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铝作为合金元素加入到钢中,通过相应的炼钢、连铸及轧制等工艺生产出的高铝钢,性能优良,应用广泛。然而,由于钢液中高含量的Al易与保护渣中的SiO2反应,进而导致保护渣粘度和结晶性能等物理化学性质发生极大变化,引发铸坯表面质量问题。本文针对高铝钢连铸过程中渣-钢反应与结晶器流场进行模拟研究,讨论渣-钢反应动力学调控机制,系统分析调控机制对流场流速、液面波动和液面卷渣等方面的影响,以期为该钢种连铸工艺进一步优化提供理论指导。主要研究内容如下:(1)针对国内某钢厂现用的高铝钢保护渣开展渣-钢反应平衡试验,发现渣-钢反应初始10 min内,保护渣完成了由CaO-SiO2-Al2O3系向CaO-Al2O3系的演变。随着SiO2的消耗和Al2O3的生成,保护渣熔点迅速升高随后趋于稳定,而粘度升高后出现小幅波动,最后趋于稳定。另外,伴随着渣-钢反应,保护渣会出现结晶因子更大、熔点更高和边界更粗糙的结晶相,CaF2由树枝状结构演变为多面结构,钙硅酸盐逐渐演变为钙铝酸盐。(2)应用双膜传质理论,分析渣-钢反应平衡试验结果,确定了钢中Al传质为本试验条件下渣-钢反应的限制性环节;建立了渣-钢反应动力学模型,对渣中Al2O3成分预测与实际连铸和渣-钢反应高温平衡试验中Al2O3成分变化一致。建立了物理模拟试验平台对连铸高铝钢过程中的渣-钢界面传质现象进行模拟,分析其动力学调控机制。研究发现改变结晶器液面流速和液面波动能够有效地降低动力学容量传质系数;优化结晶器流场可实现对高铝钢连铸过程中渣-钢反应速率的控制。(3)应用水模型试验平台,研究高铝钢结晶器液面流速和液面波动的变化规律。粒子图像测速系统(PIV,Particle Image Velocity System)分析结果表明,结晶器1/4宽面附近的垂直方向流速较大,存在剪切卷渣风险;SEN(Submerged Entry Nozzle,浸入式水口)附近观测到旋转速度较高的漩涡,存在漩涡卷渣风险。快速傅里叶变换(FFT)和小波熵分析结果表明,结晶器液面波动可按频率分解为低、中、高三种基本波,低频波是导致液面波动剧烈的主要原因。增大SEN出口角度和浸入深度,降低拉速能显著地降低结晶器钢液流速和液面波动,进而降低渣-钢反应速率;增加结晶器宽度虽然能降低液面流速和波动,但扩大了渣-钢接触面积,导致容量传质系数增大和渣-钢反应时间延长。(4)分析了高铝钢结晶器液面卷渣两种机理,发现上辊流涡心被窄面挤压时,渣-钢界面稳定性差,易诱发剪切卷渣;低频波动易在SEN两测形成速度差和压力差,诱发漩涡卷渣。正交实验结果表明理论最优水口条件组合为-20°+凹底+145mm,且各SEN因素影响效果为出口角度>浸入深度>底部结构。使用优化后SEN进行窄断面模拟连铸试验,液面波高和流速降低,低频波影响力下降,SEN附近漩涡发生频率与深度明显减少,渣-钢反应速率减慢,平衡时间延长。工业试验结果显示,采用优化后的SEN,铸坯T[O]、大型夹杂物含量与冷轧板的翘皮协议材率明显降低。表明本研究对SEN条件的优化方案,不仅能控制高铝钢连铸过程中的渣-钢反应,还能降低卷渣风险。