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东北大学硕士学位论文 摘要 板坯连铸浸入式水口结构参数与工艺参数的 模拟与优化 摘要 随着拉速的提高，连铸结晶器内钢液流动状念发生改变，直接影响连铸坯的 质量。优化浸入式水口结构参数和工艺参数是改善结晶器内钢液流动方式的有效 手段，对提高连铸坯质量县有重要作用。 本文以鞍山钢铁公司第二炼钢厂大板坯连铸结晶器为研究对象，通过物理模 拟对浸入式水口结构参数和工艺参数进行优化，并研究了偏流对钢液流股冲击深 度、结晶器内液面波动等的影响作用。得到如下结论。 ( 1 ) 在本实验条件下，对于宽度为1 4 5 0 m m 的结晶器，当拉速为1 o m - m i n 。1 和 1 1 m m i n l 时，使用1 4 水口较合理，水口浸入深度为2 8 0 m m 。 ( 2 ) 在本实验条件下，对于宽度为1 2 8 0 m m 的结晶器，当拉速为1 2 m r a i n 4 时， 使用3 8 水1 5 1 较合理，水1 ：2 1 浸入深度为3 2 0 m m ；当拉速为1 3 m m i n o 时，则 使用l ”水口较合理，水口浸入深度为2 8 0 m m 。 ( 3 ) 随着滑动水口开启面积逐渐减小，偏流的程度会逐渐加大，强流与弱流差 别明显；同时，滑动水口丌启面积的减小也会加剧结晶器的液面波动，且 在弱流一侧表现得尤为明显。 ( 4 ) 如果浸入式水口一侧出口出现结瘤，则浚侧结晶器钢液流股相对变为弱流， 冲击深度变浅，结晶器内液面波动加剧。 关键词结晶器浸入式水口物理模型液面波动冲击深度偏流 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f s u b m e r g e de n t r yn o z z l ea n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sf o r s l a bc a s t i n g a b s t r a c t a st h ec a s t i n gs p e e di n c r e a s e s ，t h ef l o wp a t t e r n so fl i q u i ds t e e li nt h em o l dw i l lb e c h a n g e d ，w h i c ha f f e c t st h eq u a l i t yo fs l a bd i r e c t l y i ti sa ne f f e c t i v em e t h o dt oo p t i m i z e s t r u c t u r ep a r a m e t e r so fs u b m e r g e de n t r yn o z z l e ( s e n ) a n dt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s ， w h i c hc a ni m p r o v et h ef l o ws t a t eo fl i q u i ds t e e li nt h em o l da n da f f e c tt h eq u a l i t yo f s l a br e m a r k a b l y a c c o r d i n gt ot h em o l df o rs l a bc a s t e ri nt h es e c o n ds t e e l m a k i n gp l a n to fa n s h a n i r o na n ds t e e lc o m p a n y ，ap h y s i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dt oo p t i m i z es t r u c t u r e p a r a m e t e r so fs e na n dt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s t h ee f f e c t so fd e v i a t i o nf l o wo ns t e e l f l u i di m p a c td e p t ha n ds u r f a c ef l u c t u a t i o ni nt h em o l dw e r ea l s os t u d i e di nt h i sp a p e r ， t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，f o rt h em o l dw i d t ho f1 4 5 0 m m ，w h e nt h e c a s t i n gs p e e dw a s1 0 m m i n 1a n d1 1m m i n r e s p e c t i v e l y 1 “n o z z l ew a s s u i t a b l ef o rc o n t i n u o u sc a