設(shè)想的平的塞棒端部，另一種是橢圓端部，但長(zhǎng)度不同，目的是避免塞棒下方的回流區(qū)。

觀察到對(duì)鋼水流通量的影響主要有兩方面：鋼水流通量降低，即兩種對(duì)塞棒的修改都增加了流體機(jī)械阻力。此外，與原設(shè)計(jì)相比，鋼水流通量隨塞棒升高的漸近過(guò)程似乎更清晰，兩種效應(yīng)結(jié)合在一起被認(rèn)為是合理的。

塞棒端部平面修改和橢圓修改顯示了預(yù)期的速度場(chǎng)，塞棒下方的回流區(qū)域是可見(jiàn)的，對(duì)于平面設(shè)計(jì)的塞棒端部來(lái)看，回流區(qū)域較大，而對(duì)預(yù)期的橢圓形設(shè)計(jì)，回流區(qū)域則較小。然而，塞棒端部的橢圓設(shè)計(jì)表明在水口中的流場(chǎng)趨于對(duì)稱。中間包鋼水液面高度對(duì)塞棒升高的影響與原塞棒設(shè)計(jì)基本相同，湍流強(qiáng)度局部極大值的位置如預(yù)期的那樣在塞棒下方。在這種配置中，局部極大值的位置不在塞棒間隙中，而是在塞棒的下方。與原塞棒設(shè)計(jì)相比，其湍流強(qiáng)度水平更高。同樣，對(duì)于塞棒端部橢圓修改，可以觀察到一個(gè)向水口左邊的非對(duì)稱分布。然而，對(duì)于塞棒端部的平面設(shè)計(jì)，湍流強(qiáng)度有輕微的向水口右側(cè)的趨勢(shì)，特別是在塞棒升高量為20 mm時(shí)。

此外，對(duì)于塞棒端部幾何形狀的修改，較小的塞棒升高量會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)的夾雜物團(tuán)聚，進(jìn)而導(dǎo)致夾雜物更大的直徑。雖然塞棒間隙內(nèi)的速度發(fā)生了明顯的變化，但塞棒幾何形狀的改變對(duì)夾雜物的團(tuán)聚影響很小。在改變中間包鋼水液面高度的情況下，塞棒端部橢圓型改造基本上導(dǎo)致了夾雜物直徑的增加，而在塞棒端部平坦型改造中，可以發(fā)現(xiàn)夾雜物較小直徑的趨勢(shì)。然而，必須提到的是，這些發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象只是微弱的。

2.2.4 WP4 -在鋼廠試驗(yàn)中實(shí)施優(yōu)化措施并驗(yàn)證其效率

這個(gè)工作包的目標(biāo)是：

• 對(duì)由實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值調(diào)查和操作經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生的確定措施進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而形成與操作實(shí)踐一致的操作設(shè)置和旨在控制確定措施潛力的能力。

• 在RH和VD工藝設(shè)備的工廠試驗(yàn)中，工藝控制和減少/防止堵塞發(fā)生的建設(shè)性措施。

• 基于改進(jìn)和初始條件的阻塞比較，對(duì)所調(diào)查的工藝和建設(shè)性措施進(jìn)行評(píng)估。

• 利用結(jié)果，提出減少/預(yù)防加鈦ULC鋼種堵塞發(fā)生的具體建議/指導(dǎo)。

任務(wù)4.1：總結(jié)開(kāi)發(fā)的過(guò)程和建設(shè)性措施，并轉(zhuǎn)移到實(shí)際操作中。(所有合作伙伴)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是總結(jié)和控制在WP2和WP3中制定的有關(guān)操作適用性的措施。

一般來(lái)說(shuō)，添加合金的時(shí)間對(duì)夾雜物形貌沒(méi)有顯著影響，實(shí)驗(yàn)總時(shí)間(鋁鎮(zhèn)靜后總時(shí)間)對(duì)氧化鋁的浮選有較大影響。

堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)表明，無(wú)堵塞試驗(yàn)中Al、Ti含量均較低，夾雜物數(shù)量也較低。中度堵塞組與重度堵塞組相比，純Al在中度堵塞組中更多，而Ti和Al和Ti的混合物在重度堵塞組中更多。

數(shù)值研究表明，中間包鋼水液面高度對(duì)VASL鋼廠的連鑄機(jī)堵塞和結(jié)塊有影響，但對(duì)SALZF鋼廠連鑄機(jī)沒(méi)有影響，即中間包鋼水液面的調(diào)整不能適用于所有設(shè)備，這取決于鋼廠的具體連鑄條件。

另外，在保持其他連鑄條件和相應(yīng)部件的幾何參數(shù)不變的情況下，浸入式水口內(nèi)徑也會(huì)影響堵塞，例如，較小直徑的水口傾向于導(dǎo)致堵塞更均勻分布在水口壁上。

任務(wù)4.2：工廠試驗(yàn)。(SALZF 鋼廠和VASL鋼廠)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是進(jìn)行鋼廠試驗(yàn)，并控制優(yōu)化工藝的有效性和在操作實(shí)踐中的建設(shè)性措施。

在VASL鋼廠試驗(yàn)中，評(píng)估RH脫氣過(guò)程中夾雜物的演變，感興趣的參數(shù)是夾雜物的數(shù)量及其類型。據(jù)報(bào)道，在RH脫氣結(jié)束和連鑄過(guò)程中，IF鋼在VASL鋼廠的非金屬夾雜物主要為(> 50%)鋁酸鹽。在SALZF鋼廠試驗(yàn)中，RH脫氣裝置在項(xiàng)目運(yùn)行期間投入使用，這些試驗(yàn)使項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)運(yùn)行的VD路線和新實(shí)施的RH路線可以進(jìn)行比較。

任務(wù)4.3：工廠試驗(yàn)的評(píng)估。(所有合作伙伴)

這項(xiàng)工作的目的是評(píng)估任務(wù)4.2中有關(guān)項(xiàng)目主要目標(biāo)的鋼廠試驗(yàn)，即加深對(duì)造成堵塞現(xiàn)象的機(jī)制的了解，以及減少/預(yù)防堵塞的優(yōu)化措施。

氧含量和鋁酸鹽的平均值與鋁鎮(zhèn)靜后的時(shí)間，以及尖晶石型夾雜物的平均值與鋁鎮(zhèn)靜后的時(shí)間的調(diào)查和詳細(xì)報(bào)告在附錄A.4。在兩個(gè)鋼廠合作伙伴中，檢測(cè)了不同的鋁和鈦含量的指數(shù)阻塞。Ti/Al比值介于0(無(wú)Ti 的IF鋼)和2.5 (VASL鋼廠)和3.5 (SALZF鋼廠)之間。這些檢查的結(jié)果非常一致。當(dāng)Ti/Al比較低時(shí)，澆注性能較好，即堵塞較少。當(dāng)Clog作為Ti和Al含量的函數(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)的意義發(fā)生了變化，鈦含量越低，Al含量越高，堵塞越少。后一種結(jié)果與SALZF鋼廠的結(jié)果非常吻合。

此外，在SALZF鋼廠上對(duì)VD路線的781爐號(hào)和RH路線的697爐號(hào)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，目的是對(duì)這些工藝路線進(jìn)行比較。考慮了處理時(shí)間、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對(duì)微小的非金屬夾雜物進(jìn)行分析，并對(duì)兩種方法進(jìn)行比較。

任務(wù)4.4：具體建議/指導(dǎo)的定義。(所有合作伙伴)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是為工藝和建設(shè)性措施確定具體的建議/準(zhǔn)則。表1列出了調(diào)查的主要觀察結(jié)果、導(dǎo)出的建議和可能的指導(dǎo)方針。

