结晶器内钢液流动特性的优化

D01:10.133741.issnl00103x.2009.04.006 第31卷第4期 北京科技大学学报 Vol.31 No.4 2009年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2009 结晶器内钢液流动特性的优化 于会香1》王新华》陆巧彤2)王万军D 张炯明1) 1)北京科技大学治金与生态工程学院北京100⑩832)青岛钢铁控股集团有限责任公司技术中心，青岛266043 摘要以大板坯连铸结晶器为研究对象，采用水模型和数值模拟的方法研究了不同水口出口角度对结晶器内钢液流动的 影响.结果表明：现行15水口在距结晶器边部50mm的位置，表面流速和波高较小，传递给弯月面的热量较少，不利于保护渣 的熔化：射流撞击到结晶器窄边的位置较深压力较大.对撞击点下部坯壳的冲击力也较大：水口出口角度改为10后，结晶器 漏钢预报系统的报警次数大大减少，杜绝了漏钢的事故. 关键词结晶器：浸入式水口：水模型：数值模拟 分类号TF777.1 Optimization of flow pattern in a slab continuous casting mold YU Hui-xiang,WANG X in-hua.LU Qiao-tong?.WANG Wan-jun.ZHANGJiong-ming 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beiing 100083.China 2)Technobgy Centes Qingdao Iron and Steel Group Co.Ld.,Qingdao 266043.China ABSTRACT Water modeling and numerical simulation were applied to investigate the influence of the port angle of a submerged en- try nozzle (SEN)on the flow pattern in a slab continuous casting mold.The resultsindicate that under the current 15'SEN.the sur- face velocity and fluctuation are relatively small at meniscus w hich does harm to the melt of mold pow der.The impinging point of jet flow streaming from the SEN is relatively low.Below the point.the pressure on the solidifying shell is relatively high.The sharply decreasing frequency of breakout alarms and no breakout were achieved after a new 10 SEN was put into operation. KEY WORDS mold:submerged entry nozzle;water modeling:numerical simulation 结晶器内钢液的流动特性直接影响着结晶器内 入深度、拉速和过热度等工艺参数. 钢液面的波动、保护渣的熔化效果、凝固坯壳的厚度 某厂板坯连铸机投产后，频繁发生漏钢事故，纵 及其均匀性、保护渣的卷入以及夹杂物的上浮和去 裂纹的发生率也比较高，对结晶器保护渣、结晶器 除等.对于改善结晶器传热、防止结晶器漏钢以及 冷却水及二冷制度进行优化后，漏钢预报系统仍然 提高铸坯的质量具有至关重要的意义. 频繁发出报警，甚至出现了漏钢的事故.漏钢预报 前人对结晶器内钢液流动的研究表明)：钢 系统是根据热电偶测量得到的铜板温度进行工作 液自浸入式水口流出后，撞击到结晶器窄边，分为向 的，而铜板的温度是由结晶器传热决定的.除了结 上和向下四个流股，向上和向下的四个流股分别形 晶器冷却水、铜板锥度和保护渣对结品器传热影响 成四个回流区：如果向上的回流过小，结晶器弯月面 很大外，结晶器内钢液的流动对结晶器传热的影响 处的热量就不足，保护渣熔化不好，初生坯壳厚薄不 也很大.因此，有必要对现行板坯结晶器内钢液的 均，容易造成铸坯表面裂纹和夹渣等缺陷：如果向上 流动状态进行研究，重点分析浸入式水口出口角度 的回流过大，表面波动较大，容易造成卷渣等缺陷. 对流动的影响，优化浸入式水口的结构. 影响结晶器钢液流动的因素有结晶器断面形状（宽 研究对象的原始工艺参数为：板坯尺寸为 度和厚度)、浸入式水口结构（出口尺寸和角度）、浸 1800mm×250mm,拉速为L.0m°mim,浸入式水 收稿日期：2008-02-25 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(N。.2004CB619106) 作者简介：于会香(1977一)，女，讲师，硕土，E-mal:yuhuixiang@meta.usth.du.m