s t i n g ，a n dt h ei m m e r s i o nd e p t ho ft h en o z z l ew a s 2 8 0 m m ( 2 ) u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，f o rt h em o l dw i d t ho f12 8 0 m m ，w h e nt h e c a s t i n gs p e e dw a s1 2m m i n ，3 ”n o z z l ew a ss u i t a b l ef o rc o n t i n u o u sc a s t i n g ，a n d t h ei m m e r s i o nd e p t ho ft h en o z z l ew a s3 2 0 m m w h e nt h ec a s t i n gs p e e dw a s1 3 m m i n ，1 8n o z z l ew a ss u i t a b l ef o rc o n t i n u o u sc a s t i n g ，a n dt h ei m m e r s i o nd e p t h o f t h en o z z l ew a s2 8 0 r a m ( 3 ) a st h eo p e n i n ga r e ao ft h es l i d i n gn o z z l ed e c r e a s e d ，t h ea s y m m e t r i cf l o wo f l i q u i dw a sv e r ys e r i o u s ，t h ed i f f e r e n c eo fs t r o n gf l o wa n dw e a kf l o ww a sv e r y o b v i o u s ，a n dt h es u r f a c ef l u c t u a t i o nb e c a m ev e r ys e v e r e ( 4 )w h e nt h eb l o c k a g eo nas i d eo f t h ei n n e rw a l io fs e n w a sf o r m e d ，t h ef l u i df l o w d e c r e a s e df l o wr e l a t i v e l y ，t h ei m p a c td e p t hd e c r e a s e d ，a n dt h es u r f a c ef l u c t u a t i o n j n c r e a s e da tt h es a m es i d eo f t h em o l d ， k e yw o r d sm o l d ，s u b m e r g e de n t r yn o z z l e ( s e n ) ，p h y s i c a lm o d e l ，s u r f a c e f l u c t u a t i o n ，i m p a c td e p t h ，a s y m m e t r i cf l o w 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：冯巍 日期：2 口咕乙 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：签字日期： t 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 一个多世纪以来，在产业结构调整、原材料紧张、能源短缺、环境生念同益 倍受关注、消费者要求更加苛求的压力下，传统工业特别是以钢铁为代表的金属 材料工业，一直在追求技术进步和进行设备改造。连续铸钢作为钢铁初坯生产中 的一种广泛采用的工艺，在钢铁生产领域占有举足轻重的地位。随着科学技术的 进步，连铸技术也必然向高效、优质的方向前进【”。 1 1 连铸发展概况 液体金属连铸的概念早在1 9 世纪中期就已提出。1 8 4 0 年美国人赛勒斯( s e l l e r s ) 获得连铸铅管专利。1 8 4 6 年转炉的发明者贝氏麦( b e s s e m e r ) 使用水冷旋转双辊式 连铸生产铝箔、铅板和玻璃板。1 8 7 2 年美国戴维尔提出移动结晶器连续浇注的概 念，并于1 8 8 6 1 8 8 9 年提出垂直浇注的立式连铸机的设计。1 9 2 1 年皮尔逊提出 结晶器振动概念，使铸坯与结晶器之间做连续相对运动。1 9 3 3 年，连铸的先驱者 德国人容汉斯( j u n 曲a n s ) 建设了第一台月生产量1 7 0 0 t 立式带振动结晶器的连铸 机。1 9 4 3 年，容汉斯又在德国建成第一台浇注钢水的试验性连铸机【2 j 。 而后，连续铸钢经历了上世纪5 0 年代的工业应用阶段和6 0 年代的工业性推 广阶段。在此期间，连铸技术的应用实现了一次真正的突破由立式铸机发展 为弧形铸机。使用弧形铸机不仅提高了生产率，降低了设备投资，而且更有利于 在原有的钢厂内安装。