（钢铁冶金专业论文）板坯连铸结晶器旋流浸入式水口的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 结晶器水口在连铸过程中起着重要的作用。随着对连铸坯质量和产量要求的 提高，传统连铸结晶器浸入式水口也暴露出越来越多的缺点和不足，板坯连铸中 使用双侧孔浸入式水口的传统浇铸系统面临进一步改善钢液流动模式的要求和困 难。基于上述传统连铸系统中存在的问题，连铸过程中需要开发一种新的水口以 满足生产要求。 本课题依据某厂1 4 5 0 连铸机设计出了实用新型旋流s e n ，并通过水力学模型 实验和流场和温度场的耦合模拟，研究了旋流水口在板坯连铸中的作用以及对钢 液流场的影响。研究表明： ( 1 ) 旋流水口两侧底部无漩涡，水口底部有一个半圆形湍流区，水口出口处 基本充满，出口下半部分与上半部分的速度差减小；无水口两侧涡流卷渣现象， 可提高拉速而不卷渣；出口倾角与旋流角相反时可明显减少液面卷渣现象的发生； 弯液面处波动幅度与1 4 处液面波动幅度基本一致，有利于保持液面渣层的稳定。 ( 2 ) 水口内流体在旋流作用下产生切向速度，增加了钢液对水口内壁的摩擦， 可减少钢液中a 1 2 0 3 夹杂物在水口内壁的付着，防止水口由于a 1 2 0 3 在内壁的付着 沉积而产生堵塞。 ( 3 ) 由于旋流的作用，流股发散并轻微冲击到窄面上，冲击面积大，流股在 窄面上的冲击压力减少，冲击深度减少。 ( 4 ) 结晶器内上回流区温度升高，有利于液面保护渣的熔化，提高铸坯质量。 关键词：旋流水口，物理模拟，数学模拟，连续铸钢，炼钢 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t n o z z l ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ed u r i n gc o n t i n u o u sc a s t i n go fs t e e l 1 1 1 ec o n v e n t i o n a l s u b m e r g e de n t r yn o z z l e ( s e n ) h a ss o m ed i s a d v a n t a g e st h a ti tc a n tm e e tt h en e e df o r c a s t i n go fh i g hq u a l i t ys t e e li ns o m ec a s e i no r d e r t op r o m o t et h es t e e lp r o d u c t q u a n t i t y a n dq u a l i t y , an e wn o z z l es h o u l db ed e v e l o p e dt os a t i s f yt h en e e d o fc o n t i n u o u sc a s t i n g p r o c e s s s w i r l i n gs e nw a sd e s i g n e da c c o r d i n gw i t h1 4 5 0c o n t i n u o u sc a s t i n gc a s t e ru s e di n o n es t e e l r n a k i n gp l a n t b yu s i n gw a t e rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dc o u p l i n gs i m u l a t i n g o ff l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do fm o l t e ns t e e li nt h em o u l d , t h ee f f e c ta n d m e c h a n i s mw e r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h ec a l c u l a t e da n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t e dt h a t - ( 1 ) t h e r ei sn oe d d ya to u t l e tb o t t o mo fs w i r l i n gs e n ；s l a ge n t r a p p i n gc a nb e e l i m i n a t e da tt h eu p p e rs i d eo fs w i r l i n gs e nn e a rl i q u i dl e v e l r 玎1 eb e t t e rw a yt o m i n i m i z es l a ge n t r a p p i n gi sk e e pt h es w i r l i n ga n g l ei no p p o s i t i o nt oo u t l e ta n g l eo fs e n i nt h es i t