大钢锭浇铸模内吹氩和小气泡净化钢液和改善凝固组织的基础研究

Large and small bubbles are formed in molten steel by Ar bubbling with refractory porous nozzles in ingot mold. Circulatory flow of liquid steel is produced due to the buoyancy of the large bubbles and it enhances heat and mass transfers in the melt, which can reduce chemical segregation and superheat degree. The forced convection in the melt can break down dentrite to increase nucleation rate. Therefore, fine equiaxed crystals are obtained and ratio of equiaxed crystal zone is raised. Meanwhile the circulatory flow of melt is helpful to remove inclusions. The small bubbles formed are taken to the whole zone of the melt under the inertial force of the flowing melt and can clean the molten steel. This project is to systematically carry out the research on this new ingot casting process. Influence of different Ar bubbling process in mold and casting process on small bubble formation mechanism, liquid steel flow, heat and mass transfer, inclusion removal and solidification structure will be investigated. The investigation of stirring and cleaning molten steel with large and small Ar bubbles by means of Ar bubbling in ingot mold is of important significance for developing new ingot casting process with Ar bubbling, building knowledge system of Ar bubbling process in ingot casting, offering theoretical basis to Ar bubbling process in casting of special or large steel ingot, fining solidification structure of ingots, enhancing cleanliness of ingots, improving properties of steel products, increasing steel yield and providing high-quality and special steel product to the economy, the defense industry and other departments.

在钢锭模内采用耐高温多孔透气装置向钢液中吹入氩气，形成大、小气泡。大气泡在浮力的作用下使钢液循环流动，强化钢液内部传质和传热，减小成分偏析和降低过热度，钢液的强制对流可打断树枝晶，提高形核率，有利于获得细小的等轴晶和提高等轴晶率，同时钢液循环流动有利于夹杂物上浮去除；形成的小气泡在流动的钢液的惯性力作用下，可以被带到整个液相中，也可以起到净化钢液的作用。本项目针对这一新的模铸工艺进行系统的研究，考察在钢锭模内不同的吹氩工艺和浇铸工艺对小气泡形成机制、模内钢液流动、传热、传质、夹杂物去除和钢液凝固组织的影响。开展模铸吹氩形成大、小气泡对钢锭模内钢液进行搅拌和净化研究，对于开发新的模铸吹氩工艺，建立模铸过程吹氩工艺的知识体系，为特殊钢、大钢锭的模铸吹氩工艺提供理论基础，细化钢锭的凝固组织，提高钢锭的洁净度，改善钢材性能，提高成材率，为国民经济和国防工业等部门提供优质的和特殊的钢材都有重要意义。

研究发现，模铸浇铸过程底吹氩，可以改善模内混匀效果，特别对于高液面，显著降低混匀时间70%以上。在1:3的30t钢锭模模型中，两个透气砖底吹氩时，较好的透气砖距离钢锭模中心的位置为102~142mm处，总吹氩流量为0.05~0.07 m3/h。采用单个透气砖时，为获得对称的流场和温上升，上升砖偏心距23mm和透气砖偏心距30mm安装进行吹气；或采用单个环形透气砖，将其嵌套在上升砖外侧一起安装在钢锭模底部中心的位置。浇铸过程卷渣主要发生在液面高度小于100mm，在较低的液面下，进入模内的液体流股冲开液渣层，凸起的流股的回落流动，对液渣层产生剪切作用，产生卷渣。在合适的底吹条件下，模铸底吹氩并未恶化液面卷渣，上升到液面的气泡产生的液面流动还会阻碍凸起的液体流股回落流动时对液渣层的剪切作用，可减轻卷渣。透气砖产生的气泡直径不仅与透气砖表面气孔直径有关，还与透气砖表面气孔率有关，面气孔率过高，气泡直径大。在较低的液面，夹杂物去除率比高液面的大，模铸底吹氩可以提高夹杂物去除率20%~30%。数学模拟浇铸初期流体从上升砖注入的流股突起高度与试验测量高度吻合良好，数模计算的混匀时间与试验测量的混匀时间相近。在30t的钢锭模中，底吹氩对700mm以下的低液面的流场影响不大，但对1500mm以上的液面流场影响大，显著缩小了低速区的体积，使钢液温度均匀，具有温度梯度的区域显著减小，且温度差只有不吹氩时的二分之一。在熔体凝固模拟试验发现，底部不吹气时，枝晶的一次晶间距与二次晶间距都较大，平均一次晶间距为1.037mm、平均二次晶间距为0.188mm，枝晶结构较为稀疏，同时会产生疏松的现象。当透气砖砖心距为60mm、底吹气量为166ml/min时的一次晶间距与二次晶间距最小，分别为0.555mm与0.136mm。底部不吹气时，柱状晶较为发达，等轴晶的比例较小，仅为18.11%。当吹气时间为15min，底吹气量达到166ml/min时等轴晶的比例达到了37.80%。当吹气流量为76ml/min，吹气时间为25min时等轴晶的比例达到了40.16%。在高度为50mm与300mm处，不吹气时，凝固壳的厚度相差为4.1mm；底吹气量为166ml/min、吹气时间为15min时凝固壳的厚度差仅为1.4mm。