在产品质量进步方面，成功地开发了浸入式水口和连铸保 护渣技术并使之成为一项标准化操作；还进行了钢包一中间包一结晶器问钢流的 全保护，铸坯宏观组织、浇铸断面和浇铸条件对中心疏松和偏析的影响等课题的 研究。在提高生产率方面，出现了快速更换中间包、钢包车和转台及中间包加热 等实现连炉浇铸的技术和装备。尤其是英国谢尔顿( s h e l t o n ) 厂1 9 6 4 年率先在 世界上实现了全连铸。 在上世纪7 0 年代，连铸技术已呈现大发展的局面，发展目标旨在进一步提高 铸机生产能力和改善产品质量。其中包括早期的高速连铸试验。如日本钢管公司 福山厂板坯连铸速度曾达到2 m m i n 。还发现提高速度有利于改善低碳铝镇静钢 板坯表面质量。在耐火材料方面引入了钢包滑动水口代替塞棒，大大降低了钢包 的故障率。此外，还开发了多孔式浸入式水口、结晶器液面自动控制、中间包塞 棒吹氩、结晶器电磁搅拌、二次冷却区铸流电磁搅拌和凝固末端轻压下技术p j 。 上世纪8 0 年代中期以来，钢铁工业发达国家为了更进一步提高连铸机的生产 东北大学硕士学位论文第一章绪论 效率，实现连铸机与炼钢炉和轧钢机的良好匹配，积极开发并应用了高效连铸技 术【4 j 。高效连铸技术包括高速浇铸、高连浇率、高作业率、高铸坯质量和近终形 连铸在内的系统技术。其中高速浇铸是提高铸机生产率的重要手段，它己成为连 铸技术发展中的重大课题之一。 所谓高速连铸，通常是指在连铸机的机长及操作、工艺技术条件允许范围内 和确保铸坯表面和内部质量的前提条件下可以实现的高速度浇注。近十几年来， 高速浇铸技术在钢铁工业发达国家的一些现代化钢厂已得到普遍应用，并取得了 巨大的经济效益，表1 1 显示了几个世界著名钢厂的板坯连铸生产水平。 与国外先进钢厂的连铸机相比，国内连铸机的浇注速度比较低，大部分在 3 0 t r a i n 。以下( 见表1 2 ) ，因此高速连铸在我国的发展势在必行。 表11国外板坯迕铸生产水平5 1 t a b l e1 1p r o d u c t i o nl e v e lo f s l a bc a s t i n ga b r o a d 表1 2 我国板坯连铸生产水平 t a b l e1 2p r o d u c t i o nl e v e lo f s l a bc a s t i n gi nc h i n a 但高速连铸生产也存在些问题。首先，进行高速连铸生产会使结晶器内凝 东北大学硕士学位论文第一章绪论 固壳减薄，增大坯壳与结晶器壁之间摩擦力，增加了发生漏钢事故的可能性；其 次，随着拉速的提高，由浸入式水口流入结晶器的钢流速度增加，从而加剧了钢 流上回流对液面的扰动，易使保护渣被卷入连铸坯内产生缺陷；另外，钢流速度 增加，必然造成下回流的涡心位置下移，增加了钢液中夹杂物和气泡被带入铸坯 深处的机会，降低了铸坯的纯净度口 。可见，研究结晶器冶金对于在提高拉速的 条件下保证连铸坯的质量具有十分重要的意义。 1 2 结晶器冶金的作用 结晶器在连铸生产设备中是非常重要的部件，被称为连铸机的“心脏”。结 晶器冶金是去除钢液中夹杂物的最后机会，对于提高连铸坯质量具有十分重要的 作用2 1 。 ( 1 ) 在凝固坯壳生长均匀性方面：使用浸入式水口改善了流股对结晶器宽面 冲刷和热对流作用，使坯壳均匀生长，但对结晶器窄面凝固坯壳有冲刷和再熔化 作用。 ( 2 ) 在结晶器内钢液微合金化方面：结晶器喂包芯线可使合金元素在铸坯中 分布基本均匀，良好地完成钢水的合金化。而结晶器喂稀土丝，可改善铸坯凝固 组织，改善铸坯中硫化物夹杂形态和分布，使钢材在塑性、韧性等方面的效果明 显提高。 ( 3 ) 在液相穴夹杂物的上浮与排除方面：结晶器液相穴中的夹杂物一部分随 环流被带到钢渣界面；一部分随向下冲击流股被带入液相穴深处。前者有利于夹 杂物被保护渣吸收。而后者夹杂物能否顺利上浮主要取决于流股冲击深度。 ( 4 ) 在凝固组织的控制方面：在结晶器内加微型冷却剂( 如微细铁末，喂入 薄钢带) 或喷入金属粉末，以吸收钢水过热度，使结晶器内钢水在液相线温度凝 固，增加连铸坯等轴晶区，改善铸态组织，减轻中心偏析。 以上这些作用都是依靠结晶器内钢水合理流动丽实现的。因雨，深入了解和 控制结晶器内钢液流动行为是解决高速连铸生产问题、保证高速连铸过程顺利进 行、提高连铸坯质量的关键。 1 3 本课题研究的目的及意义 随着拉速的提高，连铸结晶器内钢液流动状态发生改变，直接影响连铸坯的 质量。优化浸入式水口结构参数和工艺参数是改善结晶器内钢液流动方式的有效 手段，对提高连铸坯质量具有重要作用。 本课题通过优化连铸浸入式水口的结构参数和工艺参数，改善结晶器内钢液 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 固壳减薄，增大坯壳与结晶器壁之间摩擦力，增加了发生漏钢事故的可能性：其 次，随着披速的提高，由浸入式水口流入结晶器的钢流速度增加，从而加剧了制 流上回流对液而的扰动，易使保护渣被卷八连铸坯内产生缺陷；另外，钢流速度 增加，必然造成下回流的涡心位置下移，增加了钢液中夹杂物和气泡被带入铸坏 深处的机会，降低了铸坯的纯净度口j 。可见，研究结晶器冶金对于在提高拉速的 条件下保证连铸坯的质量具有十分重要的意义。 1 2 结晶器冶金的作用 结晶器在连铸生产设备中是非常重要的部件，被称为连铸机的“心脏”。