u a t i o no fe x p e r i m e n t , i ti sb e l p 伽t oi n c r e a s et h ec a s t i n gs p e e do fs t e e l ( 2 ) u n d e rt h es w i r l i n ga c t i o n , t a n g e n t i a lv e l o c i t yo ff l o ww i l lb ef o r m e da l o n gw i t h t h ew a l lo fn o z z l e ，t h ea x i a lv e l o c i t yw i l lb er e d u c e d , t h e r e f o r e ，i nt h i sw a yt h ec l o g g i n g o fn o z z l ew i l lb ed e c r e a s e d ( 3 ) b yu s m gs w i r l i n gn o z z l e ，t h eo u t l e tv e l o c i t yo ff l o ww i l lb es l i g h t l yr e d u c e d , a n di m p a c tf o r c ei sw e a k e n , w h i c hw i l lr e s u l t si nt h ew i d e ri m p a c t e da r e aa n dm o r e s h a l l o wi m p i n g i n gd e p t h 1 1 1 es o l i d i f i c a t i o no fs t r a n ds h e l lw i l lb em o r ee v e na n dt h e d e f e c t so ns u b s u r f a c ew i l lb ee f f e c t i v e l ye l i m i n a t e d ( 4 ) t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o w nt h a tt h eh e a tc e n t e ro ft h ef l o wi nm o u l dw i l l s l i g h t l ym o v et ou p p e ra r e an e a rt os u r f a c eo fl i q u i ds t e e l ，w h i c hl e a d st ow e l lm o l t e no f m o l df l u x e so nl i q u i ds t e e ls u r f a c ei nm o u l d k e y w o r d s ：s w i r l i n gs e n , w a t e rs i m u l a t i o n , m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n , c o n t i n u o u sc a s t i n g ，s t e e l m a k i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：戈久砭纹签字日期：矽p 年夕箱钿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，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。本人授权重废盍堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在兰年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ) 学位论文作者签名：彳久帝u 萝、 导师签名： 签字隰矽垆阳p 签字隰洲年z 刖日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 连铸技术概述 1 1 1 国外连铸技术的发展概况 连铸技术首先于1 9 3 3 年应用于有色金属的浇铸，但用于钢的连续浇铸自上世 纪5 0 年代初才开始进入工业化阶段。这期间连铸关键技术取得突破，英国人哈里 德采用负滑脱的振动方式有效的解决了铸坯与结晶器壁的粘连问题，并克服了钢 的熔点高、导热慢、热容大以及凝固慢等浇铸过程中的不利因素。世界第一台钢 坯连铸机于1 9 5 1 年在前苏联建成投产，随后钢的连铸技术得到了迅速的发展，奥 地利首先在1 9 6 4 年建成了第一台弧形连铸机，此期间多项关键性连铸新技术【l 卅 得到应用( 见表1 1 ) 。目前不仅可以连铸成方坯、圆坯、扁坯，也可铸出2 米多 宽的宽板坯、5 0 毫米的薄板坯以及形状复杂的异形坯，单台连铸机的年产量可从 几万吨到上百万吨。到2 0 世纪末期，西方工业国家连铸比超过9 0 ，其中日本为 9 7 ，美国为9 4 ，欧共体达到9 5 。 