（钢铁冶金专业论文）大方坯结晶器的浸入式水口优化.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第i 页 摘要 本论文以某钢厂大方坯结晶器为研究对象，采用物理模拟的方法，对使用单孔、四孔 和五孔s e n 浇注时，无m e m s 和有m e m 8 两种情况下结晶器内钢液的流场进行了模拟 研究。得出了如下结论： ( 1 ) 不管有无m e m s ，在中孔直径相同时，喇叭型s e n 的效果都比直筒型s e n 好， 但喇叭型s e n 的效果又不如四孔和五孔s e n 。 ( 2 ) 无m e m s 时。原s e n 的倒吸现象很严重，新四孔s e n 的最佳结构与工艺参数 为：0 = 0l ，k = k l 。底型为凹底，h = h l 。在h = h l 时，采用最优四孔s y i 与采用原 s e n 相比，p 减小1 0 1 3 p a ，sh 浅了7 4 m m ，t 均缩短了9 “s ，t 爿缩短了1 1 s 。 ( 3 ) 无m e m s 时。五孔s e n 的最佳结构与工艺参数为：0 ；02 ，k = k l ，d = d l 。 h = h i 。在h = h l 时。采用最优五孔w y i 与采用原s e n 相比，p 减小l l 1 6 p a 。sh 浅了 7 8 m m ，t 自缩短了7 0 9 s ，th 缩短了0 6 2 s 。 ( 4 ) 有m e m s 时，采用多孔s e n 浇注，sh 和t 目与无m e m s 时无明显变化，b 是 无m e m s 时的2 4 倍。原s e n 的t 目比无m e m s 时缩短了1 4 9 4 s ，新四孔和五孔水口 的t 目比无m e m s 时缩短了7 1 2 s 。d s y i 和d w y i 的效果都优于原水口。 ( 5 ) 当液面流速在o 1 5 0 2 0 r n s 之间，为合理的电磁搅拌强度，对应现场搅拌器的 电流应在3 4 2 4 5 6 a 之间。 关键词：连铸结晶器浸入式水口电磁搅拌 物理模拟 武汉科技大学硕士学位论文 第i i 页 a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e do ns t u d y i n gab l o o mm o l do fas t e e lf a c t o r y w ea d o p tt h em e t h o do f p h y s i c a ls i m u l a t i o n ，s t u d i e d t h ef l o wf i e l di nm o l dw h e nd i f f e r e n ts e n ，s u c ha st h e s i n g l e o u t l e t h o l es e n ，f o u r - o u t l e t - h o l es e na n df i v e - o u t l e t - h o l es e nw e r eu s e d ，i n c l u d i n g s t a r t i n gm e m so rn o t ，a sar e s u l t ，t h ef o l l o w i n gr e s u l t sw e r ef o u n d ： ( 1 ) n om a t t e rs t a r t i n gm e m so rn o t ，u n d e rt h ec e r t a i nm i d d l ea p e r t u r e ，t h ee f f e c to fa l l t r u m p e ts e ni sb e t t e rt h a nt h es t r a i g h ts e n b u tt h ee f f e c to f t h et r u m p e ts e na n ds t r a i g h ts e n i sw o r s et h a nf o u r - o u t l e t h o l ea n df i v e - o u t l e t h o l es e n a p p a r e n t l y ( 2 ) i nt h ec o n d i t i o no f w i t h o u tm - e m s ，t h ef l o wb a c k w a r d sp h e n o m e n o no f t h ep r i m a r ys e n i sv e r ys e r i o u s ，t h eb e s tp a r a m e t e ro f s t r u c t u r ea n dc r a f to f t h en e wf o u r o u t l e t 。