结 晶器冶余是去除钢液巾夹杂物的最后机会，对于提高连铸坯质量具有十分重要的 作用 ”。 ( 1 ) 在凝固坯壳生长均匀性方面：使用浸入式水口改善了流股对结晶器宽而 冲刷和热对流作用，使坏壳均匀牛长，f e l 对结晶器窄面凝固坯壳有冲刷和再熔化 作用。 ( 2 ) 在结晶器内钢液微合盒化方面：结晶器喂包芯线可使合金元素在铸坯中 分稚基本均匀，良好地完成钢水的合奈化。而结晶器喂稀土丝，可改善铸坯凝固 组织，改善铸坯中硫化物夹杂形态和分粕，使钢材在塑性、韧性等方面的效果明 显提高。 ( 3 ) 在液相穴夹杂物的上浮与排除方面：结晶器液相穴中的夹杂物一部分随 环流被带到钢渣界面：部分随向下冲击流股被带入液相穴深处。前者有利于夹 杂物被保护渣吸收，而后者央杂物能舌jj l j 孵o 上浮主要取决于流股冲击深度。 ( 4 ) 在凝固组织的控制方面：在结晶器内加微型冷却剂( 如微细铁末，喂入 薄钢带) 或喷入金属粉末，以吸收钢水过热度，使结晶器内钢水在液相线温度凝 固，增加连铸坯等轴晶区，改善铸态组织，减轻中心偏析。 以上这些作用都是依靠结晶器内钢水合理流动面实现的。因而，深入了解和 控制结晶器内钢液流动行为是解决高速连铸生产问题、保证高速连铸过程顺利进 行、提高连铸坯质量的关键。 1 3 本课题研究的目的及意义 随着拉速的提高，连铸结晶器内钢液流动状态发生改变，直接影响连铸坯的 质量。优化浸入式水口结构参数和工艺参数是改善结晶器内钢液流动方式的有被 手段，对提高连铸坯质量具有重要作用。 本课题通过优化连铸浸入式水口的结构参数和工芝参数，改善结晶器内钢液 本课题通过优化连铸浸入式水口的结构参数和工艺参数，改善结晶器内钢液 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的流动方式，抑制结晶器内卷渣，促进钢液中夹杂物上浮，为提高连铸坯质量创 造条件。 1 4 本课题的主要研究内容 本研究是以鞍钢第二炼钢厂的大板坯连铸结晶器为研究对象，通过物理模拟 优化连铸浸入式水口结构参数和工艺参数，主要研究内容包括： ( 1 ) 连铸浸入式水口结构参数和工艺参数优化的模拟实验 研究连铸浸入式水口结构参数( 侧孔倾角、侧孔面积、侧孔形状) 和工艺参 数( 拉速、水口浸入深度) 对结晶器内钢液流股冲击深度、液面裸露、液面波动 及卷渣的影响，并在此基础上进行优化设汁。 ( 2 ) 连铸结晶器内偏流行为的模拟实验 研究使用滑动水口及水口结瘤情况下产生的偏流对结晶器内钢液流股冲击深 度、液面裸露、液面波动及卷渣的影响。 - 4 一 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 第二章文献综述 弟一早义陬练迎 2 1 结晶器内钢液流动行为的分析 2 1 1 结晶器流场的基本特征 对于板坯连铸生产，当采用侧孔倾角向下的双侧孔浸入式水口进行浇注时， 来自水口的钢液沿直线流向结晶器窄面，且在行进过程中不断扩张，流速逐渐降 低，到达窄面后分为上升流和下降流两大流股，如图2 1 所示。 上升流股沿窄面向上流动，到达弯月面后才改变方向流向水口，在液面处形 成两个回流。这两个回流对夹杂物的上浮和弯月面的波动产生直接影响，决定钢 渣卷混状况，同时也为保护渣的熔化提供热量，决定了熔融保护渣层的厚度。 下降流股沿窄面继续下行，达到一定穿透深度后，流向结晶器中心，形成两 个与上部回流循环方向相反、范围更大的回流区，其强度向下衰减，此流股对结 晶器下端及二冷段的结晶组织产生直接影响。 上下部回流区的大小和强度取决于水口侧孔倾角、水口浸入深度、结晶器宽 度、吹气和拉坯速度等脾j 。 1 2 3 l 伊) 、l苎& 擘：! q k 印1 - r 碉 阉舔 潲潲 l 一浸入式水口2 一上部同流区3 一下部同流区 图2 1 结晶器流场示意图 f i g 2 1 f l o wf i e l di nam o l d 5 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 1 2 结晶器内的液面波动现象 在连铸过程中，液态钢水通过浸入式水口进入结晶器内，在冲击到结晶器窄 面后流股分开形成上下两个回流区。上回流区沿结晶器窄面向上返流到结晶器钢 液面附近，向结晶器浸入式水口方向流动。回流区和保护渣之间的作用力，引起 了结晶器窄面附近的液面波动，在弯月面附近存在着明显的波峰和波谷。 k u b o t a 等人【7 1 研究发现：结晶器窄面钢液面波动包括频率不同的两种波 短波和长波。短波( 频率l h z 2 h z ) 是由结晶器振动引起的：长波( 频率0 1 h z ) 是上回流流股对液面的冲击造成的，对铸坯质量影响很大。 结晶器液面波动剧烈，可导致弯月面不稳定，使保护渣被卷入初生坯壳，易 出现铸坯表面夹渣，甚至发生漏钢事故：另外，液面波动不稳定会造成保护渣分 布不均，使液渣不能均匀流入初生坯壳和结晶器问的缝隙，产生不均匀的热流， 导致铸坯出现纵向裂纹。蔡开科等人 2 1 认为当结晶器液面波动处于3 n 3 n q 5 m m 时铸坯质量最好。 影响液面波动的主要因素是浸入式水口的结构和工艺参数，这些参数包括浸 入式水口的出口角度、水口浸入深度、保护渣粘度、拉速等【8 1 ”。 