表1 1 关键性连铸新技术 t a b l e1 1 k e yi l e wt e c h n o l o g yo f c o n t i n u o u sc a s t i n g 1 1 2 我国连铸技术的概况 我国早在上世纪5 0 年代就已经开始了连续铸钢的研究开发工作。1 9 5 8 年，重 钢建成了我国第一台立式双流连铸机，随后在1 9 7 0 年代，浸入式水口和保护渣浇 铸在我国得到应用。改革开放以后，国外先进的连铸技术在我国得到应用和发展， 通过引进和吸收，高校连铸关键技术在我国取得突破性进展，薄板坯连铸和中厚 重庆大学硕士学位论文l 绪论 板坯连铸攻关成功，并在珠江、邯郸、包头等钢厂投产。电磁连铸技术也已经在 一些厂家得到应用，连铸用耐火材料已能够满足需要，工艺技术装备日益完善， 到2 0 0 3 年，我国运转的连铸机已达3 0 0 多台套，铸坯产量达到近2 0 9 亿吨，连铸 比达到9 4 。 1 2 连铸浸入式水口的作用 结晶器水口在连铸过程中起着重要的作用。使用浸入式水口和敞开式水口相 比，可有效防止钢液在浇铸中的的二次氧化，同时也可避免钢液注流的飞溅和卷 渣问题，调整钢液在结晶器内的流速和流股分布，改善结晶器内钢液温度场和速 度场，便于坯壳的均匀生长，降低铸坯中的夹杂物，提高铸坯质量。水口出口的 参数影响钢液在结晶器中的流动状态，采用单孔直通水口，冲击深度最深，液面 水口周围波动最大，易于卷渣；而采用箱形双侧孔结构水口注流冲击深度最浅， 并且在拉速达到一定值后，继续提高拉速其冲击深度不再增加。 1 3 传统连铸水口的发展 1 3 1 结晶器水口的结构发展 自1 9 6 5 年浸入式水口在德国曼内斯曼公司被采用以来，浸入式水口已得到了 广泛的应用。目前，所使用的水口单孔直水口、双侧孔水口、四侧孔以及不对称 水口，但广泛使用的浸入式水口仅为单孔直水口和双侧孔水口两种。单孔直通水 口如图1 ( b ) 所示，其主要应用于小方坯和矩形坯的浇铸，注流为一股射流，冲 击力大，冲击深度较深，流动区域集中在水口附近，流场不均衡。双侧孔水口主 要应用于浇铸宽厚板坯、中厚板坯以及c s p 薄板，注流经水口两侧流入结晶器， 并在水口的两侧形成回流。双侧孔水口的倾角和孔形结构影响流场分布，倾角的 选择应视浇铸的钢种而定，倾角的基本形式如图1 1 中( a ) 、( c ) 所示；浸入式 水口基本孔形也不相同，有圆柱形、箱形和椭圆形等。薄板坯采用扁水口，异形 坯浇注采用漏斗形直筒式水口或三开口水口等。就方坯连铸而言，目前国内外大 都采用漏斗形直筒式浸入式水口。 新谷等人就浸入式水口流钢孔的形状进行了水模型实验。实验采用4 孔互水口 和向下大角度2 孔型水口。关于抑制液面波动和结晶器保护渣熔融层破坏问题， 向下角度大的2 孔型水口比4 孔型水口好；但在抑制因结晶器保护渣和钢中夹杂 物而造成缺陷方面，4 孔型水口比向下角度大的2 孔型水口好。另外，从钢水流速 方面看，4 孔型水口的钢水流速均匀，波动小，因此适合于控制钢水流速分布。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 薄板结晶器形状各不相同，因而其水口的结构形状也不相同，表1 2 为当前应 用的薄板坯结晶器水口的基本结构和材质特征。基于薄板坯连铸结晶器结构的要 求，水口应满足如下条件： ( 1 ) 浸入式水口与结晶器壁保证一定的距离，以防距离过短凝钢； ( 2 ) 浸入式内截面积应满足提供足够的钢液通量，保证拉速； ( 3 ) 浸入式水口应有足够的壁厚，确保使用寿命。 a 双侧孔水口b 直通水口c c s p 浸入式水口 图1 1 浸入式水口基本类型 f i g 1 1 f u n d a m e n t a ls t y l eo fs e n 表1 2 薄板坯结晶器浸入式水口 t a b l e l 2s e no f t h i ns l a b 1 3 2 结晶器水口的材质发展 浸入式水口的使用寿命很大程度上受保护渣侵蚀和a 1 2 0 3 粘附堵塞的影响。因 而防堵塞问题是浸入式水口材料的主要研究方向之一。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 传统浸入式水口的材质主要有熔融石英s i 0 2 、a 1 2 0 3 - - c 、址0 3 一c s i c 、z r 0 2 等。浇注不同钢种应采用不同材质的浸入式水口，熔融石英式水口主要原料为熔 融石英，采用等静压成形，经高温烧成；特点是导热系数小，热稳定性好，使用 时无需加热，但不适合浇铸含猛量高的钢种，浇注低碳铝镇静钢使用材料时，以 无碳和s i 0 2 为基础的材质中，通过使用尖晶石( m g o ) ，可望防止a 1 2 0 3 堵塞水 口，并防止浇注超低碳钢时碳的升高。铝碳质水口主要原料为刚玉和石墨，添加 硅和碳化硅等，这种水口对钢水适应性强、耐冲蚀，但不适合浇铸铝镇静钢，在 使用时必须加热才可使用，渣线部位易受侵蚀。铝锆质水口则克服了铝碳质水口 不耐侵蚀的缺点【5 6 l 。在浇铸硅钢时宜采用硅质水口。 定径水口浇铸主要用于小方坯连铸机，定径水口的关键问题是要求水口的孔 径在浇铸过程中保持不变，以保证稳定的拉速。因此该水口需用高耐腐蚀性的耐 火材料制成，基于这种水口的使用要求，目前通常使用的定径水口材质为锆质， 含z r 0 2 为6 0 - - 9 5 。 