h o l es e ni s0 = 0l ，k = k j ，b o t t o ms t r u c t u r ei sh o l l o wb o t t o m ，c o m p a r e dw i t ht h eb e s tf o u r o u t l e t - h o l es e n s y la n dp r i m a r ys e n ，t h ef o r m e rpi ss m a l l e rl o 1 3 p a ，s 冲i sl o w e r e d7 4 m m ，t 均d e c r e a s e d 9 ，6 4s e c o n d s ，t 目r e d u c e d1 1s e c o n d s ( 3 ) u n d e rt h ec o n d i t i o no fw i t h o u tm e m s ，t h eb e s tp a r a m e t e ro fs t r u c t u r ea n dc r a f to ft h e f i v e o u t l e t h o l es e ni s 0 = 0 2 ，k = k i ，d = d l ，h = h t c o m p a r e dw i t ht h eb e s tf i v e o u t l e t h o l e s e nw y ia n dp r i m a r ys e n ，t h ef o r m e rpi ss m a l l e rl l - 1 6 p a ，s i sl o w e r e d7 8 m m ，t 均 d e c r e a s e d7 0 9s e c o n d s ，thr e d u c e d0 6 2s e c o n d s ( 4 ) i nt h ec o n d i t i o no fs t a r t i n gm - e m s ，t h em u l t i o u t l e t h o l es e nw e r eu s e di nc a s t i n g ， c o m p a r e dw i t hn o bm e m s ，s a n dt 封w e r en oo b v i o u sc h a n g e ，bi s2 - 4t i m e sa sm u c ha s w i t h o u tm e m s ，t 均o ft h ep r i m a r ys e ni ss h o r t e r14 9 4s e c o n d st h a nw i t h o u tm e m s ，t 均o f t h en e wf o u r - o u t l e t h o l ea n df i v e o u t l e t - h o l es e ni ss h o r t e r7 - 1 2s e c o n d st h a nw i t h o u tm e m s t h ee f f e c to f d s y la n dd w y li sb e t t e rt h a np r i m a r ys e n ( 5 ) t h ei n t e n s i t yo fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gi sr e a s o n a b l ew h e nt h ev e l o c i t yo fs u p e r f i c i a l f l u i di sb e t w e e no 15a n do 2 m s t h ec o r r e s p o n d i n ge l e c t r i cc u r r e n to fs t i r r e ri nt h es t e e lf a c t o r y i s3 4 2 - - 4 5 6 a k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g m o l d s u b m e r g e de n t r yn o z z l ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g p h y s i c a ls i m u l a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 大方坯结晶器用浸入式水口简介 浸入式水口( s u b m e r g e de n t r y n o z z l e ，简称s e n ) 是钢液从中间包流入结晶器的通道。 所谓浸入式水口，就是将水口浸入到结晶器内的钢液面下，作为浇注的管道，以防止钢液 的二次氧化。s e n 除了具有保护钢流、防止钢液二次氧化的功能外，还可以改变注流在结 晶器内的流动状态，防止注流冲刷凝固坯壳造成漏钢和拉裂，减小注流的冲击深度，促进 夹杂物在结晶器内上浮，并分散注流带入的热量，有利于坯壳的均匀生长1 1 1 。因此，优化 设计s e n ，改善结晶器内的流场和温度场，已成为当前冶金领域的研究热点之一。 目前国内对方坯s n e 的研究主要集中在单孔s e n 方面，而多孔s e n 方面则鲜见报道。究 其原因，主要是由于方坯断面较小，从多孔s e n 侧孔流出的流股到达结晶器壁强后引起的 返回流股，易将保护渣卷入中心，使钢液面裸露，造成二次氧化。近年来，国外有研究指 出【2 3 1 ，大方坯或矩形坯采用四孔s e n 浇注，可以向结晶器内供应涡流钢液，有效地降低 铸坯的中心偏析，并改善铸坯表面质量。