2 1 3 结晶器内钢液卷渣现象 高速连铸结晶器内的卷渣行为从形成机理上划分可分为回流卷渣和漩涡卷渣 1 1 2 , 1 5 , t 6 1 。 2 1 3 1 回流卷渣 当从水口注入的钢流速度过大时，易在结晶器窄面处形成回流卷渣；而当水 口浸入深度太浅而拉速又较低时，易在水口出口处形成回流卷渣。 ( 1 ) 在结晶器窄面处的回流卷渣 钢水从水口出口射出向结晶器窄面冲击后，分为上下两个流股，上部流股沿 窄面向上运动，到达弯月面处后又从窄面沿钢一渣界面向水口方向运动形成结晶 器流场中的上部回流。在这一运动过程中，沿窄面向上的流股因具有向上的速度， 必造成弯月面附近的钢液面波动，钢流在由窄面向中心流动时对钢一渣界面产生 剪切作用，使一部分保护渣在此流股方向上被延伸。由于浮力的作用，使渣须的 上部产生径缩和翘曲，径缩处的直径随渣须的伸长越来越细，最后断裂成渣滴。 此渣滴被卷入钢液后有可能被凝固坯壳的前沿捕捉，形成皮下夹渣n ”。形成过程 如图2 2 所示。 雨包燕平等人 1 8 1 认为由于向上流股作用，钢一渣液面形成驻波在驻波波谷 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 处，液态保护渣受从波峰处下降的钢液的剪切作用，卷入钢液流场形成卷渣。 n a k a t oh 等人【1 9 】认为产生结晶器窄面卷渣的条件可用下式表示： ( 1 2 ) v 2 f 。 ( 2 0 r r ) 十( p n ) 船 ( 2 1 ) 式中v 为钢液回流的表面速度，t 9 为钢液密度，p 。为熔渣密度，g 为重力加速度， r 为渣粒半径，盯为熔渣粒表面能，f 。为熔渣速度差造成的剪切力。 由式( 2 1 ) 分析可知，随钢液上回流表面速度的增大，被卷入的渣粒直径也增 大；对相同粘度的保护渣，钢液回流的表面速度越小，越不容易产生这种卷渣现 象。 t i m e = l t i m e - - 2 t i m e = 3 t i m e - - 4 图2 2 结晶器窄面处同流卷渣形成过群 f i g 2 2f o r m i n gp r o c e s so f s l a ge n t r a p m e n tn e 月l rn a l t o ww a l lo f am o l d ( 2 ) 在浸入式水口处的回流卷渣 当浸入式水口浸入较浅且拉速较低时，从水口侧孔流出的部分流股冲击不到 结晶器窄面而向上运动，并在到达钢一渣液面后改变方向向浸入式水口运动，形 成一个小范围的回流。沿钢一渣液面运动的钢水具有向下的分速度，将聚集在浸 入式水口侧壁的液态保护渣拖入钢水中，被水口射出的流股捕获，进入结晶器内 部形成卷渣，如图2 3 所示i l ”。 2 1 3 2 漩涡卷渣 研究 1 2 , 1 5 , 1 6 , 2 0 】表明，在浸入式水口附近及结晶器中心处存在漩涡。其形成机 理为： 蓦 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 ( 1 ) 在结晶器出口处，由于水1 3 对中不良、水口堵塞或水口冲蚀造成水口两 侧流股在浸入式水口出口的速度和方向不对称，从而使两个上回流股在水口附近 产生相互作用，当两流股的速度差达到一定值时，速度较小的一侧将产生旋转流 动，进而产生漩涡，这种漩涡把保护渣卷入钢液内部形成夹渣缺陷，如图2 4 所 不o ( 2 ) 由于射流从水1 3 流出时形成负压，导致在水口两侧形成汇流漩涡。 图2 3 浸入式水口处同流卷渣形成过程 f i g 2 3f o r m i n gp r o c e s so f s l a ge n t r a p m e n tn e a rs e n 图2 4 漩涡形成示意图 f i g 2 4 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f v o r t e xf o r m i n g 漩涡的产生需要有一定的发展空间，当结晶器内流场对称，两流股的作用点 发生在水口与结晶器宽面之间的液面时，由于空间狭小，可以避免或显著减小漩 涡的产生，所以控制两个上回流流股的速度差异并使两流股相遇的作用点位于水 - 8 一 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 口同结晶器宽面之间，可以限制或避免漩涡的产生。 2 1 4 结晶器内流场的偏流现象 结晶器流场内的偏流现象是指钢液从浸入式水口两侧孔射出后形成的流场分 布不沿结晶器中心对称。产生偏流的原因有很多：浸入式水口内部结瘤堵塞，浸 入结晶器内部的水口没有对中，水口内耐火材料受钢水侵蚀而残缺以及滑动水口 的丌启( 如图2 5 所示) 等 2 1 0 “。 w a n gyh t 2 3 】通过研究发现偏流与水口侧中孔面积比有关，随着板坯宽度增 加，偏流变得更加严重。 形成高速钢水 流，将保护渣卷 闰2 5 结晶器内流场偏流示意图 f i g 2 5 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fa s y m m e t r i cf l o wi nam o l d 发生偏流会导致结晶器流场内两侧对称位置钢水的流速不同。