表1  觀察結(jié)果和導(dǎo)出的建議/準(zhǔn)則(所有合作伙伴)

2.2.5 WP5 -項(xiàng)目管理

這個(gè)工作包的目標(biāo)是:

• 協(xié)調(diào)和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目活動(dòng)。

• 在TGS出口組介紹和討論項(xiàng)目進(jìn)展/結(jié)果。

• 組織和舉行協(xié)調(diào)會(huì)議。

• 項(xiàng)目進(jìn)展/結(jié)果報(bào)告。

任務(wù)5.1：協(xié)調(diào)。(BFI)

這項(xiàng)工作的目的是協(xié)調(diào)和監(jiān)測(cè)研究項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)，其中包括組織預(yù)定的研討會(huì)/研討會(huì)“優(yōu)化加鈦ULC鋼的煉鋼規(guī)則，以防止堵塞”。

項(xiàng)目合作伙伴提議將BFI在杜塞爾多夫Düsseldorf主辦的研討會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)研討會(huì)。網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)的主要優(yōu)點(diǎn)是預(yù)定的日期和預(yù)期的參與者人數(shù)。合作伙伴希望盡可能推遲傳播結(jié)果。此外，由于省略了旅費(fèi)，預(yù)計(jì)參加人數(shù)將明顯增加。

商定了網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)的組織方式，該活動(dòng)于2018年3月1日舉行，共有34名參與者。之后，展示的幻燈片在參與者中分發(fā)。

任務(wù)5.2：協(xié)調(diào)會(huì)議。(所有合作伙伴)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是籌備和參加項(xiàng)目的管理/發(fā)展所需的會(huì)議。

項(xiàng)目合作伙伴每年舉行兩次會(huì)議。每個(gè)項(xiàng)目合作伙伴主持一次會(huì)議，協(xié)調(diào)員BFI主持啟動(dòng)會(huì)議和最后一次會(huì)議。行業(yè)合作伙伴SALZF鋼廠和VASL鋼廠會(huì)面了兩次，交換了數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一了堵塞檢測(cè)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。這是在不同的脫氣工藝設(shè)備的背景下完成的。

任務(wù)5.3：報(bào)告。(所有合作伙伴)

這項(xiàng)任務(wù)的目的是編寫(xiě)年度報(bào)告、中期報(bào)告和最后報(bào)告。

這些報(bào)告是按照計(jì)劃編寫(xiě)的，并由協(xié)調(diào)員在相應(yīng)的TGS3會(huì)議上提出。

3. 結(jié)論

3.1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

• 脫氧實(shí)驗(yàn)表明，氧化鋁顆粒是主要的夾雜物類型。一般來(lái)說(shuō)，添加時(shí)間對(duì)夾雜物形貌沒(méi)有顯著影響。實(shí)驗(yàn)總時(shí)間(鋁鎮(zhèn)靜后總時(shí)間)對(duì)氧化鋁的上浮有較大影響。

• 無(wú)法檢測(cè)到FeTi鈦鐵合金對(duì)氧化鋁夾雜物形貌可能變化的影響。

• 較小的夾雜物更容易卡附在水口內(nèi)壁上，在全氧含量低的情況下，檢測(cè)到小的氧化鋁夾雜物的形成，與不含鈦的ULC鋼相比，小的夾雜物上浮分離傾向較低，并會(huì)加速堵塞沉積的形成。

• 在任何FeTi鈦鐵合金添加的情況下，夾雜物數(shù)量強(qiáng)列變化可以在一個(gè)系列中進(jìn)行評(píng)估，一個(gè)可能的原因是鈦鐵中的氧含量會(huì)導(dǎo)致小的氧化鋁夾雜物的形成，鋼水中的小顆粒夾雜也是Ti-ULC鋼高堵塞傾向的一個(gè)可能解釋。建議檢查鐵合金的氧含量，使用低氧含量的FeTi鈦鐵合金。