且在工业生产中，其设计的新型s e n 的使用效果 也得到了验证。因此，从改善铸坯质量的作用来看，大方坯连铸用s e n 有向多孔s e n 发展 的趋势。 浸入式水口保护渣操作工艺的实现和发展大大提高了连铸机的生产率并改善了铸坯质 量。随着生产的不断发展，浸入式水口的结构在进一步的优化。结晶器内钢水的流动状况 极大地影响着铸坯的质量1 4 _ 5 1 。如果钢液对结晶器下部的冲击深度太大，不仅不利于铸坯 的凝固，还会将夹杂物带到铸坯的下部。如果弯月面处钢水的波动过于激烈，保护渣不能 完整地覆盖钢液面会导致钢水的二次氧化。同时，弯月面处的钢水也要求有一定的波动， 这样会把一定的热量带到弯月面处，有利于保护渣的熔化和功能的实现。结晶器内钢水对 结晶器的冲击也是保障生产顺利进行的一个重要的因素。如果钢水对结晶器壁的冲击过于 激烈，容易导致漏钢事故的发生。大方坯采用多孔s e n ，通过结构参数与工艺参数的优化。 可以改善结晶器内钢液流动状况，降低冲击深度、避免钢水弯月面处的钢液面裸露，控制结 晶器弯月面处钢水的波动幅度，降低钢水对结晶器壁的冲击【6 - 7 】。 1 2 国内外研究现状 8 0 年代以来，连铸进入完全的全盛时期。在世界范围内连铸比以每年4 的速度增长， 世界连铸比由1 9 8 1 年的3 3 8 上升至u 1 9 9 0 年的6 4 1 ，而至l j l 9 9 4 年全世界连铸比已达到 7 2 4 ，到2 0 世纪末，各钢铁工业强国的连铸比已达9 5 以上。我国自8 0 年代连铸生产开始 发展，至1 j 2 0 0 2 年，连铸比已达到9 3 1 s 。这一重大技术成就，不仅改变了钢铁工业的生产 流程，而且对炼钢轧钢的生产体系，都将产生深远的影响。 从8 0 年代连铸技术的进步以来，生产高质量铸坯的技术和体制已经确立。主要表现在 对铸坯质量设计和质量控制方面，达到一个新水平。从钢水的纯净化、温度控制、无氧化 武汉科技大学硕士学位论文 第2 页 浇注、初期凝固现象对表面质量的影响；保护渣在高拉速下的行为和作用；结晶器的综合 诊断技术；冷却制度的最佳化：铸坯在凝固过程的力学问题；消除和减轻变形应力的措施： 控制铸坯凝固组织的手段等一系列冶金现象的研究：直到生产工艺、操作水平和装备水平 的不断提高和完善，总结出完善的对铸坯质量控制和管理的技术。使铸坯的不精整率不断 提高，直至实现不精整轧制1 9 j 。 随着连铸技术的广泛应用和发展，人们对铸坯质量的要求r 益提高，严格控制钢液清 洁度已成为连铸生产中最为重要的问题之一。1 9 6 5 年浸入式水口和保护渣浇注工艺的出 现，为连铸技术的发展带来了划时代的进步1 1 1 。它不仅具有防止注流和结晶器内钢液氧化 及钢液喷溅的效果，而且还有改善结晶器润滑，提高结晶器传热效率的功能。尤其是通过 浸入式水口形状的选择，可以调整钢液注流在液相穴内的流动状况，对促进钢液中气体和 夹杂物的上浮分离具有显著影响。因此，为了提高铸坯表面和内部质量、稳定操作，几乎 所有的板坯连铸机和大方坯连铸机，现在都采用了这种浇注方式。而围绕浸入式水口设计 及操作工艺参数优化的研究，则成了冶金领域研究的一个热点，有冶龛学者1 4 j 进而提出了 结晶器冶余的观点。目前已采用的保护浇注的各种方式，可示意地表示在图1 1 中。 图1 1 连铸中使用的无氧化挠注方式 国内外许多学者对结品器内流场进行了研究。有的采用数学模拟方法【1 0 _ ，有的采用 物理模拟方法2 _ ”1 ，也有许多学者【- 1 q 将两种方法结合起来，对不同结构的浸入式水1 3 和各种工艺条件下结晶器内铜液的流动情况进行研究，作出了有益的探索。但在研究对象 上，主要集中在板坯用s e n 及方坯用单孔s e n 上，对方坯多孔s e n 的研究开展得极少， 国内外只有少数学者【”一2 0 t 对方坯多孔浸入式水口的结构和结晶器内的流场进行了研究，在 特殊钢领域里，能见到少量的相关报导。 近年来，电磁冶金技术已逐渐应用于连铸过程，包括结晶器内钢液流场的控制、二冷 区的电磁搅拌、交交磁场控制初凝固过程和电磁场悬浮铸造等。相应地，结合m a x w e l l 方 程的电磁流体力学的计算研究得到了迅速发展。在国外，有学者( 2 1 - 2 3 1 研究了磁场作用下结 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 晶器内的钢液流场；r a i h l ec m 【2 4 j 等人还对m e m s 作用下方坯结晶器内流场和坯边缘温 度分布进行了模拟研究。国内的东北大学、包头钢铁学院及其它的一些研究单位也对该领 域进行了广泛的研究，文献【2 5 2 8 】中介绍了若干种制动方式下板坯及薄板坯结晶器内钢 液流场，浓度场和夹杂物运动轨迹等方面的模拟研究，文献【2 9 3 0 】中则对m e m s 改善铸 坯质量的作用机理进行了理论分析。 综合国内外研究结果可以看到，当前解决结晶器内钢液流场不合理引起的一系列问题 的主要措施集中在s e n 结构的改进、工艺参数的优化和采用电磁冶金技术三个方面。 1 3 研究方法 结晶器内基本的物理现象是钢液的流动及初生坯壳的生成，各种冶金过程都是在流动的 钢液中进行的。有统计表明【3 1 1 ，铸坯近8 0 的表面缺陷起源于结晶器。因此，要充分发挥 结晶器的冶会功能，提高铸坯的质量，研究结晶器内的钢液流动现象是获得高质量铸坯的基 础。