板坯钢渣流态模拟

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引言

结晶器内钢/渣界面的流动状态是结晶器流场的直观表现，它影响着界面波动、保护渣熔化以及钢水卷渣等。多年来冶金学者对结晶器进行了大量的数值模拟、水模拟和生产检验研究［1－2］。研究结果表明连铸拉速［3－4］、浸入式水口结构［5－6］、水口浸入深度等工艺参数直接决定了结晶器钢/渣界面流态。为进一步认识影响结晶器流场的细节，笔者对影响结晶器钢/渣界面波动的几个影响因素进行了水模研究，研究结果可指导优化结晶器水口结构、合理制定各宽度结晶器连铸工艺，并在连铸过程中尽可能提高拉速。

1试验

1．1试验原理及装置结晶器内钢水的流动，可视为粘性不可压缩流体的稳定流动，其主要受粘滞力、重力和惯性力的作用。为保证原型与模型的运动相似，需要使原型与模型的雷诺准数(Re)、弗鲁德准数(Fr)相似。本试验采用1∶1全比例模型，当模型和原型流量相等时，原型和模型的雷诺准数和弗鲁德准数同时相等，即符合相似原理［7］。场。整个数据采集过程由计算机准确采集，用专业软件进行处理。

1．2试验方案试验流量按照实际连铸机结晶器断面和拉速相似计算得到，结晶器宽度、流速、SEN结构、SEN浸入深度等因素的具体水平如表1所示。对各因素的研究中设计了两种试验方案:①在各个宽度结晶器上，对拉速、水口结构、水口浸入深度和吹氩量设计四因素五水平的正交试验方案(见表2)，其中，对2150mm宽结晶器，用0．8m/min拉速替换1．8m/min拉速;②为补充、辅助研究各因素的影响，对1250mm和1550mm宽度的结晶器设计单因素试验方案。如图1所示，试验采用1∶1有机玻璃材质的水模型(原型铜板长900mm，液面高度为－100mm，为减小模型下部流体对结晶器流场的影响，结晶器长度为2．5m，在1．5m处采用多孔板来均匀流场)，采用闭路循环稳定控制;浸入式水口(SEN，其结构如图2所示)采用塞棒控制其通钢量。此外，还采用超声波流量计和水泵流控系统控制拉速，采用气体流量计控制气体流量，采用螺旋测速仪测定表面流速，采用水利水电科学研究院DJ800型多功能监测系统测定结晶器界面波动，采用高锰酸钾作为示踪剂进行流场显示并用高速照相机记录静态流。

2钢/渣界面流态与各影响因素的联系

2．1结晶器宽度对钢/渣界面流态的影响图3是采用向下倾角15°，底部为凹型的水口，并将拉速、水口浸入深度、吹氩气量三个参数组合后试验得到的钢/渣界面波动和最大流速。其中，三组组合即为正交试验中的试验11、试验12和试验13。由图3可见，随着结晶器宽度的增加，钢渣界面波动逐渐增大，而且结晶器宽度超过1850mm后，界面波动增大较多，界面波动较剧烈;钢/渣界面最大流速也随结晶器宽度增大而增大，不同的是，界面最大流速在结晶器宽度超过1550mm后，增长速度减小。需要注意的是，虽然随结晶器宽度增大钢/渣界面波动和最大流速均增大，但界面流态局部变化并不规则，为能够准确指导生产，结晶器宽度相差较大时不能套用，应在该宽度结晶器上对其它因素进行模拟。

2．2拉速对钢/渣界面流态的影响拉速是连铸生产中的重要控制参数，高拉速不仅可以提高连铸机的生产能力，缩短浇注时间，同时可以降低出钢温度(提高炼钢炉和钢包寿命)，减小钢水对耐火材料的侵蚀，特别是可减小表面针孔、表面夹杂物等铸坯表面缺陷。然而，高拉速时，流股在水口附近碰撞汇合时可能产生漩涡，界面钢/渣混卷可能性增大，见图4。另外，高拉速下，结晶器出口处凝壳薄，特别是角部，易引起角裂的增加，甚至产生拉漏，使操作不稳定，同时也易增加内部裂纹和内部夹杂，而使铸坯内部质量劣化。拉速对钢/渣界面波动和流速的影响反映了其对铸坯质量的影响。图5为宽度为1250mm和1550mm的结晶器，在拉速0．8～1．8m/min时钢/渣界面流态，发现随着拉速的增大，结晶器内钢/渣界面波动和最大流速均增大，并且在较高拉速下，即使较小的拉速波动也会造成界面波动和界面最大流速加剧。此外，由界面波动和界面最大流速的合理范围(小于±3mm，0．20～0．30m/s)可以推测每个结晶器宽度存在着一个合理的拉速范围，其两个端点与结晶器截面尺寸成反比关系，即结晶器截面尺寸越大，该范围的两个端点拉坯速度就越低。因此，大断面铸坯的拉速要求比小断面铸坯的拉速低。