结晶器内钢液流动特性的优化 于会香1) 王新华1) 陆巧彤2) 王万军1) 张炯明1) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 2)青岛钢铁控股集团有限责任公司技术中心, 青岛 266043 摘 要 以大板坯连铸结晶器为研究对象, 采用水模型和数值模拟的方法研究了不同水口出口角度对结晶器内钢液流动的 影响.结果表明:现行 15°水口在距结晶器边部50mm 的位置, 表面流速和波高较小, 传递给弯月面的热量较少, 不利于保护渣 的熔化;射流撞击到结晶器窄边的位置较深, 压力较大, 对撞击点下部坯壳的冲击力也较大;水口出口角度改为 10°后, 结晶器 漏钢预报系统的报警次数大大减少, 杜绝了漏钢的事故. 关键词 结晶器;浸入式水口;水模型;数值模拟 分类号 TF777.1 Optimization of flow pattern in a slab continuous casting mold YU Hui-x iang 1), WANG X in-hua 1), LU Qiao-tong 2), WANG Wan-jun 1), ZHANG J iong-ming 1) 1)School of Met allurgical and Ecologi cal Engineering , University of Science and T echnology Beijing , Beijing 100083 , China 2)Technology Center, Qingdao Iron and Steel Group Co .Ltd., Qingdao 266043 , C hina ABSTRACT Water modeling and numerical simulation were applied to investigate the influence of the port angle of a submerged en￾try nozzle(SEN)on the flow pattern in a slab co ntinuous casting mold.The resultsindicate that under the current 15°SEN, the sur￾face velocity and fluctuation are relatively small at meniscus, w hich does harm to the melt o f mold pow der.The impinging point of jet flow streaming from the SEN is rela tively low .Below the point , the pressure on the solidifying shell is relatively high .The sharply decreasing frequency of breakout alarms and no breakout were achieved after a new 10°SEN was put into operation . KEY WORDS mold ;submerged entry nozzle;water modeling;numerical simulation 收稿日期:2008-02-25 基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(No .2004CB619106) 作者简介:于会香(1977—), 女, 讲师, 硕士, E-mail:yuhuixiang @metall.ustb.edu.cn 结晶器内钢液的流动特性直接影响着结晶器内 钢液面的波动、保护渣的熔化效果 、凝固坯壳的厚度 及其均匀性 、保护渣的卷入以及夹杂物的上浮和去 除等.对于改善结晶器传热、防止结晶器漏钢以及 提高铸坯的质量具有至关重要的意义. 前人对结晶器内钢液流动的研究表明[ 1-11] :钢 液自浸入式水口流出后, 撞击到结晶器窄边, 分为向 上和向下四个流股 ,向上和向下的四个流股分别形 成四个回流区;如果向上的回流过小,结晶器弯月面 处的热量就不足 ,保护渣熔化不好 ,初生坯壳厚薄不 均,容易造成铸坯表面裂纹和夹渣等缺陷;如果向上 的回流过大 ,表面波动较大 ,容易造成卷渣等缺陷 . 