在高温下，直接测量和观察结晶器内钢液的流场，不仅在测量技术方面有难度，而且研 究费用很高，直接获得实际结晶器内钢液流动和温度场的信息是相当困难的。为此，人们通 常采用模拟方法对结晶器内的传输行为进行研究。 所谓模拟是指利用与研究现象或过程相似的模型来进行研究的方法。模拟手段可分为 数学模拟与物理模拟。数学模拟是指运用数学方法正确描述反应器内流体的流动与传质等 现象，建立数学模型，通过模型来使现象或过程再现，计算机技术的广泛应用使之得到迅 速发展。物理模拟是建立在相似原理基础上的一种研究方法。通过建立物理模型，在不同 规模上再现某个现象，进而对所研究的过程进行直接测量。 1 3 1 结晶器内钢液流动的数值模拟 ，。 随着计算机技术的发展，使用数值计算方法来模拟结晶器内钢液行为已成为研究结晶 器内流场和温度场的重要手段。数学模拟是基于计算流体力学、传热学、反应工程学的原 理，建立联立的与质量、动量、能量等物理量有关的偏微分方程组，用数值方法求解，通 过数学分析，给出整个流场中各变量的时空分布，进而分析冶金过程的速率和效果。它具 有计算速度快、成本低的优点。因此，这样的数学模拟方法成为工程装置优化、仿真设计 和实现过程最佳控制的有力工具。 1 9 7 3 年，s z e k e l y 和a s a i 率先将单方程紊流模型和s p l m i n g 的离散化方法应用于结晶 器内钢液的流动，编制程序模拟了方坯结晶器中二维情况下的流动现象。1 9 7 4 年l a u n d e r 和s p l m i n g 使用k e 双方程模型较合理地解决了流场的数值计算问题。 此后，关于结晶器流场数值模拟方面的研究逐渐多起来。从模拟的方法上来讲，主要 分为两大类，一类是利用商业软件，如基于计算流体力学c f d 的p h o n i c s 、f l u e n t 、 c f x 、s t a r - c d 、f i d a p 等，对流场直接进行计算；另一类是针对所研究反应器的特点而 自行编制程序进行计算。 不少国外研究者【3 2 - 3 3 】依赖商业软件进行了数学模拟研究，其工作重点主要集中在冶金 武汉科技大学硕士学位论文第4 页 过程本身更复杂机理的研究上，更加重视源项和边界条件的正确描述并努力提高体系的仿 真程度和精度。 我国冶金界从8 0 年代初就开始了数学模拟方面的工作。许多研究者【3 4 - 3 6 】采用商业软 件研究结晶器内流场、温度场以及夹杂物的运动轨迹。也有研究者自行开发了计算结晶器 流场的二维、三维模型，如雷霆1 3 7 】等较早地采用s i m p l e 算法计算了结晶器内的流场，并 采用速度合成原理有效地定量研究了夹杂物在结晶器内的运动状态，分析了不同种类、尺 寸的央杂物在结晶器内的行为及其在各区域的上浮情况。贺有多等【3 8 】也计算了结晶器内的 流场，并率先开展了联立求解三维流场和温度场的研究工作，开发了求解流场、温度场的 计算程序，对结晶器内流场、温度场分布和铸坯坯壳的厚度进行了求解，分析了水口结构 参数和工艺参数对结晶器内流场及温度场的影响。不同研究者模拟结晶器内流场所用的各 种软件见表i 1 。 一 表i i 不同研究者模拟结晶器流场所用的各种软件 尽管结晶器内紊流流动模型比较成熟，使用商业化计算软件或者是采用自行编制的程 序均帮助人们较好的研究并解决了工艺生产中的一些实际问题。然而，还要清楚地认识到， 冶金过程的物理现象是极其复杂的，很难精确模拟，冶金反应器的复杂形状，更增加了模 拟的难度。不论是利用商业软件还是自行编制程序来研究流场。对自由表面扰动问题( 结 晶器内钢液面波动) 、多相系统问题( 结晶器内气液系统、固液模糊区系统) 及伴随有化 学反应过程的紊流问题等课题目前尚不能很好地解决。 1 3 2 结晶器内钢液流动的物理模拟 在对结晶器内流场进行物理模拟研究时，常用水来模拟钢液，因为水的运动粘度与钢 液的运动粘度相当。2 0 的水和1 6 0 0 的钢液的物理性能见表1 2 【3 9 1 。因此，许多研究者 表1 2 水和钢液的物理性能 通过水模型实验，研究结晶器内钢液的流动规律。通过改变s e n 的孔形、孔数、出孔面积 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 比及插入深度，调整钢液在结晶器内的流动状态，以促使夹杂物的分离。减弱对初生坯壳 的冲击，防止卷渣，并均匀钢液成分和温度，提高钢的质量。 1 3 2 1 物理模拟的理论依据 所谓物理模拟，是指通过对自然现象或过程进行分析，利用与这些自然现象或过程相 似的模型来进行研究的一种方法。 建立物理模型，必须保证模型与原型之间的物理相似，即几何相似、运动相似、动力 相似和热相似等。几何相似就是模型与原型之间的对应角相等、对应长度成比例。运动相 似表示两系统的运动状态( 或流线) 相似，即各对应点的速度方向相同，大小成比例。动 力相似表示系统所受到的力相似，即当两系统相应时间、相应位置所受到的力成一定比例 时，它们相似。热相似就是原型和模型的温度梯度相对应。由于实验条件的限制，保证原 型和模型之间的完全相似是非常困难的，必须采用近似模拟的方法，分析哪些因素对过程 起主要的、决定性的作用，哪些因素起次要的、非决定性的作用。对前者必须加以保证， 对后者近似处理，甚至给予忽略。 