两侧上回流在 钢液表面流速不同易产生漩涡，出现漩涡卷渣，两侧下回流对结晶器窄面冲击深 度及冲击压力不同会导致结晶器两侧凝固坯壳不能均匀生长，可能使连铸坯出现 裂纹甚至出现漏钢事故【2 lj 。 为了抑制结晶器流场内形成偏流，s h i n i c h i r o 等人【2 4 l 采用在浸入式水口底部 放置一个小旋转涡轮来产生涡流，利用涡流产生的向心力控制水1 3 流出的流体的 方向，改善结晶器内流体的运动。 2 1 5 结晶器液面裸露现象 液面裸露易发生在拉速较大的情况下，此时结晶器内上回流的上升流股到达 9 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 弯月面后在水平方向对保护渣的剪切力使保护渣向水口方向移动，当剪切力达到 一定程度时，靠近结晶器窄面的保护渣无法完全覆盖在钢水液面上，使部分高温 钢液暴露在空气中，发生二次氧化，影响钢液的纯净度。 段岽雯1 2 5 j 通过对结晶器液面保护渣的受力分析详细阐述了结晶器钢液面裸 露的形成机理。结晶器内钢液流股的上回流沿结晶器窄面到达液面后，向浸入式 水口方向流动。弯月面处的保护渣在高温下熔融后，在水平方向主要受力为：自 身的内摩擦力 、与钢水的内摩擦力厅、浸入式水口侧壁对保护渣的反作用力五。 保护渣在水平方向受到的合力f 为：f i 币场西。根据牛顿粘性定律，内摩擦力的 大小与受力面积和速度梯度成正比。当拉速较小时，保护渣能够良好的覆盖弯月 面处的钢水；随着拉速的增大，弯月面处的钢液流速增大，摩擦力也随之增大； 当增大到一定程度时，摩擦力大于浸入式水口侧壁对保护渣的反作用力，此时保 护渣将随着钢液一起向浸入式水m 方向运动，于是出现了钢液面的液面裸露。 2 1 6 冲击深度 所谓冲击深度即流股从浸入式水口侧孔流出后向结晶器下部冲击到达窄面的 碰撞点距弯月面的最大距离。冲击深度是影响结晶器内钢液凝固坯壳形成的重要 因素。浸入式水口的结构参数、拉速、浸入深度、吹气等都对冲击深度有影响。 冲击深度过大，则高温的钢液熔化初生的凝固坯壳，从而导致不均匀凝固坯壳的 形成，严重时会发生漏钢事故。而冲击深度过小，则会导致液面波动剧烈，出现 卷渣现象，影响连铸坯的质量。因此，合理控制冲击深度对于改善结晶器内部流 场尤为重要。 2 2 结晶器内钢液流动行为的主要影响因素 2 2 1 浸入式水口结构参数对结晶器内钢液流动的影响 浸入式水口( s e n ) 的主要功能是保护钢流，防止钢水二次氧化；改变注流 在结晶器内的流动状态，减少注流的冲击深度，促进夹杂物在结晶器内上浮；分 散注流带入的热量，有利于坯壳均匀生长。因此，研究浸入式水口结构参数对结 晶器内钢液流动的影响对于提高连铸坯质量十分重要。 2 2 1 1 浸入式水口侧孔倾角对结晶器内钢液流动的影响 在研究结晶器内的钢液流动行为时，侧孔倾角是一个很关键的因素。浸入式 水口的出口侧孔倾角可分为三类：向上的倾角、向下的倾角、水平倾角。在板坯 连铸生产中一般多使用侧孔倾角向下的水口。 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 陈永范等人【l0 j 利用断面为1 4 5 0 m m x 2 0 0 m m 的大板坯结晶器的1 ：1 模型进行 物理模拟实验，当水口出口角度分别为向下1 5 0 和向下2 5 。时，结晶器内流体基本 特征没有变，但角度增大使射流冲击点下移，回流区涡心略有下移，液面波动减 轻。 马范军等人1 2 8 j 利用商业软件p h o e n i c s 建立了一个三维有限差分模型，研究 了浸入式水口侧孔向下倾角分别为1 3 。、1 5 。、1 8 0 、2 1 。时，倾角角度对结晶器液 面紊动能分布状态的影响。下倾出口角度越大，则钢液面的紊动能越小，且最大 值仍出现在靠近窄面的液面区域。这是因为当下倾角度增大时，流股从水口冲出 后，流股流出角度增大，对结晶器窄面的冲击点下移，上回流部分的流股动能随 下倾角度增大而减弱，对液面的振动减弱，因而液面紊动能减小。 众多的物理模型和数学模型研究表明，2 6 “1 ，当水口侧孔倾角是向下倾斜 时，在水口侧孔面积和拉速一定的情况下，随着向下角度的增大，在结晶器内的 上回流区和下回流区，钢水流股的向上流动趋势都减弱，热钢水易冲到液相穴深 处，这不利于结晶器内非金属夹杂物的上浮：但与此同时，钢水流股对熔池表面 的冲击强度减弱，从而减缓了表面波动，能减少保护渣被卷入的可能，有利于保 持液面平稳。但由于随着水口向下角度的增大，流股冲击深度较深，结晶器内钢 水热中心下移，对初生坯壳将有一定影响。 此外，f e r r t t i 等1 2 圳还研究了侧孔倾角为零度和向上倾斜的条件下流体流动形 态的变化情况。得到结论：当侧孔倾角为零度时，流场有四个回流区，上部回 流区的扩展角要大于负倾角的扩展角，下部回流区的冲击深度变浅。当侧孔倾 角向上时，结晶器内流体的流动形态有所不同。倾角为向上5 0 时，因为倾角角度 较小，结晶器内流体的流动形态与零度时的流场相似；当倾角为向下1 5 。、向下 2 5 0 时，结晶器上部的两个回流区消失，并在弯月面处出现两个漩涡，结晶器内只 有两个大的回流区。 2 2 1 2 浸入式水口侧孔形状对结晶器内钢液流动的影响 浸入式水口侧孔形状有圆形、椭圆形、方形、矩形。