• 添加的時(shí)間沒(méi)有顯著改變?cè)嚇訕悠贰＿@一結(jié)果并不奇怪，因?yàn)槎我苯疬^(guò)程中會(huì)發(fā)生大量的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，如夾雜物團(tuán)聚、吹氬上浮夾雜物、夾雜物在爐渣中的溶解等。

• 鉬基噴涂是一種有效的方法來(lái)創(chuàng)建Al₂O₃- TiOx涂層用于接觸角測(cè)量。不同相的分布規(guī)律，但不均勻。為了獲得更好的均勻性，額外的熱處理(在1600°C下30分鐘)會(huì)導(dǎo)致相反的效果，導(dǎo)致富TiOx相在基板表面團(tuán)聚。

• 堵塞與顆粒的團(tuán)聚和附著力密切相關(guān)，這也與潤(rùn)濕角等界面性質(zhì)有關(guān)。在40%和100% TiO₂的情況下，較低的接觸角也意味著較低的團(tuán)聚傾向。因此，在二次處理過(guò)程中，Al₂TiO₅和純TiO₂粒子的去除率較低，最終大量夾雜物進(jìn)入連鑄系統(tǒng)。防止有害夾雜物的關(guān)鍵是控制高鈦鋼加入的鈦鐵合金中氧的含量，并盡可能降低鈦鋁比。

• 鈦合金級(jí)鋼在低TiO₂濃度下比無(wú)鈦ULC級(jí)鋼有更低的接觸角，較低的潤(rùn)濕角導(dǎo)致較低的團(tuán)聚傾向。建議在浸入式水口內(nèi)部使用防堵層或選擇替代耐火材料，以適當(dāng)?shù)姆绞筋A(yù)熱水口，并根據(jù)鋼水流動(dòng)優(yōu)化水口的幾何形狀。

• 在富鋁基板中，無(wú)鈦ULC的潤(rùn)濕傾向最低，而Ti - P合金鋼的接觸角顯著較低。眾所周知，鈦和磷這兩種元素都能增加氧化鋁的潤(rùn)濕性。正如預(yù)期的那樣，只有Ti合金鋼在無(wú)鈦和Ti - P鋼之間產(chǎn)生對(duì)比結(jié)果。隨著鈮含量的增加，Fe-Nb與氧化鋁接觸的潤(rùn)濕角顯著降低。為此，制備了幾種Nb含量高達(dá)0.076%的Fe-Nb合金。

• 在堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)觀察到4個(gè)無(wú)堵塞試驗(yàn)，它們顯示出較低的鋁和鈦含量，在鋼水開(kāi)始澆鑄前具有少量夾雜。主要結(jié)論是大量的夾雜物增強(qiáng)了堵塞。

• “中等”堵塞與“密集”堵塞的比較表明，純Al更頻繁地出現(xiàn)在中等堵塞組，而Ti以及Al和Ti的混合物更頻繁地出現(xiàn)在密集堵塞組。但必須指出的是，在IF鋼中不能防止Al和Ti的平行合金化，需要注意的是鈦鋁比應(yīng)盡可能低。

• 沒(méi)有堵塞“全部”的四個(gè)實(shí)驗(yàn)都有低于100 ppm的數(shù)值，特別是鋁和鈦含量低。其他試驗(yàn)的鋁含量都高于100ppm，平均是413ppm。Al含量低，試樣樣品質(zhì)量差，不利于可靠的SEM/EDS特征測(cè)量。事實(shí)上，低鋁含量也導(dǎo)致少量的固態(tài)氧化鋁夾雜物。此外，在實(shí)驗(yàn)中，富鈦氧化物與純氧化鋁相比，表現(xiàn)出更低的吸引力。這兩個(gè)效應(yīng)解釋了“全部”實(shí)驗(yàn)中較低的堵塞傾向。