钢液在重力作用下从中间包经s e n 流入结晶器，构成一个典型的有限空间射流。根据 相似原理 4 0 - 4 “，钢液的流动为实际的具有粘性的流体流动，影响其流动状态的作用力主要 有惯性力、重力、粘滞力。只要保证原型与模型的r e 数( 系统的惯性力和粘性力的比， 表征系统的粘滞流动) 和f r 数( 系统的惯性力和重力或浮力的比，它表征由重力引起的流 动) 同时相等，即满足下列等式就可以保证模型和原型之间的物理相似。 【r e ) 。1l 酚) 卅- l l r - c ) ，i f r ) ， 注：m 表示模型，下标r 表示原型。 根据流体力学原理1 4 2 】，当流体流动的r e 数大于第二临界值时，流体的湍动程度及流速 分布几乎不再受r e 数的影响，此时流体的流动状态不再变化，且彼此相似，与r e 数不再 相关，也就是说，流体流动进入第二自模化区域，只需f r 数相等，模型与原型内的流体流 动就相似。r e 数的第二自模化区的临界值为1 x 1 0 4 l x l 0 5 。但是，若模型和原型的比例 为l ：l ，模型和原型的r e 数和f r 数同时相等，模型中的流动和原型中的钢液流动相似口9 1 。 1 3 2 2 流场显示及测量的实验技术 物理模型法是研究结晶器以及其它冶金反应器的有效手段，但是建立了合适的模型后， 还必须要有合适的实验技术才能得到良好的实验结果。流场显示技术是研究各种复杂流动 的有效方法。其任务就是把透明流体( 如水) 的流动现象，设法用图像显示出流动图形( 图 谱) 供定性分析之用，并可结合现代化的流动测量技术，对流场的某些物理量进行定量测 量。流场显示是研究流动的重要方法，显示出来的流动图形既便于直接观察，也可用照相 或摄影的方法记录下来。结晶器中的许多流动现象，如注流冲击、卷渣、夹杂物上浮、回 流等，都可以通过流场显示进行研究；而流场测量技术的现代化，不但提供了各种流动的 武汉科技大学硕士学位论文第6 页 流谱，而且还可定量的测定数据，如高速摄影法、d j 8 0 0 实验数据采集系统及激光测速法 等技术的使用，使模型法成为s e n 优化设计以及相应工艺参数优化中不可或缺的可信方 法。 示踪剂法：示踪剂粒子一般在入流的上游加入。对加入示踪剂的一般要求是跟随性好， 示踪粒子要能和流体同步流动，为此，示踪剂的密度和流体应尽量接近。或者粒子的粒度 非常细小。此外要有强的发光性能，便于观察和摄影。在结晶器水模型中，常用的示踪剂 有聚苯乙烯、塑料粒子和铝粉等，苯、二甲苯、茜红、高锰酸钾、亚甲基蓝等染料也可作 为示踪剂。 需要特别指出的是，除示踪剂外，光源的选择也是流动显示成功的重要因素。对结晶 器内流场一般应选择片光源作为照明手段，为提高片光源的照明亮度，可选择氖灯及激光 片光源等。 高速摄影法：这种方法是把高速运动变化过程的空间信息和时问紧密联系在一起进行 图像记录的一种摄影方法。通常摄影频率在1 0 2 幅s 以下成为普通摄影。在1 0 2 1 0 3 幅s 的称为快速摄影，1 0 3 4 1 0 4 幅s 的称为次高速摄影，4 1 0 4 幅s 以上的称为高速摄影。 高速摄影能将瞬变、高速过程连续记录下来，给人们以直观形象和生动可靠的结果。并运 用图像分析设备进行定量计算。采用此方法可研究结晶器流场的流动状念，分析结晶器流 场中射流的状念、流股的运动形式、央杂物的运动轨迹及卷渣等。 d j 8 0 0 数据采集系统：它由微机、打印机及各种传感器组成。该系统可以准确定量地 测量结晶器液面的波动大小，包括波的个数、大小及最大波、1 1 0 大波、1 3 大波的波高 均值、平均周期。同时，该系统还可准确测量任- - n 点压力的大小，包括最大值、最小值 及其出现的相应时间。以k c l 溶液为示踪剂加入流体中，通过电导电极和电导率仪配合 d j 8 0 0 使用，测量示踪剂浓度随时间的变化。 多普勒激光测速仪( l d a ) ：多普勒激光测速是用激光作为光源，基于多普勒效应，采 用光外差技术，测量流体的速度、湍流强度、雷诺切应力等。使用多普勒激光测速仪测量 结晶器内流场分柿的研究为数不多，这大概和仪器价格昂贵有关，但借助于l d a 可使人 们对结晶器内钢液流动的认识更为清楚1 4 3 j 。 这些研究和流场的数值模拟计算相配合，可为改进s e n 的设计，优化工艺参数提供有 效的信息。 1 4 影响结晶器内钢液流场的因素 结晶器内流场主要受生产工艺参数和s e n 的结构参数的影响。钢液从s e n 流入结晶 器后，形成向上和向下的两个流股，这两个流股对夹杂物的上浮、液面波动和温度场分布 有着重要的影响，两者的相对强度具有相互矛盾又相互约束的关系。充足的向上流动能向 弯月面处提供适当的热量，促进保护渣的熔化，利于夹杂物的上浮和吸收，但过强则会导 致液面不稳定甚至发生卷渣。相反，过强的向下流动不利于夹杂物和气泡上浮。影响两者 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 强弱的主要因素有拉坯速度、电磁搅拌强度、水口插入深度、水口安装方位、水口出孔面 积比、水口出孔倾角、孔数、出孔形状、水口内腔结构等。要获得高质量的铸坯和高的生 产率，应优化调整各工艺参数和水口结构参数。下面讨论各工艺参数和水口结构参数对流 场的影响。 