水口侧孔形状对结晶器 流场形态没有太大的影响，但影响流股的速度【2 “。 t s u k a m o t o 3 0 l 利用1 ：1 物理模型研究发现在浸入式水口出口面积相同条件下， 与圆形侧孔相比，从方形侧孔流出的流股喷出速度大，流股冲击深度也大。但方 形侧孔的散射程度小，流股对结晶器窄面的冲刷小，利于坯壳均匀生长。椭圆形 出口的较高部位存在较大的压力差，因此钢液流不稳定。 雷洪等人【6 】利用自行开发的三维流场计算软件，对武钢二炼钢板坯连铸机结 晶器内钢液流动进行了数值模拟，研究发现：与圆形水口相比，长方形水口能有 效地减小卷渣发生的可能性。 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 2 1 3 浸入式水口面积对结晶器内钢液流动的影响 雷洪等人1 9 年l j 用薄板坯结晶器模型研究了浸入式水口面积对结晶器内钢液流 动的影响。随着水口面积的增大，明显降低了水口出口处钢水流股速度，流股冲 击窄面的速度也相应降低，由此引起的弯月面及自由表面处的波动本应是降低的， 但因为水口处钢水流股速度的偏角并不等于水口张角，而是由于惯性力的作用， 稍微向下偏转，使钢流冲击点降低。当流速较低时，由惯性力引起的偏角略小一 些；当流速较高时，由惯性力引起的偏角也较大一些。所以，水口面积的增大， 降低了水口处钢水流股的速度，一方面会减小流股冲击点速度，使表面波动降低； 另一方面，由于钢流速度偏角的减小，造成冲击点上移引起更大的波动。因此， 水口面积的增加对液面波动有着正反两方面的影响。当拉速较低时，钢水流量较 小，增大水口面积，通过减小钢水流股的初速度来达到减小波动的意义不大；相 反，由此而引起的副作用却比较大。两个矛盾因素综合的结果，在低拉速时，较 大的水口面积所对应的波动比较小的水口面积还要大；反之，当拉速较高时，钢 水流量较大，增大水口面积则会取得较满意的效果。 2 2 1 4 浸入式水口内底部结构对结晶器内钢液流动的影响 水口底部结构可分为平底型、凹型、凸型三种结构，如图2 6 所示。 囫囫囫 囫囫 囫 励蚴秘 平底形 凹形 图2 6 浸入式水口底部形状 f i g 2 6s h a p eo f s e nb o t t o m 凸形 t s u k a m o t o 等l 蚓利用1 ：l 物理模型研究了三种底部结构的水口对射流出口速 度的影响，得到如下结论：使用凸形水口时，射流在水i z ：l 下部速度大，这时会引 起水口上部的回流。当使用平底形和凹形水口，这种回流得到有效抑制。原因是 钢流同水口底部相碰撞后对出口射流产生干扰作用。但使用凹形水口后，在用三 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章丈献综述 滑板控制的水口底部会产生旋转流动，这种旋转流导致流股流出侧孔后偏离向窄 面冲击的方向而先到达宽面。射流喷出后也有一定的旋转作用，但到达宽面并碰 撞后，在旋转分力的作用下，会使流股向上运动而引起结晶器内钢液的波动，同 时又对宽面坯壳的均匀生长不利。 万晓光等人i l2 j 提出使用凹形水口可以减少流股结晶器窄面的冲刷，降低流股 在结晶器内的冲击深度，使涡心高度上升，利于夹杂物和氩气泡的上浮以及保护 渣的熔化。 2 2 1 5 浸入式水口对中对结晶器内钢液流动的影响 浸入式水口在结晶器中心对中偏差大于5 ，会导致水口出口钢流向结晶器 一边的不均匀流动，造成凝固壳不均匀冲刷。浸入式水口的精确对中，能使出口 钢流每隔5 m i n 1 0 m i n 循环交替从结晶器一个宽面流向另一个宽面，使流动均匀 分布。这就是流体力学中的“翻转现象”【2 。 李宝宽等人1 2 i j 通过物理模拟和数学模拟得出结论：浸入式水口偏离结晶器中 心可产生涡流，涡流强度取决于拉速和水口偏离中心的程度。 2 2 2 连铸工艺参数对结晶器内钢液流场的影响 2 2 2 1 拉速对结晶器内钢液流动的影响 研究表呼1 0 , 1 2 , 3 1 】：结晶器内的湍流流动一旦形成，就有一定的稳定性，改变 拉速并不会影响流场的基本形态。随着拉速的提高，可促进钢液流动活跃，减小 流动死区，改变弯月面钢液热焓均匀性，从而对增加坯壳的均匀性等都有帮助。 另一方面，拉速提高则钢液从浸入式水口出口射出的速度增大，撞击结晶器窄面 的位置下移，上下回流区的中心也下移，不利于钢液中夹杂物和气泡上浮。如果 拉速过大，对流场会带来更多的不利影响。 2 2 2 2 水口浸入深度对结晶器内钢液流动的影响 陈永范等人【l0 】利用断面为1 4 5 0 m m 2 0 0 m m 大板坯结晶器模型进行物理模拟 实验，研究了水口浸入深度分别为1 0 0 m m 、3 0 0 m m 时结晶器内流体流动情况。 研究发现，随水口浸入深度的增加，射流冲击点下移，上、下部回流区的涡心也 明显下移，这样对夹杂物上浮不利；相反，则结晶器液面扰动加剧，卷渣机会增 加。 朱苗勇等人1 27 j 通过数学模拟计算了不同浸入深度下结晶器内的流场，如图2 7 所示。随着水口浸入深度增加，熔池表面附近向上运动的回流范围变得越来越大， 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 熔池表面的湍动减弱，这有利于降低保护渣卷入的可能性，阻止产生新的夹杂物。 