新型浸入式水口的耐火材料主要有： ( 1 ) o - s i a l o n - - z r 0 2 材料。采用反应烧结制备的07 s i a l o n - - z r 0 2 复合材料， 具有较好的高温力学性能和优良的抗氧化性能，且抵抗钢水和保护渣侵蚀的能力 较强，特别是良好的抗a 1 2 0 3 沉积、防水口堵塞性能，使得这种材料成为新一代浸 入式水口的侯选材料。 ( 2 ) z r 0 2 一c a o b n 材料。这是一种不含炭质的新型耐火材料，适用于高 纯洁钢连铸浸入式水口。由于材料中的c a o 与钢液中的a 1 2 0 3 生成低熔点的化合 物而被钢水带走，同时材料形成致密光滑的z r 0 2 - - b n 表面层，以及钢水对b n 的 难湿润性等，使得水口的抗舢2 0 3 沉积和防堵塞性能显著提高。 ( 3 ) s i 3 n 4 一c 和s i 3 n 4 一b n z r 0 2 材料。该材料利用加入s i 3 n 4 和b n 等氮 化物，改变钢水与水口壁的湿润性，从而水口防止堵塞。同时，在与高温接触时， 加入氮化物与c 反应放出氮气，在水口壁上形成一层气膜，有效地减少a 1 2 0 3 与 水口内壁的附着频率，拟制灿2 0 3 的附着，防止水口的堵塞。 ( 4 ) c c a o z r 0 2 材料。利用c - - c a o - - z a 0 2 材料制作的水口，能在水口界 面上形成低熔点层，加之水口内表面存在z r 0 2 的显微多晶体，有利于c a o 和a 1 2 0 3 的弥散，可以在较长时间内维持界面低熔点层，抑制a 1 2 0 3 附着。 1 3 3 水口对结晶器内流场的影响 结晶器是控制钢水清洁度的最后环节，结晶器内的流动方式不仅对夹杂物的 行为影响很大，而且对凝固初期凝固壳的传热产生较大影响。因此，研究不同操 作条件下结晶器内钢液的流动特征己引起研究人员的高度重视。李宝爿7 1 、唐学林 a l 、谭利坚【9 】等对液面涡流和液面波动进行了研究。文光华、何俊范【1o 】采用k - - e 双 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 方程模型和雷诺方程计算出了拉速13 m r a i n 条件下连铸结晶器内的三维湍流场， 且与实测流场一致。 关于湍流场的传热计算，文献报道了有效导热模型和耦合求解模型两种数值 求解模型“。连铸过程本质上是一个相变传熟过程。在此过程中，除了通过凝固 坯壳进行熟传导外，还存在着复杂的流体流动所引起的湍流换热或对流换热。这 些流动包括由水口注流引起的湍流流动、温度梯度引起的自然对流和浓度梯度引 起的浓度浮力流动以及凝固收缩和电磁搅拌等引起的流动。 熔渣卷入所造成的缺陷是连续铸造过程的主要问题之一。超低碳钢表层缺陷 6 0 以上是由卷入的熔渣造成的。熔渣卷入一般是由于钢水在铸模壁面的回流和 喷嘴附近的涡流等不稳定流场引起的，其中钢水的注入速度、表面的波动和熔渣 性质等均是重要的影响因素。为防止水口堵塞和二次氧化，需要往钢水中注入氩 气，但是吹氩后由于气泡的上浮又严重影响到流场特征，造成钢水注入速度的脉 动和涡动加剧，造成卷渣。关于结晶器液面卷渣，目前文献记载主要有漩涡卷渣 和结晶器窄面卷渣两种。 包燕平等【1 4 对漩涡卷渣进行了研究，漩涡卷渣形成的原因是在浸入式水口附 近及结晶器中心处存在漩涡。其形成机理为： ( 1 ) 在结晶器水口出口处，由于水口出口对中不良、水口堵塞或水口冲蚀造 成水口两侧流股的出口速度和方向不对称，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， 形成漩涡夹渣 一；，广9 l z 厂朔 叫 m r 5 = 剖 图12 结晶器液面卷渣机理 f i 9 12 s l a ge n t r a p p i n g m e c h a n i e sa t i n t e r f a c e o fs l a ga n d l i q u i ds t e e l i n m o l d ( 2 ) 由于射流从水口流出时形成负压，导致在水口两铡形成汇流漩涡。结晶 器窄面卷渣，即在结晶器弯月面附近由于形成驻波而产生的剪切卷渣。其形成机 重庆大学硕士学位论文1 绪论 理为：水口喷出的流股与窄面相碰后形成上、下两个流股，沿窄面向上的流股因 具有向上的速度，引起弯液面附近的钢液面波动【1 3 1 4 ；钢流在由窄面向中心流动 时对钢一渣界面产生剪切作用，部分保护渣在摩擦力作用下随此流股流动。在浮 力的作用，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，结晶器内钢液面卷渣机理见图1 2 。 1 3 4 传统水口面临的技术问题 近年来，随着对连铸坯质量要求的提高，传统连铸结晶器浸入式水口也暴露 出越来越多的缺点和不足，随着对钢材产品产量和质量要求的提高，板坯连铸中 使用双侧注流浸入式水口的传统浇铸系统面临进一步改善钢液流动模式的要求和 困难。众所周知，水口结构对结晶器内钢水的流动状态、温度场分布、传热、两 相区流动以及凝固等有直接的影响，既要考虑避免钢流对窄边铸坯壳的冲刷，也 要考虑让高温区分布在钢液面，有利于保护渣的融化。在传统连铸系统中，浸入 式水口的出口和弯月面附近钢水存在周期为1 0 1 5 s 的高幅振动。