影响结晶器钢液流动的因素有结晶器断面形状(宽 度和厚度)、浸入式水口结构(出口尺寸和角度)、浸 入深度 、拉速和过热度等工艺参数. 某厂板坯连铸机投产后 ,频繁发生漏钢事故 ,纵 裂纹的发生率也比较高 .对结晶器保护渣、结晶器 冷却水及二冷制度进行优化后, 漏钢预报系统仍然 频繁发出报警, 甚至出现了漏钢的事故 .漏钢预报 系统是根据热电偶测量得到的铜板温度进行工作 的 ,而铜板的温度是由结晶器传热决定的 .除了结 晶器冷却水、铜板锥度和保护渣对结晶器传热影响 很大外, 结晶器内钢液的流动对结晶器传热的影响 也很大.因此 , 有必要对现行板坯结晶器内钢液的 流动状态进行研究, 重点分析浸入式水口出口角度 对流动的影响,优化浸入式水口的结构. 研究对 象的原始工 艺参数为 :板 坯尺寸为 1 800 mm ×250 mm ,拉速为 1.0 m·min -1 ,浸入式水 第 31 卷 第 4 期 2009 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.4 Apr.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.04.006

。478 北京科技大学学报 第31卷 口为双侧孔，浸入深度为200mm,出口角度为向下 15°. 1研究方法 本文采用水模型和数学模型的方法对其进行物 理和数学的仿真 水模型实验基于相似原理和量纲分析下山.采 用11的模型比例，研究中保证模型和实物的F, (弗劳德数)相等，实验采用有机玻璃制作结晶器模 型和浸入式水口模型.为更进一步保证从中间包到 水口再到结晶器流体流动的相似，在模型中用有机 玻璃制作了与现场使用的滑板结构相同的滑板模型 以控制从水箱（即中间包水模型）流入结晶器水模型 的水量.为消除模型结晶器出口处水流速度等对模 图1结晶器几何模型(a)及网格划分G) Fig.I Mold geometry (a)and mesh (b) 型上部流场的影响，稳定模型内部流场，将结晶器模 型高度加长至2m.实验过程中，采用DJ800型水工 多功能监测系统进行压力和波高的测量，实验结果 分析中用到的测点处的压力等于测点处的测量压力 减去测点处水的静压力.波高为一个波的波峰与波 ▣ 口 谷的高度差.采用LS1206B型旋桨式流速计对结晶 断面宽度：1800mm×250mm0-0° 拉速：1m.minl ◆150 器水模型流体流速进行测定， 浸入深度：200mm -0-25° 数值模拟采用ANSYS CFX10.0软件进行计 100 200300400 500600 距结品器窄面距离mm 算。计算过程中作如下假设：结晶器内钢液的 流动为稳态黏性不可压缩流动：不计结晶器液面的 图2水口出口角度对波高的影响 Fig 2 Relat ionship betw een nozzle port ange and level fuctuation 波动，把液面设置为自由面：不考虑结晶器内凝固壳 的存在，计算区域的边界为达到但不包括糊状区的 0.4 位置：壁面设为无滑移边界条件：忽略结晶器振动及 断面宽度：1800mm×250mm -0-0° 元0.3 拉速：1m,min ●-15" 锥度等因素的影响.采用连续方程、Navier-Stokes 浸入深度：200mm 0-25 方程和K(湍流动能)ε（湍流动能耗散）方程联立求 02 解.模型入口定义在水口入口处，其速度根据质量 ■ 守恒定律、水口直径、拉坯速度和结晶器断面尺寸来 确定：模型出口定义在结晶器计算区域的底部，将其 100 200300400 500600 设为质量边界条件，即出口处与入口处质量守恒. 距结品器窄面距离mm 由于水口、结晶器几何模型和内部流体流动特征具 图3水口出口角度对表面流速的影响 有对称性，本研究以结晶器宽面的中心面为对称面， Fig 3 Relationship betw een nozzle port angle and surface vebcity 采用1/2结晶器模型进行计算.其几何模型和网格 面流速均减小，主要原因是，水口的射流撞击到结 划分如图1所示 晶器窄面后分成上下两个回流区，实验过程中发现 2研究结果 15°水口所对应的上回流区发展不完整，即沿着结晶 器窄面向上的流股在未到达结晶器液面前己经改变 2.1水口出口角度对波高和表面流速的影响 为流向水口的流股，所以结晶器窄面位置附近的流 水模型实验中水口出口角度对波高和表面流速 速和波动均较小.但是，15°水口向上的流股的总量 的影响见图2和图3.由图可见在距离结晶器窄面 大于25°水口，这就造成其他位置的波高和表面流 50mm的位置，向下15°水口所对应的波高和表面流 速大于25°水口的数值.虽然0°水口和15°水口均存 速小于25°水口对应的数值.在结晶器液面的其他 在上回流区发展不完整的现象，但是由于0水口向 位置，随着出口角度的增大，结晶器液面的波高和表 上的流股的总量明显大于其他角度的水口，所以距

