板坯连铸结晶器内钢液表面流速水模研究.docx

1、2007年2月30第23卷第1期炼钢SteelmakingFeb.2007Vol.23No.1板坯连铸结晶器内钢液表面流速水模研究陆巧彤，杨荣光，王新华，张炯明，王万军(北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083)摘X:以某厂板坯连铸结晶器为原型，采用1：1的水模型进行模拟实验，研究表明：增加拉速、减小水口的浸入深度、减小水口出口向下的倾角以及增加水口的吹气扯均会增加结晶器内钢液的表面流速、增大结晶器内卷渣的倾向，其中拉速的增加对表面流速的影响最大.关词：板坯连铸；结晶器；水模型；表面流速中图分类号：TF777.1文献标识码：A文章编号：1002-1043(2007)01P030P5Wa

2、termodelexperimentsonvelocityofliquidsteelsurfaceflowinslabcontinuouscastingmoldLUQiao-tong,YANGRongguang,WANGXin-hua,ZHANGJiong-ming,WANGWan-jun(SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering*UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)Abstract:Takingtheslabcastermoldofaspecificsteel

3、-makingplantastheprototype,watermodelingexperimentsonthevelocityofthesurfaceflowintheslabcastermoldunderthedifferentprocessingconditionsarecarriedoutwitha11scalewatermodel.Resultsshowthatthevelocityofthesurfaceflowinthemoldcanbeacceleratedbyincreasingthecastingspeed,decreasingthesubmergeddepthofSEN,

4、reducingthedownwardanglesofthenozzleoutletsandincreasingArflow-rate.Oftheabovementionedtechnicalmeasures*themosteffectiveoneonthevelocityofthesurfaceflowisincreasingthecastingspeed.Keywords：slabcontinuouscast；mold；watermodel?surfaceflowvelocity作者简介:陆巧彤(1971-),女(汉族)，广东德庆人，北京科技大学冶金与生态工程学院，硕士生,从事连铸工艺技术

5、的研究.在对板坯连铸结晶器内钢水流场的物理模拟研究中，主要是在实验室中建立水模型，用水模拟钢液研究结晶器中流场的形态、流股的冲击位置和旋流区的大小，观察不同水口及浇注工艺参数对钢液流场及液面波动的影响旧,但对表面流速方面的研究却较少。板坯连铸过程中，一方面要求结晶器液面平静，保护渣覆盖良好，另一方面需要在结晶器表面区域有一定的流动，加强液面区域的热交换，有利于保护渣的熔化。结晶器内钢液表面流速应在一个合适的范围之内，过大的表面流速会引起钢液裸露甚至卷渣，而过小又会使结晶器钢液面热交换不足，出现液面结壳,结晶器润滑不好，影响钢坯质量。因此，研究结晶器内自由表面的流动状况、控制表面流速,对于获得良

6、好的铸坯质量、提高连铸生产效率以及洁净钢生产具有重要意义。本工作结合某钢厂板坯连铸现场生产实际情况，建立1：1的水模型，对不同工艺条件下，拉速、浸入式水口出口角度，水口浸入深度、水口吹气量以及结晶器宽度的变化对结晶器内钢液表面流速的影响程度进行了研究。1实验方法根据相似理论，考虑到结晶器内钢水流动主要受惯性力、重力和粘性力的作用,因此应保证模型与实物中的Re数和Fr数相等。由于实际结晶器和所选的水模型中流体流动状态均已处在第二自模化区，故只要保证弗鲁德准数Fr相等即可实现两者的动力相似。本研究采用1：1的水模型进行实验。实验装置如图1所示，表1为结晶器水模型的尺寸参数。结晶器宽度/mm结艄器厚

7、度/mm水模型高度/mm浸入式水口尺寸/mm出口高度出口宽度出口厚度1100-19002502000806525«1堵水模型几何尺寸本实验采用了南京水利水文自动化研究所防汛设备厂研制的LS1206B型旋桨式流速计，对结晶器水模型内流体的表面流速进行了测定。2实验结果及分析2.1拉速对表面流速的影响图2为拉速与表面流速的关系图，比较图2中的a、b、c不难看出：虽然结晶器宽度不同，表面流速变化规律不同：结晶器宽度较小（1100mm以下）时，随着表面流向水口方向的推进,表面流速逐渐增大，到水口附近达到最大值;结晶器宽度较大（1500mm以上）时，随着表面流向水口方向的推进，流速值开始逐渐增

8、大，达到最大值后又开始逐渐减小，但是在各结晶器宽度下，表面流速的最大值均出现在距结晶器窄面350mm处。这是因为结晶器宽度较小（1100mm以下）时，表面流速达到最大值后表面流已到达水口附近，与水口和水口另一侧的表面流相遇，没有了发展空间，故表面流速呈现出逐渐增大，到水口附近达到最大值的变化规律；而结晶器宽度较大（1500mm以上）时，水口两侧表面流流动的距离增加，表面3030252015100.0.0.0.(-«.<»«扈褂05O.50100150200250300350距结晶器军边的距高/皿(a)V-V结品器宽度：UOOmn.部水口浸入深度：120mm汇