1 4 1 工艺参数的影响 ( 1 ) 拉坯速度 不同的拉坯速度下，结晶器内流动方式很相似1 3 2 】。拉坯速度对流动状态的影响不是主 要的。但对液面波动、夹杂物行为和凝固传热影响却较大。拉坯速度增加，结晶器内流速 随之增大，钢液面变得更加不稳定，易卷渣，而注流穿透深度也增加，夹杂物上浮困难。 同时射流对结晶器壁面的冲刷加剧，进而减慢了凝固壳的生长速度。 y e o n g h o l 4 4 l 研究了在三种不同浇铸速度下的结果，也得出了非常相近的结果。 朱茁勇【4 5 1 通过数值计算，得出不同浇铸速度下铸坯宽砸对称面上的流场。结果表明， 不同浇铸速度下，结晶内的流动方式很相似，说明结晶器内一旦形成湍流流动，铸速对其 流动的影响不是主要的，但对夹杂物及凝固传热的影响不可低估。铸速增加，结晶器内流 速随之增大，势必造成夹杂物的穿透深度增加，熔池表面变得更加不稳定，同时射流对窄 面的冲击冲量增大。单位时间内将传递更多的热量，从而减慢凝固壳的生长速度。因此通 过对不同拉速条件下结晶器流场进行研究优化，以减少卷渣，减少央杂物，提高钢液纯净 度和铸坯质量。 o 因此，当需提高生产效率两提高拉速时，拉坯速度增加，结晶器内流速随之增大，钢 液面变得更加不稳定，易卷渣，而铸流穿透深度也增加，央杂物上浮困难。同时射流对结 晶器壁面的冲刷加剧，进而减慢了凝固壳的生长速度。因而，在高拉速下为获得高质量的 铸坯，必须采取措施优化结晶器内的流场。 ( 2 ) 水口插入深度 水口插入深度为结晶器内钢液面到水口侧孔中心的距离，也有人把它定义为液面到水 口侧孔上沿的距离。或液面到水口底端面的距离。本论文将插入深度定义为液面到侧孔上 沿的距离，记作h 。 文献【4 6 】报道，插入深度小于5 0 r a m ，液面的渣子会卷入凝固壳中；插入深度大于1 7 0 m m 时，夹杂物不易上浮。 张胤1 3 鄹等应用三维流动过程计算机模拟软件，研究了首都钢铁公司板坯连铸机结晶器 内的钢液流动过程。在此基础上模拟计算四种水1 3 插入深度对流动形态的影响，如图1 2 所示。随着水1 3 浸入深度增加，冲击深度加深，窄面上分离点位置随插入深度增加而加深。 武汉科技大学硕士学位论文第8 页 图1 2 四种水口插入深度时结晶器主界面速度分布 陈永范等【4 ”采用l ：1 的水模型研究了h 为1 0 0 m m 和3 0 0 m m 时结晶器内钢液的流场。 试验发现：随着插入深度的增加，射流冲击点下移，上、下部两个回流区的涡心也明显下 移，这样对夹杂物的上浮不利；而当h = 1 0 0 m m 时，结晶器内钢液面波动加剧，增大了卷 渣机率。 文光华等i ”1 的研究发现：插入深度分别为2 0 0 m m 、2 5 0 m m 、3 0 0 m m 、3 5 0 r a m 时，随着 插入深度的增加，熔池表面附近向上运动的回流区变得越来越大，熔池表面的扰动减弱， 这有利于降低保护渣卷入的可能性，防止产生新的夹杂。但大的插入深度导致向下的回流 涡心位置下移，这将减少从中问包进入结晶器中央杂物的上浮机会，影响凝固壳的生长速 度，使出结晶器的坯壳厚度不均匀，易引起鼓肚和漏钢。 y e o n g h o l 4 4 】研究了1 6 0 m m ，1 1 0 m m ，6 0 m m 三种不同的水口插入深度对流场的影响， 结果表明，当插入深度较大( 1 6 0 m m ) 时，熔池上回流范围大；当插入深度较小( 6 0 m m ) 时， 熔池上回流变得不明显，液面变得不稳定，保护渣容易被卷入钢液。 b g 1 1 1 0 m 笛等1 3 2 1 的研究表明：水口插入深度小，液面波动剧烈；随着水口插入深度的 增加，射流在窄面的冲击点位置下移，但流场的基本形状不变。 总的来讲，随着水口插入深度的增加，结晶器内上循环流股所占的区域逐渐加大，但 对钢渣界面的搅动逐渐减弱。保护渣覆盖良好。不易发生卷渣，但穿透深度增加，钢液向 熔池上表面传递的热量下降。过大的h 可能造成弯月面处钢液的冷凝和较深的坯壳振痕。 影响凝固坯壳的增长速度。同时会造成向下的循环流股的整个区域下移。因此从中间包进 入结晶器的钢液中的夹杂物上浮机会减少，并会有更多的高温钢液被带到结晶器下部，结 晶器内整个钢液热流密度分斫】下移。相反，插入深度太浅，液面波动增大，贝l j 容易产生级 裂【4 l t 甚至可能发生卷渣。 ( 3 ) 结晶器电磁搅拌( 即m e m s ) 强度 结晶器内电磁搅拌形成的钢液流动，能折断树技晶端并净化凝固静沿。破碎的晶体一 部分可成为等轴晶的晶核，另一部分受过热钢液的影响重新熔化。而且，凝固前沿钢液的 温度梯度变小，即加快了过热度的降低，从而使铸坯的晶粒细化，产品致密【2 9 1 此外，电 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 磁搅拌引起的钢液流动可以将易于被铸坯表面和亚表层下捕捉的非会属夹杂物和气泡排 除掉，并使与上部钢液面接触的保护渣不断得到更新。故电磁搅拌也起到净化钢液、去除 非金属夹杂物的作用，减少树枝晶凝固时形成的气孔结晶器电磁搅拌的作用可用图1 3 表示。 图1 3 结晶器电磁搅拌的作用 l 一结晶器：2 弯月面；3 气泡；4 非金属夹杂 s 一等轴结晶；6 一凝壳；7 钢液；8 浸入式水口 合理的搅拌强度是m e m s 正常发挥其上述作用的关键。