結(jié)晶器電磁攪拌鋼水旋轉(zhuǎn)觀察
為了提高結(jié)晶器內(nèi)鋼水周向穩(wěn)定換熱和傳熱,現(xiàn)代化生產(chǎn)優(yōu)特鋼拉矯機結(jié)晶器采用了電磁攪拌工藝裝備,借助交流旋轉(zhuǎn)磁場使液芯感生電流并使之類同于感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運動。線圈產(chǎn)生的低頻磁場能夠穿透結(jié)晶器奧氏體不銹鋼內(nèi)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(jié)晶器奧氏體不銹鋼外筒。由于是旋轉(zhuǎn)磁場,就造成液態(tài)鋼水在結(jié)晶器內(nèi)按照特定的方向進行旋轉(zhuǎn)。
生產(chǎn)優(yōu)特鋼結(jié)晶器均采用保護澆鑄模式,結(jié)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(jié)層和粉渣層構(gòu)成了約40~60mm厚度的渣層,重重地壓在鋼水液面上,起到了穩(wěn)定鋼水液面的作用,但是由于保護渣產(chǎn)生的重力作用,抑制了鋼水液面的旋轉(zhuǎn),所以在保護渣上難以在短時間內(nèi)觀察到鋼水的實際旋轉(zhuǎn)狀況。
圖1 使用易拉罐感應(yīng)攪拌力和方向
圖1是結(jié)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(zhuǎn)方向,現(xiàn)場感覺是鐵絲連接易拉罐進入線圈內(nèi)部時候,易拉罐高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然這是沒有內(nèi)水套和銅管對電磁感應(yīng)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?guī)淼牧販y試儀,用來標(biāo)定其產(chǎn)生的扭力矩,根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)場結(jié)晶器和線圈標(biāo)間,給定不同的電流頻率進行測定,測試的結(jié)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(jié)晶器銅管鋼水處于旋轉(zhuǎn)之中,通過試驗手段知道鋼水旋轉(zhuǎn)方向,通過低倍知道了柱狀晶是逆著鋼水旋轉(zhuǎn)方向生長,其柱狀晶彎曲方向與鋼水旋轉(zhuǎn)方向相反,見圖3所示。怎么樣才能直觀看到結(jié)晶器內(nèi)鋼水旋轉(zhuǎn)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(jié)晶器上方液面很快結(jié)殼,難以觀察鋼水旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn),肉眼能夠觀察到旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。
根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)組織安排,選定生產(chǎn)φ380mm圓坯進行試驗觀察,選擇這個規(guī)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(nèi)仍然保持較好的流動性。
3 圓坯幾何上的特點,旋轉(zhuǎn)效果明顯,易于觀察。
觀察時機為快速更換中間包期間,大規(guī)格圓坯生產(chǎn)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(chǎn)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(jié)晶器銅管進入足輥段。
當(dāng)上一爐鋼包鋼水澆鑄完畢后,中間包鋼水繼續(xù)澆鑄,當(dāng)中間包包底鋼水約200mm厚度時候關(guān)閉塞棒停止?jié)茶T,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(jié)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(yè)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?jié)茶T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(zhuǎn)做好了準備。此時結(jié)晶器電磁攪拌仍然處于正常的工作狀態(tài)。對接后離開結(jié)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(nèi)置式線圈布置,線圈內(nèi)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(jù)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(zhuǎn),使用照相機連續(xù)拍攝,從而記錄了時間和液面鋼水旋轉(zhuǎn)的角度,可以計算出來液面鋼水的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)1秒鐘
圖6 旋轉(zhuǎn)2秒鐘
圖7 旋轉(zhuǎn)3秒鐘
圖8 旋轉(zhuǎn)4秒鐘
圖9 旋轉(zhuǎn)5秒鐘
圖10 旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)90°,保護渣標(biāo)志物大約在半徑130mm的地方,旋轉(zhuǎn)一周的時間為24秒,由此來觀察鋼水在液面的旋轉(zhuǎn)情況,從而有一個定量的機會了解位于結(jié)晶器攪拌線圈位置鋼水旋轉(zhuǎn)情況。
圖5~10的照片反映了鋼水逆時針旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。
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(tài)坯殼側(cè)壁摩擦作用的影響,結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面停留在固定位置上,此時鋼水旋轉(zhuǎn)流動速率不一定能代表真實的結(jié)晶器內(nèi)鋼水旋轉(zhuǎn)情況,這里僅僅表達的是一個直觀的現(xiàn)象。
這是我10年前在現(xiàn)場做的旋轉(zhuǎn)試驗,就是想看看實際的鋼水在電磁攪拌線圈磁場的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn),眼見為實,看了之后印象非常深刻的。那個時候已經(jīng)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(jù)每張照片間隔時間進行計算旋轉(zhuǎn)速率。
整理出來的目的給大家看看,我是底層現(xiàn)場工程師,水平有限掌握的知識也有限,長期在現(xiàn)場干活,也就有點現(xiàn)場方面下里巴人的經(jīng)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!
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