但向下回流的涡心位置却下移，这将减少从中间包进入结晶器中央杂物的上浮机 会，同时因将更多的高温钢水带到结晶器的下部而影响了凝固壳的生长速度。 从以上研究可知，水口浸入深度对液面波动和流股冲击深度有重要影响：水 口浸入深度过深或过浅都会给结晶器流场带来不利的影响。所以在生产中设置合 理的浸入深度是值得注意的问题。 o 1 5 0 m 0 2 6 6 m o 3 8 0 r n 图2 7 水口浸入深度对结晶器内流动的影响 f i g 2 7 e f f e c to f i m m e r s i o nd e p t ho f s e no i lf l o wf i e l di nam o l d 2 2 2 3 吹气对结晶器内钢液流动的影响 在连铸生产过程中，为防止水1 2 1 堵塞，常采用塞棒吹氩或水1 2 1 吹氩。吹氩对 影响钢液在结晶器内的流动行为，促进钢液中的夹杂物上浮去除也有重要影响。 塞棒吹气是通过塞棒中空管将气体导入：水口吹气是采用狭缝畎气方式，即 气体通过设在水口上侧面的导管进入狭缝气室后，经由水口内壁的透气材料流出， 如图2 8 1 3 2 l 。 通过吹氩，可使浸入式水口内部形成诈压力环境，氩气泡在水口内和钢水充 分混合，大大减少了夹杂物与水口内壁的接触机会，有效防止了水口结瘤。氢气 泡随流股从浸入式水口侧孔流出后冲向结晶器窄面，大部分气泡会上浮。在上浮 过程中，氩气泡能够和钢水中夹杂物发生碰撞并互相吸附，当其上浮至液渣层时， 夹杂物得以排除。但还有部分小气泡随沿窄面向下的流股冲击到结晶器的下部回 流区，这部分气泡在上浮过程中，会碰到凝固坯壳的内弧侧而被捕捉，引起泡疤、 针孔和重皮等铸坯缺陷。 1 4 圜湖溯测 一薷隧鞫溺测浏一廖黟瞳斓澜湖斓 一黪黪熙艇一 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 4 1 一浸入式水口2 一进气嘴 3 一透气层4 一气室 图28 吹气型水日示意图 f i g 2 8t h eg a s - b l o w nn o z z l e 2 雷洪等人【9 】曾通过物理模拟实验研究水口吹氩对结晶器内流体流动的影响。 研究表明：与无氩气吹入相比，当浸入式水口通入氩气时，由于氩气泡的浮力， 明显改变了结晶器上部的流场形态，注流冲击点上移，结晶器上回流中心上移并 偏向水口。当其它条件不变时，在水口附近随着距水口位置的由近及远，钢水流 股速度逐渐减小，并趋于均匀，单位体积的惯性力逐渐减小，浮力作用表现得越 来越明显。当气量较小时，气泡穿过上回流区后，受自由表面附近流体流动的影 响，使气泡偏向结晶器中部，即从水口两侧向水口处汇集；而气量较大时，由于 气泡对周围流体抽引能力的加强，改变了流场状态，因而在上浮过程中基本呈竖 直上浮，至自由表面附近受表面处流体流动的影响，略微向外( 或向内) 倾斜。 随着吹气量的增加，水口出口处气泡与钢液所占面积比增大，要保证相同的流量， 水口处钢水流股的速度需增大，导致气泡的穿透能力增强，由气泡在液面破裂造 成的弯月面波动也相应增大，但与此同时，由于非金属夹杂粘附于气泡上，使得 来自中间包的夹杂有充分上浮至液面的机会，有利于减少皮下夹杂的产生。同时 大量的吹氩明显地改变了流场形态，使结晶器上部回流的中心上移并偏向结晶器 水口，弯月面处的上升流逐渐向下降流转变，使卷渣的可能性增加。 高文芳【”】曾采用三种吹气方式：塞棒吹气、水口吹气、水口与塞棒同时吹气， 研究吹气对结晶器流场影响。得出结论：采用水口吹气和水口与塞棒同时吹气后， 1 5 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 速度场及两相区的气流分布均优于塞棒吹气工艺。水口与塞棒同时吹气和单一水 口吹气相比整个流场的速度场及两相区气流分布更加均匀，特别是水口与塞棒同 时吹气时向上流股的速度比单一水口吹气大，这一点对保护渣的熔化及夹杂物的 上浮非常有利。 对于吹气量多少为宜的问题，小舞忠信驯认为吹气量不超过一临界值时气泡 呈细小均匀分御效果最佳。但当吹气量超过这一l 临界值时，结晶器液面产生较大 扰动，增大卷渣机会。 2 2 2 4 结晶器宽度对结晶器内钢液流动的影响 b g t h o m a s 等人口i j 研究了拉速为1 m m i n 1 时结晶器宽度对流场的影响。结 果表明：随着结晶器宽度的增加，射流继续延伸，与结晶器窄面的冲击点也继续 下移。当结晶器宽度从9 1 4 m m 增至1 8 2 9 m m 时，射流与窄面冲击点从距结晶器 上沿1 7 5 m m 处降至距结晶器底部3 0 r a m 处，这将会导致拉漏。 雷洪等人一1 研究了水口吹氩时结晶器宽度对流场的影响。随着铸坯宽度的增 加，气泡上浮到液面破裂位置距结晶器窄面越来越远，对弯月面的波动影响也越 来越小。 但是，铸坯宽度是根据用户要求设定的，一般不作为控制表面波动的手段。 2 3 结晶器内钢液流动行为的主要研究方法 钢液在结晶器内流动是一个复杂的湍流流动过程，其主要特征是不规则性、 有旋性、三维性、扩散性和耗散性【3 4 】。从2 0 世纪7 0 年代以来，国内外对结晶器 内流场进行了大量研究，特别是伴随着物理模拟技术的提高和数值模拟技术的发 展，为控制结晶器内流场以及结晶器和浸入式