高拉速会引起板 坯结晶器内钢水流动过快，使结晶器液面翻卷加剧，易产生卷渣现象，而且钢水 流股对铸坯窄边冲击过大，会使凝固坯壳厚薄不匀，造成裂纹。同时，使用传统 水口时水口内壁易于附着灿2 0 3 ，尤其是在连铸铝镇静钢等钢种时，钢液中的a 1 2 0 3 颗粒可能会附着于铝碳质浸入式水口和铝锆碳质复合浸入式水口内壁上，使水口 内径缩小，严重时甚至造成成水口堵塞，影响连铸机的正常工作。传统结晶器浸 入水口在使用过程中，出口流速不均衡，出口面积和结构在使用末期变化较大， 影响钢液的流场。基于上述传统连铸系统中存在的问题，连铸过程中需要开发一 种新的水口以满足生产要求。 1 4 旋流水口的研究现状 1 4 1 旋流水口的结构 自1 9 9 4 年横谷真一洲1 5 】提出旋流水口以来，国内外学者对旋流水1 2 1 的结构以 及对流场、温度场、钢液凝固等的影响进行了详细而深入的研究，尤其以日本的 横谷真一朗，原田贵文、高木茂男等最具代表性。目前试验水口主要有单孔直水 口和双侧孔水口两种，在板坯、方坯以及圆坯实验中均取得了明显的效果，图1 3 是一种最具代表性的旋流水口结构，其中a 为横谷真一朗【1 6 j 1 9 9 8 年提出，b 为横 谷真一划1 7 1 2 0 0 1 年提出，随后，住友金属株式会社的蟓口友一和九州耐火株式会 社的原田贵文【1 8 】也进行了设计出了改进的旋流水口结构。 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 一 j 嚣 一蚓j 盐：! ： ：鲰e ，辞 s 融蝴利 $ 一揖曲r 略舡竹埔 ta 矗奴獬螺霹h 讲，眦# i a 旋流片结构和安装部位b 旋流片结构和安装部位 图1 3 水模试验旋流水口示意图 f i g 1 3 s c h e m a t i co f w a t e rs i m u l a t i n gs w i r ls e n 崔小朝也进行了自旋水口的研列1 9 刎，并于2 0 0 2 年提出) ( ，形自旋水口结构， 水口使用材质和性能见表1 3 和表1 4 ( 不含x 形旋流片) ，研制的“x 形浸入式水 口在唐山钢铁公司一炼钢2 # 、3 # 连铸机和二炼钢l # 、2 # 连铸机使用试验。试 验研究表明，水口内安装旋流片后，安装处由于钢液的旋流作用，水口安装处内 壁和渣线处冲刷严重。 表1 3x 形浸入式水口的化学组分 4 1 ( 晰) t a b l e l 3c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f xs e n 表1 4x 形浸入式水口的性能( 不含x 形旋流片的性能) t a b l e l 4p e r f o r m a n c eo f xs e n 1 4 2 单孔直通水口 传统水口在浇铸铝镇静钢时，由于钢中灿2 0 3 颗粒可能会附着于铝碳质浸入式 水口和铝锆碳质复合浸入式水口内壁上嘲，使水口内径缩小，严重时甚至造成水口 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 堵塞，影响连铸机的正常工作。原田贵文等【2 0 】研究了旋流水口在浇铸铝镇静钢内 壁夹杂物附着程度以及出口侵蚀的变化情况。该实验在板坯连铸机上进行，实验 后与未使用旋流片的水口比较。结果表明：使用传统水口浇铸铝镇静钢种时，水 口内壁和出口处充满2 0 3 附着物，其中上部a 1 2 0 3 附着物最多，同使用前相比， 尺寸出现变化一高度、宽度、面积分别缩小了3 6 5 、3 2 5 、4 6 ；使用旋流水 口浇铸铝镇静钢种时，旋流片的上部也出现了a 1 2 0 a 附着物，但由于旋流的作用， 旋流片的下部砧2 0 3 附着物减少，水口出口的a 1 2 0 3 附着物较少。同使用前相比， 高度、宽度、面积分别缩小了8 、l o 、1 4 ，即使在拉速较低的情况下，仍能 得到上述结果。由此可见，旋流水口可明显降低水口堵塞。 单孔直通水口一般用在板坯和圆坯连铸中，传统直通水口浇铸时，水口出口 处横截面上的速度分布呈柱状，由于粘性力的作用，在水口壁附近急剧减小到0 ； 单孔喇叭形水口出口处横截面的速度分布则表现为最大速度在中线附近，最大速 度分布宽度同前者相比明显变窄，然后逐渐减小到侧壁处。 q 2 o ，1 5 3 0 1 0 ，0 5 o 02 04 06 0 8 01 0 0 i m m e r s i o nc l e p t h ( 嗍 图1 4 弯液面处最大径向速度分布 f i g 1 4 m a xr a d i a lv e l o c i t ya tm e n i s c u sw i t hd i f f e r e n ti m m e r s i o nd e p t h j 删豫旆d e 幽( m 棚) 图1 5 弯液面处最大温度分布 f i g 1 5 h i g h e s tt e m p e r a t u r ea tm e n i s c u sw i t hd i f f e r e n ti m m e r s i o nd e p t h 8 重庆大学硕士学位论文1 绪论 告 霎三 氛 h 一， w 、一、 厂 鼍 耋： a 旋流单孔直通水口b 旋流单孔喇叭形水口 图1 6 水口出口l m m 处轴向速度分布 f i g 1 6 a x i a lv e l o c i t ya td i s t a n c el m mf r o mn o z z l eo u t l e t 单孔直通水口的高温区在水口出口下端，不利于坯壳的凝固，液面温度较低， 不利于保护渣的熔化且易结壳，弯液面附近不活跃，传热和传质效果不好；单孔 喇叭形旋流水口同单孔直通水口相比则有明显改善，钢液从喇叭形出口流出后冲 击到侧壁上形成上下两个流股，上流股沿侧壁流到弯液面附近再流向水口形成上 回流区，弯液面和表面活跃，温度升高，有利于表面保护渣熔化形成渣膜以及夹 杂物的上浮并被保护渣吸收，弯液面处质量和热量传输效果明显改善。