搅拌强度太小( 或指磁感应 强度太小) ，铸坯液芯搅动不起来，或者不能稳定地控制柱状晶向等轴晶的转变，达不到 电磁搅拌所预想的目的；相反，搅拌强度太大，搅拌过于激烈，坯壳可能会过薄，或生长得 厚薄不均，出现裂纹倾向，且白白地消耗大量的电力。因此，应根据不同的具体条件确定 最优搅拌强度。 搅拌强度主要由铸坯凝固前沿所需的流速来确定。有研究表明【1 4 】，当表面流速在o 1 0 3 i t l ，s 范围时，板坯表面缺陷( 尤其是表面纵向裂纹) 出现最少。雷洪等f 4 3 】的研究表明， 当水口张角为向下1 5 。时，如果渣的粘度在0 0 1 0 0 ) x 1 0 - 6 m 2 s 内变化，则相应的临界卷 渣速度为o 1 5 o 1 9 m s 。还有研究表明【4 9 】，由于液面波动而产生卷渣存在着临界的平均表 面流速为0 2 5 0 3 1 耐s 。这些研究结果为水模型实验中通过液面流速来评价搅拌强度提供 了很好的思路。 需要指明的是，施加电磁搅拌时，结晶器角部及四周弯月面突起而中部下凹的程度与 作用在弯月面区豹搅拌强度有关。浸入式水口出孔与平静时液面之间的距离应足以补偿因 搅拌造成的液面下陷，注流引起的上循环流也在一定程度上造成了s e n 附近液面的下陷。 另外该循环流还会抽吸液面上的熔渣，甚至烧结层的保护渣颗粒。因此，开启电磁搅拌后， 相当于减少了浸入式水口出孔与液面之间的距离。即减少了浸入式水口的插入深度。若搅 拌强度过大时，而浸入式水口插入深度或出孔的下倾角不合适，则极易发生卷渣，如图1 4 所示。 武汉科技大学硕士学位论文 第l o 页 图1 4 结晶器保护渣被卷入钢液示意图 l 一结晶器；2 一保护渣；3 结壳；4 - 注流；孓凝固壳 1 4 2 结构参数的影响 ( 1 ) 水口侧孔倾角 浸入式水口的出口倾角可分为三类：向上的倾角、向下的倾角和水平角( 向上为负，向 下为j 下) 。 、 包燕平等1 5 0 l 采用数值模拟研究了浸入式水口的三个出口倾角( 一1 0 。、一2 0 。、- - 3 0 。) 、浸入深度、拉速等工艺参数对板坯连铸结晶器流场的影响。结果表明，倾角的变化 直接影响到水口出口流股对结晶器窄边的冲击点的位置的变化。向下倾角越大，冲击点的 位置越靠下，冲击深度越大，上涡心位置也随之下移，这对初生坯壳的生长不利。但随着 向下倾角的增大，对液面的平稳是有利的。 也有学者f 5 l 】对连铸含金钢的水口迸行了研究。在铸坯断面为1 6 0 r a m x1 6 0 r a m 、拉速 1 ，l 耐m i n 时，水口一1 5 。的倾角利于夹杂物的上浮，同时结晶器内流体的冲击深度浅，热 中心上移，是合理的水口结构形式。 同本学者【5 2 】对方坯四孔浸入式水口进行的研究表明，一1 5 。的r 丌孔角度对提高弯月面 处钢液过热度是有利的，与向下的开孑l 角度相比，上部循环流区域更靠近钢液面，使弯月 面处钢液温度与其它部位温度趋同，有利于初生坯壳的均匀生长，改善了铸坯与结晶器壁 之间的润滑，使铸坯表面质量得到改善。 文光华等【l8 】对攀钢大方坯连铸结晶器s e n 的结构进行了研究，通过水模实验和数学模 拟计算比较了不同的出孔倾角对结晶器内流场的影响。结果表明，在铸坯断面为2 8 0 m m x 3 2 5 m m 、拉速o 8 r 1 1 m i n 的工况条件下，随侧孔倾角由向下1 2 。逐步减少到一1 2 。，结晶 器液面区域流体运动死区逐渐减少，当达到向上1 2 。时，液面死区消失，结晶器内高温区 上移，有利于保护渣功能的发挥。向上角度若选取过大，容易出现液面裸露和发生卷渣现 象。 王建军掣5 3 1 采用数模研究了浸入式水口不同结构条件下，结晶器内钢水的流动状态。 浸入式水口的侧孔倾角分别为一1 8 。、0 。和1 8 。，计算结果表明，浸入式水口侧孔倾角 仅对铸坯窄边的冲击点位置高低有影响，而对流场影响不大，主要原因是钢水很难充满侧 孔，且浸入式水口的壁较薄，侧孔对流出的流股起不到导流作用。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 水口出孔倾角对结晶器内的钢液流动形式影响较大。当出口倾角为正值并由小到大时， 向下流股冲击深度增加，向上流股减弱，液面平静，保护渣覆盖良好，但夹杂物上浮困难。 当出孔倾角向上增大时，结晶器上部的钢液循环流变强。这有利于结晶器内夹杂物的上浮， 但同时钢流对液面冲击强度也随之增强，液面搅动加强，易造成卷渣和钢液的二次氧化。 当然。这可以通过调整s e n 的插入深度来解决。 张胤等1 3 s j 采用数学模拟的方法分析了水口出孔倾角的设计对钢液在板坯结晶器内流场 的影响。随着角度的不同，钢液的流动形式有所不同，出孔倾角3 0 。时的上下循环区发育 良好，而且下循环区位置不是很低。相比之下，0 。时的上循环区明显没有发育，靠近钢 液表面，不利于液面的平稳，容易造成卷渣。1 5 。时的上循环区和下循环区的位置和大小 比例不如3 0 。 7 ( 2 ) 出孔面积比 对于多孔s e n ，定义出孔面积比k 为出孔面积总和s 一与水口中孔截面积s 之比， 即k 一sd s 忡当s e n 内径不变且拉速不变，增大k 时，相当于增大了水口的出孔面积， 则钢液从s e n 流出的初速度减小，钢液回流至弯月面处的速度减小，液面波动程度变小， 相应发生卷渣的可能性也减小。