9、,欤:水口出口角度:向下】5菖席：篇芯结品器宽度：1500mm'水口浸入深度：250nn吹气量：10L/min水口出口角度：向下34-Vc=O.8m/Bin-o-Vc=.0®/zmin-A-kc=l.2/ein-V4m/ain心.6«/心A-刍一一50100150200250300350400450500距结晶器卒边的距寓/皿(b)50450.0.4035302520151005000.0.0.Q0.0.0.0.0.(-«)、*««100200300400500600700800距结初器京边的距高/血(c)结晶保宽度：1900水口浸入深

10、度：250吹气量UOL/ain水口出口角度：0。Vc=O.Wmin-o-Vc=.Om/n)in'A-c=l.2m/min-V-c=l.4m/minVc=l.6m/min05050505050506*0766554433221100QO.O.O.QO.0.0.0.0.0.0.0.0.Q图2拉速对表面流速的影响流速达到最大值后表面流尚有足够的空间发展,故表面流速呈现出先增加后减少的变化规律。拉速增大时，结晶器内自由表面的流速均有增大的趋势，但是在结晶器不同位置，表面流速变化的程度不同。由图2可见:在低拉速（1.0m/min以下）下，随着拉速的增大，表面流速的增幅不大,但在较高拉速（1.2m

11、/min以上）下，随着拉速的增大，表面流速增加很多，变化明显。这主要是因为当拉速增加时，结晶器水口出口射流速度增大,流股冲击结晶器窄面后形成的上升流的动能随之增大;上升流行至流体自由表面后改变流向，形成折返向内的表面流,此表面流的流速随着上升流动能的增加而增大，即随着拉速的增加'流体表面流速增大。随着拉速增加，当水口出口角度向下倾角较大时,对表面流速的增加幅度也有影响。如图2-b所示，在水口出口角度为34°向下、拉速小于1.4m/min时，随着拉速的增大，表面流速增加不明显,但是在拉速为1.6m/min时，表面流速值增加很明显。这是因为出口角度34°向下水口的冲击点

12、较深，上升流向上流动的距离增长，导致回上升流的沿程动能损失大，只有当拉速增大到一定程度后（1.6m/min）,才能使表面流速明显增大。2.2SEN浸入深度对表面流速的影响图3为水口浸入深度与表面流速的关系图，由图3可见，随着水口浸入深度的增加，结晶器内流体表面流速即有所减小。可以看出，对于34°向下水口，浸入深度为200mm的表面流速比浸入深度为250mm的表面流速大得不多。也就是说当水口出口向下的倾角较大时,水口浸入深度达到一定程度后，浸入深度的增加将对减小表面流速的作用不大。图3水口浸入深度对表面流速的影响对于向下25°水口，低浸入深度（120mm）的表面流速比高浸入深

13、度（200mm或250mm）的表面流速大,尤其是从水口与结晶器窄面的中心处到水口附近，表面流速增加明显;在高浸入深度的条件下，从结晶器窄面到水口附近，随着水口浸入深度的增加表面流速的下降幅度逐渐增大，如图3-b所示。2.3SEN出口角度对表面流速的影响图4所示的是4种浸入式水口出口角度对结晶器表面流速影响的关系图。由图4可见，浸入式水口出口角度从0°变化到向下34°,各测点处的表面流速基本上都是在减小的。这是因为在其它工艺参数不变的情况下，水口角度向下增大时，下部流股运动逐渐加强，流股撞击结晶器窄面的位置下移，上升流逐渐减弱,其对液面区域的扰动减弱.液面趋于稳定，表面流速减

14、小。由图4中a和c可知，对于窄断面结晶器（1100mm）和宽断面结晶器（19（X）mm）,水口出口角度的变化对结晶器窄面附近表面流速的影响不大：出口角度分别为0°和向下15°的水口在结晶器窄面附近的表面流速基本相同、出口角度分别为25°向下和34°向下的水口在结晶器窄面附近的表面流速也基本相同。这说明对于窄断面结晶器和宽断面结晶器来说,浸入式水口出口角度的变化对结晶器窄面附近的表面流速影响不大。而对于较宽断面的结晶器1500mm）来说，除水口出口角度为0°外,水口出口角度的变化对结晶器窄面附近的表面流速影响也不大（见图4-b）.由图4-b可见，

15、在宽度为1500mm的结晶器中，对于出口角度为25°向下的水口和34°向下水口，结晶器内各测点的表面流速相差不大;而15°向下水口在结晶器窄面的表面流速比水平0°水口在结晶器窄面的表面流速小了很多。综上所述，随着浸人式水口出口角度向下逐渐增大，表面流速逐渐减小。结晶器宽度不同，水口出口角度对表面流速变化的影响程度不同。2.4水口吹气量对表面流速的影响浸入式水口吹气时，气体在浸入式水口内同水进行混合并聚合生成许多气泡,大景的气泡并不随流股流向窄面，而是在不同位置脱离主流股直接浮向液面。气泡上浮到结晶器液面破裂时,会影响表面流的流动，从而导致表面流速在液面各