插入深度 与弯液面最大径向分速度的关系见图1 4 【l6 】所示( 其中水口出口轴向平均速度为 2 m s ，切向速度为1 7 2 州s ) ，插入深度与弯液面的最大温度见图1 51 1 6 】所示( 其中 水口出口轴向平均速度为2 m s ，切向速度为1 7 2 m s ) ，可见对于单孔旋流喇叭形 水口，随着插入深度的增加，弯液面处径向最大分速度和最大温度急剧减小，而 单孔直通水口在弯液面处的最大温度和最大速度则变化不大，由此可知，旋流有 助于熔体过热度的耗散，结晶器内流体系统简单化，便于水口制造，降低水口的 磨损、堵塞。 横谷真一朗等【1 5 】研究了单孔直通旋流水口和单孔喇叭形旋流水口的流场分 布。该实验为水模型方坯连铸，测速采用l d v ，水模实验两种水口底部l m m 处 轴向速度的分布图见图1 6 所示( 其中出口与对立面间距离为1 2 r a m ) 。由此可见， 采用旋流直通水口时其速度分布极不均衡，在中线两侧靠近侧壁处出现两个速度 尖峰，其中最大速度达到2 5 m s ；喇叭形旋流水口的速度分布比较均衡，中线附 近的速度分布与单孔直通旋流水口的速度分布相反，由此可知，喇叭形旋流水口 要优于单孔直通旋流水口，流场更为合理，温度场分布较为均衡。 喇叭形旋流水口的冲击深度紧为5 0 m m ( 出口处为o ) ，而喇叭形无旋水口的 冲击深度达到3 0 0 r a m ，两者轴向速度分布对比见图1 7l l 引，其中z 为轴向距离水 口出口处的高度，旋流速度为1 7 2 m s ，轴向平均速度为2 m s 。可见旋流水口在出 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 口下方5 0 m m 处，速度已基本均衡，而无旋水口在水口下方3 0 0 r a m 处才达到均衡。 因此，旋流水口可大大降低冲击深度，稳定流场速度分布。 横谷真一洲1 6 】研究了旋流强度对流场的影响，单孔喇叭形水口出口处横截面 的轴向速度分布见图1 8 所示，由此可知中心线附近的速度最大，随着旋流速度的 增加，中心线附近的轴向速度逐渐减小，横截面轴向速度分布极不均衡；旋流速 度达到1 1 7 2 m s 时，中心线轴向速度在o 附近，方向向上，速度分布比较均衡。 蟓口友一【2 1 】研究表明，对于单孔喇叭形旋流水口，当s w = 0 3 时，流股冲击到结晶 器壁后开始出现上升流。由此可知，当s w o 3 时，结晶器内钢液流场才出现明显改善作 用。 n o z z l l 础 _ - - _ _ _ - _ l _ - 一厂 、- j z = 5 m l， | ，l 弋l 三z = 5 d m i 、 。2 型 l- r ” t l 。士二蒯一 l ，、 e 气一 一2 净啊舶呻 m o l t e n8 t l - 7 5 - 的- 2 50 2 55 07 5 r _ 卤棚p o s i t i o n m m 图1 7 计算轴向速度分布图 f i g 1 7 c a l c u l a t e da x i a lv e l o c i t y 图1 8 水口出口处4 种不同旋流强度的水口径向速度剖面图 f i g 1 8 a x i a lv e l o c i t ya tt h en o z z l eo u t l e tf o rf o u rd i f f e r e n ts w i r l i n gs t r e n g t h 1 0 5 o 5 ， o 5 1 o 5 n q q o (11)嘉g一竽|譬cv (-、_)，基i，11薯 重庆大学硕士学位论文1 绪论 水口不完全对中在生产中经常碰到，且是不可避免的。水口的不对中或偏置时， 结晶器内的流场发生变化，水口两侧结晶器内液面波动不一致，水口距离窄面较 近的一侧液面流动速度大，弯液面波幅增加，上回流区温度高，涡流强烈；距离 水口较远的一侧液面流动速度稍小，弯液面处波幅也小，上回流区温度稍低，在 水口距离窄面较远的一侧水口旁边出现漩涡，因此在出现漩涡处和水口距离窄面 较近的一侧易卷渣，由于结晶器内的温度场发生变化影响铸坯质量。横谷真一朗 等【2 3 】进行了连铸过程中的水e l 偏置研究，该实验采用水模拟，水口为有机玻璃制 作，水模结晶器断面为1 5 0 m m x l 5 0 m m ，水口为单孔喇叭形。试验结果表明，偏置 距离为3 0 m m 时，有旋流片的水口在出口下方l o o m m 的地方就可可获得轴对称的 轴向速度分布；无旋流片的水口在出口下方2 0 0 m m 处轴向速度分布仍不均衡，轴 向速度峰顶处在水口距离结晶器壁较近的一侧器壁附近。 