同时，由于钢液从浸入式水口流出的初速度减小，碰撞到 结晶器壁面时对凝固坯壳的冲刷要相对减弱，向下流股的流程要变短，则冲击深度减小。 吴建忠1 5 4 j 对超低头板坯连铸机浸入式水口的结构进行了研究。通过水模型试验发现， 侧孔面积过小，则射流强度大，液面易搅动卷渣；侧孔面积过大，在水口出口处易产生倒 吸，导致水口附近产生漩涡，影响结晶器液面的平稳。 包燕平等p 6 】以兰州钢厂的薄板坯连铸机为原型，选用l ：l 比例的实验模型，研究了浸 入式水口的出口角度、出口面积和插入深度对结晶器内流场变化及变化规律。试验结果表 明：出孔面积比是影响液面波动的显著性因素，而对冲击点深度的影响最小。 雷霪等的研究表明蹲，过大的出孔面积将使其内钢液充不满，并且产生倒吸。倒吸导 致部分流体被吸入水口，加强了上部回流，影响钢液面平稳。此时，出孔上方及s e n 外壁 面之间可能产生一小漩涡，对s e n 起到冲刷作用，降低了s e n 的寿命。在结晶器内采用 电磁搅拌时，钢液作循环流动。夹杂物与钢液相比，因其密度小，所受的离心力就小。有 被钢液向结晶器中部挤压而聚集在水口周围的趋势。此时在水口出孔上部形成的负压所产 生的倒吸作用，就可能使这些夹杂物被吸入水口而造成水口结瘤。侧孔出流股的横断面积 占出孔面积的百分比定义为充满度，记做6 当方坯的断面为1 6 0 m m x1 6 0 m m 、k 为2 、 拉速为1 1 耐m i n 时，6 仅有7 4 7 。当拉速提高到1 4 i l l ，m i n 时，6 可达到8 2 9 。可见提 高拉速，充满度也得n t 增加。该研究指出，合理的水口参数应当是：出口速度较小，即 k 较大，但无倒吸现象。 壬建军等【 】采用数模研究了浸入式水口不同结构条件下。结晶器内钢液的流动状态。 研究表明：水口侧孔的面积较小时，提高出口面积可减小流出速度；当流胶未充满出口时， 武汉科技大学硕士学位论文 第1 2 页 扩大出口面积，不能减小出口流速。 t h o n e y a n d s 等研究了浸入式水口侧孔面积与侧孔有效利用率的关系。侧孔的有效利 用率随k 的增大而减少。在浸入式水口截面积相同的情况下，随侧孔面积的增加，侧孔流 股的平均速度减少。如果浸入式水口的侧孔截面积过大，则易引起倒吸现象。射流出口平 均速度随侧孔面积的增大而减少。浸入式水口侧孔大小对液面波动的影响，可归因于对两 侧孔射流对称性的影响，孔径过大，两侧孔钢液流出量不易平衡：减小孔径，会使流场的 不对称性得以改善，此时会增加侧孔钢流阻力，导致水口内钢水静压头增加，迫使两侧孔 钢流更趋于平衡。但孔径过小，钢流的冲击深度增大，对夹杂物去除不利。 段崇雯等【5 6 1 采用物理模拟的方法，以鞍钢第二炼钢厂小板坯连铸机为原型，进行了浸 入式水口结构参数优化试验。结果表明：同样的浸入式水口倾角下，侧孔与中孔面积比大 的优予面积比小的，高拉速应采用较大面积比的水口，但是面积比过大容易引起倒吸。 周平等【5 7 1 以攀钢连铸板坯结晶器为原型，采用水模拟实验研究了拉速、结晶器宽度、 水口结构等参数与结晶器流场、液面波动、流股行为及兴杂物上浮状况之间的关系。结果 表明：出孔面积比小的水口，火杂物去除效果好一些，铸坯表面质量更好。 ( 3 ) 水口内腔结构 在设计水口时，要考虑水口底部和水口内壁形状。不同的形状将对钢液流出状念产生 不同的影响。 ( i ) 水口的底部形状的影响 浸入式水口的底部形状大致可分为平底型、凹型、凸型三种，如图1 5 1 3 6 1 所示。 图1 5 水口底部形状 a 平型底部结构b 凹型底部结构c 凸型底部结构 n t s u k 砌o t o 等【5 8 l 利用l ：l 水模型研究了这三种底部结构的水口对射流出口速度的影 响，得出如下结论：用凸底型水口射流下部速度大，这时引起水口上部的回流。但使用平 底型和凹型水口，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的 干扰作用。 张乔英等5 9 1 就板坯连铸结晶器浸入式水口不同的底部形状，利用p h o e n i c s 软件对其 钢液流场、温度场进行了数值模拟，结果表明浸入式水口底部形状对结晶器内钢液流场和 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 温度场有很大影响。其原因在于不同的底部结构对降低钢液注流湍动能和改变射流角的程 度不同，凹型底部结构浸入式水口对钢液注流缓冲作用最明显，相同条件下，将导致冲击 深度减小，这将有利于气泡的上浮和夹杂物的去除；浸入式水口的底部结构形状对结晶器 内温度场的影响表现最为明显，凸型底部结构浸入式水口的高温区与平底结构水口、凹底 结构水口相比位置低，液面温度最低，冲击点温度最低。 商文芳等i 删利用l ：2 水模型试验与生产实际比较，得出凹底水口的流股穿透深度比凸 底水口降低3 0 4 0 ，偏流及液面形成紊流的情况大有好转，且夹杂物上浮时间短利于夹 杂去除。在工厂试验中，对铸坯进行金相分析，发现凹底水口与凸底水口相比，铸坯中央 杂物的总个数、平均长度、单位面积个数和夹杂物面积百分数均有不同程度降低。同时利 于保护渣的熔化。但存在开浇时结晶器内钢液上翻和水口出口处耐材受侵蚀较严重的问 题。 万晓光等川采用水模型的方法，对底部为倒“y ”型和凹型两种结