2．3水口浸入深度对钢/渣界面流态的影响图6为1550mm宽结晶器在不同拉速下，改变水口浸入深度测量的钢/渣界面流态。随着水口浸入深度的增加，界面流速先增大，浸入深度达到一定临界值后，界面流速呈减小的趋势。究其原因，主要有以下两点:①从浸入式水口流出的流股与上升流形成的回流的相互作用;②流股随水口浸入深度的增加动量耗散加快。在水口浸入深度较小时，上回流区域小，刚从水口流出的流股与上回流相互阻滞，使界面流速较小;随着水口浸入深度的增大，从浸入式水口流出的流股向下倾斜(结晶器窄边冲击点的位置下移)，阻滞作用逐渐减弱，此时流股动量耗散的影响相对较小，所以表面流速逐渐增大;浸入深度继续增大并超过临界值时，由于阻滞作用越来越小，而流股流程变长、动能耗散加大，此时流股动量耗散的影响是主要的，因此，界面流速呈减小趋势。这种现象在较宽的结晶器上更明显。对于钢/渣界面波动情况，上回流形成的界面流动在水口碰撞汇合形成冲击流波动，随着水口浸入深度的增大，上回流区域增大，上回流有更大空间的缓冲，在水口碰撞汇合强度减小，冲击波动随之减小;而水口出口高速流股在结晶器中湍动能逐渐耗散衰减形成的振荡波动，由于流股所受压力增大湍流度减小振荡波动减小，且随传输到界面的距离增大，传输过程中也逐渐减小。因此，界面波动变化情况不同于界面流速，界面波动随浸入深度的增加而减小。

2．4水口结构对界面波动的影响

2．4．1水口底部结构图7为水口底部结构对钢/渣界面流态影响的正交试验结果。对3个底部结构不同的15°的水口，钢/渣界面液面波动从大到小对应的水口底部类型依次为平底型、凹型、凸型;而界面最大流速从大到小对应的水口底部类型则依次为凹型、平底型、凸型。可以认为，仅改变水口底部结构时，界面最大流速主要考虑结晶器窄边冲击点位置，而该位置决定了上、下回流流量的分配比，冲击点位置越靠上，上回流流量越大，界面流速越大，因此，凹型水口界面流速最大;而界面波动既考虑上、下回流流量分配比，上回流在界面上流动并在中心水口附近碰撞产生冲击流波动，流速越大波动越大，还考虑底部结构对出口流股的湍流程度影响，其湍动能逐渐耗散衰减形成的振荡波动。

2．4．2水口出口角度图8为水口出口角度对钢/渣界面流态影响的正交试验结果。向下倾角分别为5°、15°和25°的凸型水口，在同一结晶器宽度下，大多数是15°水口对应的界面波动最大，其次是5°水口，最小的是25°水口。对不同结晶器宽度，水口倾角角度对钢/渣界面最大流速的影响较复杂，但是可以概括为三种情况:对宽度较小的950mm、1250mm宽的结晶器，5°水口对应的钢/渣界面最大流速最大，其次是15°水口，最小的是25°水口;对宽度为1550mm、1850mm宽的结晶器，25°水口对应的钢/渣界面最大流速最大，其次是5°水口，最小的是15°水口;对宽度较大的2150mm宽的结晶器，25°水口对应的钢/渣界面最大流速最大，其次是15°水口，最小的是5°水口。可见对不同宽度的结晶器，出口流股在流到结晶器窄边的过程中动能耗散程度不同，导致界面流速随水口倾角角度变化不一致，而界面波动主要由振动波动影响，5°凸型水口流出的流股离界面最近，振动波动传输距离最小，因此界面波动最大。综合比较试验所用水口在各宽度结晶器中使用效果，可以看出15°凸型水口通用性较好，可较好地满足在线调宽板坯结晶器的使用要求。

3结论

1)随结晶器宽度增大，钢/渣界面波动和最大流速均增大，但钢/渣界面流态局部变化并不规则，为能够准确指导生产，结晶器宽度相差较大时不能套用，应在该宽度结晶器上对其它因素进行模拟。2)拉速对钢/渣界面波动和最大流速的影响是一致的，即随着拉速的增大，结晶器内钢/渣界面波动和界面最大流速均增大;在较高拉速下，即使较小的拉速波动，也会造成界面波动和流速加剧;此外，大断面铸坯的拉速应比小断面铸坯的拉速低。3)随着水口浸入深度的增加，界面流速增大，水口浸入深度达到一定临界值后，界面流速呈减小的趋势;而界面波动随浸入深度的增加而减小。4)对凸起、水平、凹陷三种水口底部结构而言，平底型水口钢/渣界面波动最大，其次是凹型底部，界面波动最小的是凸型底部水口;而钢/渣界面流速最大的为凹型底部水口，其次是平底型底部水口，最小的是凸型底部水口。钢/渣界面流态随水口倾角变化，但结晶器宽度不同，界面流态呈现不同变化趋势。对比各宽度结晶器的使用效果，认为15°凸型水口通用性较好。