1 4 3 双侧孔水口 双侧孔水口主要用于板坯连铸机，钢液经水口两侧进入结晶器，冲击两侧的 窄面，并形成上下两个回流区，同单孔水口相比液面温度上升，弯液面活跃，质 量和热量传输增加。横谷真一朗等【2 4 】研究了双侧孔旋流水1 ：3 的流场，该实验采用 水模拟，只考虑f r 准数，结晶器模型与原型比为1 ：2 ，水口出口为倒“y 形，采用 l d v 测速，模型结晶器断面为6 2 5 x 8 0 m m 。研究表明，旋流双侧孔水口同传统双 侧孔水口相比，在同样的拉速条件下，冲击深度减小，液面温度上升，弯液面更 趋活跃；使用传统双侧水口时在水口出口处和弯液面处发现1 0 1 5 s 的高幅振荡， 而使用旋流水口后，这些高幅振荡得到抑制，在出口附近很短距离内速度便趋于 均衡而平静，弯液面处的流动速度降低。流股从水口出口流出后，轻微的撞击另 一宽面，然后再同一横截面上沿窄面返回成“s ”形，在竖截面上成顺时针转动流动； 流股对结晶器内壁形成剪切作用，消耗大量能量，流速降低，弯液面处湍动弱化， 大大抑制了结晶器内钢液流动产生的自激振荡，因而可获得结晶器内钢液的稳定 的整体流动效果。 关于结晶器内钢液表面波动的现象【2 5 , 2 6 , 2 7 1 ，前人研究认为主要有3 种情况：水 口吹氩引起的波动、结晶器窄面附近出现的液面波动和浸入式水口附近出现的漩 涡波动。关于水口吹氩引起的表面波动，主要原因是水口吹氩后，氩气泡在结晶 器内上浮到表面所引起的；结晶器内的流体在铸流的冲击作用下，沿流股分上下 两个回流区，其中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 器液面中心方向流动，在上回流区和保护渣之间的剪切力作用下，引起了结晶器 窄面附近的液面波动，并且在弯月面附近存在着明显的波峰和波谷。 谭利坚等模拟研究了使用传统双侧孔水口结晶器内液位波动的现象【l o 】，研究 表明：钢液从水口出口处喷出，其撞击到结晶器侧壁的冲击点位置与出流角度相 重庆大学硕士学位论文1 绪论 对应沿水口出流方向，钢水冲击窄面后分离形成上下流股，并分别发展成两个 回流；上回流的中心随出口角的向下偏移而下移，随出流速度的增加向结晶器侧 壁偏移；回流中心离钢水自由表面或结晶器侧壁愈近，液位波动幅度愈大。水口 出流角向下，结晶器中钢水向水口返回流动的体积减小，有利于抑制液面波动， 液面波动幅度随水口出流速度( 拉坯速度) 增加而急剧增加。横谷真一朗研究表 明，流股从出口流出后，部分流股轻微撞击到窄面后分成上下两个流股，上流速 度降低，液面波动幅度降低表面和弯液面流动稳定。 水口出口高度对出口流速影响较大，横谷真一朗【2 s j g l 设计了高度分别为 2 0 r a m 、4 0 r a m 、6 0 r a m 、8 0 r a m 四种出口结构。水模实验结果表明：在2 5 m m - - 6 0 m m 之间，随着高度的增加出口最大横向分速度减小，上口边减小的慢，下口边减小 的快，在高度为6 0 m m 时横向速度分布为三角形，而高度大于6 0 m m 时，速度分 布变化不明显；在2 0 m m - - 6 0 m m 之间，弯液面处最大速度随着出口高度的增加而 减小，而超过6 0 m m 后，则变化幅度已经很小；在旋流指数一定时，结晶器内的 整体流动在不同的拉速下具有相似的特征。 高木茂男等【3 0 】研究了大板坯连铸机采用旋流水1 3 的效果。该实验采用1 ：2 和 l ：1 的水模拟实验，并进行数值计算，原型结晶器断面为1 8 5 0 m m x 2 1 0 m m ，l d v 测速，测定旋流指数为o 8 1 。结果表明弯液面下2 5 m m 处轴向速度分布一致，较 大的流速变化得到抑制，降低了弯液面附近的上升流速，从而减轻弯液面和液面 波动，大大抑制结晶器内钢液的湍动流，脉动流和涡流。 高木茂男等【3 1 ，3 2 】对等径和异管减径旋流水口进行了研究。实验介质为水，且在 等温下实验，结晶器断面为1 8 5 0 m m x 2 1 0 m m 。研究表明，异管减径水口明显缓和 了水口内的偏流现象。 1 4 4 电磁搅拌与旋流水口结合的研究 目前，电磁技术在连铸过程中主要用于电磁制动和电磁搅拌，其目的是改变 钢液凝固过程中的流动、传热和溶质的分布，进一步影响连铸坯的凝固组织。与 常规连铸相比，电磁制动能够降低结晶器内钢液向下冲击的深度，促进凝固前沿 非金属夹杂物的上浮，稳定弯液面的波动，促进保护渣的均匀分布。电磁搅拌能 够加强液芯内钢水的对流运动，均匀钢液过热度，打碎树枝晶，促进非金属夹杂 物和气泡的上浮，促进等轴晶的形成，减轻中心偏析和中心疏松等。 关于静磁场对钢液内夹杂物的影响，前人已有研究。据文献报道【3 3 1 ，随着静 磁场磁感应强度的增大水口出流和上下返流受到的抑制增强；随着静磁感应的下 移，静磁感应对上返流和水口出流的影响减弱，但对下返流的抑制作用不变。影 响铸坯内部夹杂物分布状态的主要是下返流，对下返流的抑制有利于内部夹杂物 的均匀分布；影响皮下夹杂数量和夹杂物去除率的主要是上返流，对上返流的抑 1 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 制和二次回旋流的形成有利于皮下夹杂的减少和夹杂去除率的提高。 