• 堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)堵塞水口的分析表明，堵塞水口的原因是在典型堵塞區(qū)域有大量的小顆粒夾雜物和團(tuán)聚顆粒。

• 只有鋼水進(jìn)行鋁鎮(zhèn)靜后才能導(dǎo)致適度的堵塞行為，而隨后添加FeTi鈦鐵合金會(huì)導(dǎo)致堵塞趨勢(shì)的增加。總體而言，堵塞等級(jí)與“夾雜物數(shù)量”、“夾雜物含量”、“夾雜物大小”和化學(xué)性質(zhì)等影響因素之間的相關(guān)性較弱。

  3.2 數(shù)值調(diào)查

• 宏觀數(shù)值模型的目的是盡可能好地表示塞棒升高量對(duì)鋼水流通量的控制。考慮中間包鋼水靜壓的邊界條件導(dǎo)致了預(yù)期的行為。靜壓結(jié)果顯示，塞棒間隙的典型值為零以下。可以考慮靜壓、鋼水速度和代表工業(yè)情況的湍流波動(dòng)對(duì)團(tuán)聚的影響。

• 兩種工業(yè)中間包均采用宏觀數(shù)值模型進(jìn)行了研究。對(duì)于相同的中間包鋼水液面高度和塞棒升高量，不同的水口內(nèi)徑導(dǎo)致鋼水流通量不同。分析了速度和湍流，特別是對(duì)夾雜物凝聚的可能影響。具有最大局部速度和湍流強(qiáng)度的構(gòu)型容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的夾雜物團(tuán)聚。

• 由于團(tuán)聚的緣故，較小的塞棒升高量導(dǎo)致較大的夾雜物直徑。VASL鋼廠的連鑄機(jī)團(tuán)聚結(jié)果對(duì)中間包鋼水液面高度具有敏感性，鋼水液面越小，湍流強(qiáng)度越大，夾雜物直徑越大。

• 改變?nèi)舳瞬康膸缀涡螤顚?dǎo)致所需調(diào)整在塞棒間隙和在塞桿尖端的鋼水速度，采用漏斗形結(jié)構(gòu)來(lái)避免塞棒尖端下方的回流區(qū)，這被認(rèn)為是一種很好的措施，可以減少塞棒下方水口堵塞。對(duì)塞棒端部?jī)煞N改進(jìn)均未發(fā)現(xiàn)對(duì)夾雜物團(tuán)聚的明顯影響，特別是在與塞棒升高量的結(jié)合對(duì)比上，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何變化。研究結(jié)果被認(rèn)為夾雜物團(tuán)聚行為較弱，即沒(méi)有發(fā)現(xiàn)對(duì)夾雜物聚集行為的明顯影響。然而，這并不是塞棒修改的第一目標(biāo)。

• 建立了考慮水口阻塞生長(zhǎng)(夾雜物沉積)與鋼水流動(dòng)雙向耦合的瞬態(tài)水口阻塞模型。該模型在微觀尺度上考慮了堵塞的關(guān)鍵步驟：夾雜顆粒通過(guò)湍流向噴嘴壁面的運(yùn)移；水口內(nèi)壁面-流體相互作用及夾雜物在水口內(nèi)壁面上的沉積，夾雜物粒子沉積引起的阻塞生長(zhǎng)。

• 通過(guò)在COMDIC重現(xiàn)堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，該模型得到了驗(yàn)，數(shù)值計(jì)算的水口堵塞段與室內(nèi)試驗(yàn)的堵塞段定性吻合，計(jì)算得到的堵塞過(guò)程中通過(guò)水口的鋼水流通量隨時(shí)間的變化規(guī)律也與實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。

• 基于堵塞計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)置，從模型結(jié)果中導(dǎo)出了關(guān)于堵塞的新的認(rèn)識(shí)。