16、点处的流动具有不同的特征，即吹气量对不同测点表面流速的影响规律各不相同。图5为吹气量对表面流速影响的关系图。由(a)(a)50100150200250300350距结晶器窄边的距M/arn8O.O.O.O.O.O.O.？、»««*0.060.0450100150200250300350距结晶器军边的距离/皿(a)20864202522111110O.O.QO.O.O.O.O.(-S&)、«愤屈褂35302520O.O.O.O.0.050=0°。-0=向下15%-0=向下25°V-0=向下34。结晶器宽度：1500mm.拉速：1

17、.4m/min,吹气fit：OL/min.水口浸入深度：250mm距结晶器窄边的距K/urn（b）0.050.400100200300400500600700距结晶器窄边的距离/皿(b)5050503312211O.O.O.O.O.O.rs.)、«锯屈褂40O.5O330.0.O.O.O.O.(以日)、«帽褂图4水口出口角度对表面流速的影响图5可见:随着吹气量的增加，表面流速增大。在较高拉速和水口出口下倾角度较大的条件下，射流股的冲击深度较深，随主流股进入流场内部的气体比例增大，而且分布相对均匀；气体脱离主流股上浮到自由液面后破裂,对自由液面的扰动也比较均匀，这样就使得自由

18、表面各点处表面流速的增加幅度一致（见图5）。虽然吹气量越大，表面流速越大,但表面流速值并非随吹气量的成倍增加而倍增，如图5-a所示，吹气量由4L/min增加到10L/min,增加了2.5倍，但除水口附近外,表面流速值仅有少量增加；由于水口附近气泡上浮的密度较其它位置大，故吹气量增大对这一区图5吹气量对表面流速的影响域影响较大。2.5工艺参数对表面流速的交互影响上述工艺参数对结晶器内钢液表面流速的影响程度不同，在这些工艺参数中，拉速对结晶器内钢液表面流速的影响最大。此外,各工艺参数对表面流速大小的影响也是相互联系的，也就是说,改变某一或某些工艺条件可以减轻或抵消另一个或另一些工艺参数的不良影响。

19、文献资料认为结晶器钢液表面最大的速度在0.10.3m/s范围内铸坯表面缺陷最少。为将结晶器内钢液表面流速控制在一个合适的范围内，以减少或避免卷渣，在采用较高拉速时，就应考虑适当增加水口的浸入深度和加大水口出口向下的倾角；在水口浸入深度较浅时,就应考虑适当降低拉速或（和）加大水口出口向下的倾角；在水口吹Ar流量较大时，就应考虑适当降低拉速、增加水口浸入深度和加大水口出口向下的倾角。根据本研究结果，同时考虑将结晶器内液面波动控制在±3mm以内可知，当结晶器宽度为1900mm、采用1.4m/min的拉速时，选择25°向下的水口出口角度、250mm的水口浸入深度和10L/min的吹

20、气量（考虑到气体膨胀，即现场的Ar流量在4L/min左右）可将板坯结晶器内流场的表面流速控制在合理的范围内，从而减小和避免结晶器内卷渣。3结论（1）在结晶器窄面附近的表面流速值不大，结晶器宽度较小（1100mm以下）时,随着表面流向水口方向的推进，表面流速逐渐增大，到水口附近达到最大值;结晶器宽度较大（1500mm以上）时，随着表面流向水口方向的推进,流速值开始逐渐增大，当表面流速在水口与结晶器窄面中间一定位置达到最大值后又开始逐渐减小。（2）增加拉速、减小水口的浸入深度和减小水口出口向下的倾角均会增加结晶器内自由表面的表面流速。对于出口角度为15°34°向下的水口，随着吹

21、气量的增加，结晶器内自由表面的表面流速也增加。（3）拉速对结晶器内钢液表面流速的影响最大。各工艺参数对表面流速大小的影响是相互联系的，即改变某一或某些工艺条件可以减轻或抵消另一或另一些工艺参数的不良影响，从而减少或避免卷渣。，考文献1 PJFlinta.Three-dimensionalfinitedifferencemodelofheattransferflowandsoiidify-calculationinthecontinuousslabcasterC/SteelmakingConferenceProceedings.Warrendale：IronandSteelSociety,199

22、0.481-490.2 川上公成，石果守幸，等.实验$主体fc-Ti未橐固X5"7内介$物铁钢，1973,59(3):387-395.3 PeterAudrzejewski.Karl-UlrichKohler,WolfgangPlusch-kell.ModelinvestigationsonthefluidflowincontinuouscastingmouldsofwidedimensionsJj.SteelResearch1992,63,(6):242-246.4 雷洪.朱苗勇，汪温泉，等.水口吹基对结晶器穹月面波动的影响门中国有色金属学1998,(9):468-471.5 DharmendraGupta,AKIjihiri.Water-modelingstudyofthesurfacedisturbancesincontinuousslabcaster。.MetallurgicalandMaterialsTransactionsB«1994,25B：227-233.6 JKubota.Mechanismoflevelfluctuation