02 04 0 6 08 0 1 0 0 d e p t hb e l o w 聪n i s c u s a i m 1 无旋流，b o ：2 旋流，0 2 5b o ；3 旋流，0 5b o ；4 旋流，o 7 5b o 图1 9 弯液面下不同深度与过热温度的关系 f i g 1 9r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n ts u p e r h e a t i n ga n di m m e r s i o nd e p t hb e l o wm e n i s c u s 横谷真一朗等【3 2 】研究了旋流水口和电磁搅拌相互结合情况下弯液面的传热效 果。该实验为实机实验，水口内径为5 0 m m 的喇叭形单孔水口，水口入口钢液温 度过热2 5 0 ，( 当有旋流片时) 旋流速度方向与搅拌速度方向相反，s w i r l = 0 8 ，试 验结果如图1 9 和图1 1 0 所示( b o 为磁感应强度幅值) 。由图可见，无旋转作用时， 温度大致相同，呈过冷态分布；电磁搅拌和旋流作用结合后，随着深度增加，温 度上升。因此，电磁搅拌和旋流作用相结合浇铸弯液面活跃，可促进弯液面附近 热量和物质的输送。 02 04 06 08 01 0 0 d e p t hb e lo w i e n is c u s 抽 旋流作用，0 s b o ；无旋流，b o 图1 1 0 弯液面下不同深度与过热温度的关系 f i g 1 1 0r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n ts u p e r h e a t i n ga n di m m e r s i o nd e p t hb e l o w m e n i s c u s 1 3 4 2 0 8 6 4 2 o 1 1 1 】ld目苗甚旨u p苗上怼dn 5 0 5 0 5 0 5 1 l d 1 】id目苗旮d】iu p苗呈旮争 重庆大学硕士学位论文l 绪论 蟓口友一等瞰】研究了采用旋流水口在浇铸圆坯时结晶器内的流动状况。该实 验测点在弯液面下2 0 r a m ，e m s 为1 5 a ，反转，实验水口为喇叭形单孔水口。研 究表明，在回旋力的作用下，结晶器内钢液产生上升流，转速越高，上升流就越 明显，上回旋区就越活跃，液面和弯液面附近温度升高，导致热顶效应，尤其是 在电磁搅拌和强制旋转相反时最明显，有利于液面和弯液面处的保护渣熔化，这 可大大改善初期凝固坯壳的质量。旋流水口与电磁搅拌结合浇铸情况下钢液沿结 晶器壁上流与速度和旋流水口无电磁搅拌时的速度基本一致，无明显变化；下回 流速度分布明显变化。由此可见，旋流水口的出口流速对结晶器内钢液流场的影 响限定在上回流区，而电磁搅拌则主要对下回流区流场产生作用；两者结合使用 时，产生作用的上下回流区分离明显无交互作用。 林浩史等【3 4 】对电磁搅拌和旋流水口结合使用进行了研究，该实验在多流圆坯 连铸机上实机实验，水口内旋转方向与结晶器内m e m s 施加旋转方向相反。其试 验结果见图1 9 所示，旋流水口与电磁搅拌结合使用时，弯液面下部温度随距离的 增加而有明显上升，且在接近8 0 m m 处温度最高，达到1 5 2 5 ，温度场分布不利 于坯壳的形成；仅使用旋流水口时，弯液面下部温度分布基本一致，温度稳定在 1 5 1 5 ；传统水口使用电磁搅拌，弯液面下部温度较低，弯液面处温度仅为1 5 0 0 ， 不利于弯液面处的传热和保护渣的熔化。 鼍 u 刍 苗 矗 畲 昱 h g 苗 口 三 二 02 0q 0 5 u葛ul u u d i s t a n c ef r o m 皿e n js c u s 面 旋流水口，无m e m s ；_ 旋流水口，m - e m s 2 0 0 a ；传统水口，m e m s - 4 0 0 a 图1 9 不同条件下钢液温度的分布 f 培1 9t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fl i q u i ds t e e lu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n 连铸凝固过程通常要经过三个阶段：首先在结晶器表面急冷作用下形成表面 结晶区；随后各个晶粒竞争生长并在近似一维温度场作用下发生定向凝固，形成 柱状晶；在凝固后期，由于过热热的散失和在液相非自发晶核的形成而发生的等 轴晶的凝固。其最终的凝固组织中包括三个晶区，即急冷等轴晶、柱状晶和等轴 晶。 1 4 0 5 0 5 0 5 0 伯 伯 侣 他 丌 丌 重庆大学硕士学位论文1 绪论 崔小朝【1 9 ) - o l 进行了旋流水口对晶粒影响的研究，该实验采用漏斗形x 旋流水 口，浇铸钢种为q 2 1 5 方坯。研究表明，采用传统漏斗形水口浇铸时，柱状晶发达， 有中心缩孔和中心偏析；而采用父形旋流浸入式水口浇注时铸坯急冷等轴晶、柱 状晶、等轴晶和旋转流线非常明显，没有中心缩空，铸坯内部质量得到明显改善。 其根本原因在于：x 形浸入式水口浇铸时，铸坯表面温差梯度小，温度分布均匀。 在浇铸1 2 m n c u 方坯时，采用传