-堵塞是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程，它包括水口內(nèi)壁上初始沉積的顆粒覆蓋，堵塞前沿凸出的演變，以及分支結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

-堵塞是一個(gè)隨機(jī)的、自我加速的過(guò)程。

• 采用微觀數(shù)值模型模擬了實(shí)際鋼廠工業(yè)規(guī)模(VASL,鋼廠和SALZF鋼廠)連鑄過(guò)程中的水口阻塞。獲得了以下建模結(jié)果。

- 水口和塞棒的設(shè)計(jì)(幾何形狀)影響水口堵塞。參考行業(yè)合作伙伴提供的水口圖紙，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)域?qū)Χ氯舾校?/span>(1)塞棒-水口之間的間隙，(2)間隙下面的水口上部。

-中間包鋼水液面高度對(duì)堵塞的影響很小。這一結(jié)果與VASL鋼廠的行業(yè)觀察結(jié)果不同。我們假設(shè)其他機(jī)制可能會(huì)導(dǎo)致堵塞，如中間包鋼水液面高度對(duì)引入水口的夾雜物顆粒的大小和數(shù)量密度的影響。

-在保持其他連鑄參數(shù)和幾何參數(shù)不變的情況下，水口的內(nèi)徑會(huì)影響水口內(nèi)部的阻塞，例如，較小的水口直徑會(huì)導(dǎo)致阻塞沿水口內(nèi)壁分布更加均勻。建議將水口調(diào)整到更小的水口內(nèi)徑，并與之相關(guān)聯(lián)，增加塞棒提升高度。

3.3 工廠試驗(yàn)

• 對(duì)堵塞的水口解剖發(fā)現(xiàn)，堵塞材料由不同形狀的小顆粒組成：球狀、枝狀、柱狀。分析了夾雜物大小的分布。所檢測(cè)的顆粒大部分由Al₂O₃、TiO2和MgO組成，主要成分為Al₂O₃。

• 首先比較不同脫氣工藝(VD在SALZF和RH在VASL)的工藝數(shù)據(jù)，顯示脫氧前的氧含量有顯著差異，Al和Ti的數(shù)量在SALZF鋼廠和脫氧到連鑄開(kāi)始之間的時(shí)間間隔也更大。

• 在項(xiàng)目運(yùn)行期間，將SALZF鋼廠的脫氣工藝路線改為RH脫氣，從而可以與VD脫氣進(jìn)行直接比較。二次冶金的處理大致結(jié)果是RH路線縮短50%的時(shí)間，最終Ti-和Al含量在RH路線較低，而Ti-和Al收得率在RH路線較大。如果兩種路徑(VD和RH)在SALZF都可用，那么RH路徑應(yīng)該是首選的，因?yàn)樵?/span>SALZF的早期數(shù)據(jù)結(jié)果可以進(jìn)行對(duì)比效果的。

• OES-PDA結(jié)果RH和VD脫氣進(jìn)行了評(píng)估。微小夾雜物(Al+Ca+Mg)的濃度在RH脫氣處理中要低得多。微小夾雜物(Al)濃度略大于VD生產(chǎn)的IF鋼。標(biāo)準(zhǔn)和磷合金IF鋼種之間不能觀察到顯著差異。

• RH脫氣過(guò)程中夾雜物的演變與鋁、鈦含量和總氧含量密切相關(guān)。鋁和鈦燒損現(xiàn)象可以用精煉渣化學(xué)計(jì)量學(xué)解釋。

• 在VASL鋼廠，根據(jù)觀察到的堵塞趨勢(shì)的跡象以及UNILEOB-FM進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和研究的結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)。在Ti- If鋼生產(chǎn)的一周內(nèi)，平均Al含量為610ppm ±40ppm，平均Ti含量為570ppm ±35ppm, Ti/Al比為~ 0.93。Clog平均值為0,090 ±0,017。

•  關(guān)于Ar-和Ti含量以及Ti/ Al比的主要結(jié)論在兩種臺(tái)鋼廠連鑄機(jī)上都非常一致。當(dāng)Ti/Al比較低時(shí)，有減少堵塞的趨勢(shì)。考慮Ti和Al的單一含量，Ti-含量越低，Al-含量越高，堵塞越少。建議在給定的成分范圍內(nèi)盡量降低Ti/Al比值，并控制添加FeTi鈦鐵合金的氧含量以獲得較高的Ti含量。

• 由于堵塞的減少，VASL鋼廠的效益是每一個(gè)連鑄工序減少了浸入式水口使用數(shù)量，或者說(shuō)每一個(gè)水口澆鑄的板坯數(shù)量增加，即由于水口變化而降級(jí)的鋼板數(shù)量減少。雖然無(wú)法證明鈦鋁比對(duì)最終帶鋼盤卷質(zhì)量的影響，但總體收得率是提高了。

  4 研究成果的開(kāi)發(fā)與影響

• 項(xiàng)目的回報(bào)與鋁/鈦比的變化看，奧鋼聯(lián)voestalpine Stahl可以估計(jì)基于以下假設(shè)：鋁消費(fèi)量的增加0,23kg/ t乘以~ 2 00€/公斤(平均的Al合金成本業(yè)務(wù)2017年)會(huì)導(dǎo)致Ti-IF鋼成本的增加~ 0,46€/ t。由于堵塞的減少，水口的減少是有益的，同時(shí)也增加了每個(gè)連鑄工序接受的鋼包數(shù)，于是，中間包第一爐降級(jí)的鋼板或出現(xiàn)缺陷的鋼板數(shù)量可以減少。

• 假設(shè)每爐鋼175t /爐，平均每個(gè)中間包澆鑄5、7爐鋼，2017商業(yè)年度澆鑄的Ti-IF鋼種總數(shù)為945 kt，最大的經(jīng)濟(jì)效益可以估計(jì)大約105.000€。最后，考慮到VASL鋼廠的有效項(xiàng)目成本為417.000歐元，回報(bào)期不到4年。

• 當(dāng)考慮在鋼種范圍內(nèi)IF鋼級(jí)Ti/Al比率的微小變化時(shí)，可以確定有關(guān)堵塞的優(yōu)化潛力。

• 在SALZF鋼廠的當(dāng)前狀態(tài)下，使用新的RH脫氣裝置進(jìn)行真空脫氣處理，難以判斷最終取得的效益。目前還不清楚，RH脫氣裝置是否在理想最終條件下操作運(yùn)行。例如，Ti含量及其Ti/ Al比值不在VASL鋼廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的理想的低范圍內(nèi)。

• 從VD脫氣到RH脫氣的變化導(dǎo)致了更短的脫氣時(shí)間，并節(jié)省了相當(dāng)大的能源和成本。RH脫氣工藝提高了鋁和鈦的收得率。總的來(lái)說(shuō)，從VD脫氣到RH脫氣的工藝改變提供了成本節(jié)約的潛力，并在減少堵塞方面提高了產(chǎn)品質(zhì)量。在運(yùn)營(yíng)初期，精確的量化是非常困難的。

• 數(shù)值模型在宏觀和微觀層面的結(jié)果表明，中間包鋼水液面高度和水口內(nèi)徑對(duì)夾雜物團(tuán)聚和堵塞沉積的影響。這些結(jié)果部分得到了實(shí)際觀測(cè)的證實(shí)，這些影響因素可以在鋼廠進(jìn)行調(diào)整，以減少堵塞的發(fā)生。因此，數(shù)值結(jié)果提供了在操作實(shí)踐中減少堵塞的潛力。

• 該研究項(xiàng)目的結(jié)果在2018年3月1日舉行的有34名參與者的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上發(fā)布。之后，展示的幻燈片在參與者中分發(fā)。

• 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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（未完待續(xù)哦！）

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