口为双侧孔 ,浸入深度为 200 mm , 出口角度为向下 15°. 1 研究方法 本文采用水模型和数学模型的方法对其进行物 理和数学的仿真 . 水模型实验基于相似原理和量纲分析[ 7-11] .采 用1∶1 的模型比例 , 研究中保证模型和实物的 Fr (弗劳德数)相等 .实验采用有机玻璃制作结晶器模 型和浸入式水口模型 .为更进一步保证从中间包到 水口再到结晶器流体流动的相似 ,在模型中用有机 玻璃制作了与现场使用的滑板结构相同的滑板模型 以控制从水箱(即中间包水模型)流入结晶器水模型 的水量.为消除模型结晶器出口处水流速度等对模 型上部流场的影响, 稳定模型内部流场 ,将结晶器模 型高度加长至 2 m .实验过程中 ,采用 DJ800 型水工 多功能监测系统进行压力和波高的测量, 实验结果 分析中用到的测点处的压力等于测点处的测量压力 减去测点处水的静压力.波高为一个波的波峰与波 谷的高度差.采用 LS1206B 型旋桨式流速计对结晶 器水模型流体流速进行测定. 数值模拟采用 ANSYS CFX 10.0 软件进行计 算.计算过程中作如下假设 [ 1-6] :结晶器内钢液的 流动为稳态黏性不可压缩流动 ;不计结晶器液面的 波动 ,把液面设置为自由面;不考虑结晶器内凝固壳 的存在 ,计算区域的边界为达到但不包括糊状区的 位置 ;壁面设为无滑移边界条件;忽略结晶器振动及 锥度等因素的影响.采用连续方程、Navier-Stokes 方程和 κ(湍流动能)-ε(湍流动能耗散)方程联立求 解.模型入口定义在水口入口处, 其速度根据质量 守恒定律 、水口直径 、拉坯速度和结晶器断面尺寸来 确定 ;模型出口定义在结晶器计算区域的底部 ,将其 设为质量边界条件 , 即出口处与入口处质量守恒 . 由于水口、结晶器几何模型和内部流体流动特征具 有对称性 ,本研究以结晶器宽面的中心面为对称面 , 采用 1/2 结晶器模型进行计算 .其几何模型和网格 划分如图 1 所示 . 2 研究结果 2.1 水口出口角度对波高和表面流速的影响 水模型实验中水口出口角度对波高和表面流速 的影响见图2 和图3 .由图可见,在距离结晶器窄面 50 mm 的位置 ,向下15°水口所对应的波高和表面流 速小于 25°水口对应的数值 .在结晶器液面的其他 位置 ,随着出口角度的增大,结晶器液面的波高和表 图 1 结晶器几何模型(a)及网格划分(b) Fig.1 Mold geometry (a)and mesh(b) 图2 水口出口角度对波高的影响 Fig.2 Relationship betw een nozzle port angle and level fluctuation 图 3 水口出口角度对表面流速的影响 Fig.3 Relationship betw een nozzle port angle and surface velocit y 面流速均减小.主要原因是 ,水口的射流撞击到结 晶器窄面后分成上下两个回流区, 实验过程中发现 15°水口所对应的上回流区发展不完整 ,即沿着结晶 器窄面向上的流股在未到达结晶器液面前已经改变 为流向水口的流股, 所以结晶器窄面位置附近的流 速和波动均较小.但是, 15°水口向上的流股的总量 大于 25°水口, 这就造成其他位置的波高和表面流 速大于 25°水口的数值 .虽然 0°水口和 15°水口均存 在上回流区发展不完整的现象 ,但是由于 0°水口向 上的流股的总量明显大于其他角度的水口 ,所以距 · 478 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第4期 于会香等：结晶器内钢液流动特性的优化 ·479。 结品器窄面50mm处的波高和表面流速仍然最大. 渣熔化就好，有利于改善结晶器的传热但是也容易 数值模拟中水口出口角度对表面流速的影响见 造成保护渣的卷入.水口出口角度大，则传递至结 图4.由图可见，结晶器自由表面钢液流速的分布规 晶器液面的热量少，保护渣熔化不好，恶化结晶器的 律是，随着距结晶器窄面距离的增大，表面流速先增 传热同时也容易造成固态保护渣的卷入. 大后减小，在1/4结晶器宽度处表面流速达到最大 总之，随着水口出口角度的增大，波高和表面流 值.水模型研究发现表面流速呈先增大后减小的 速呈减小的趋势，15°水口对应的表面流速的最大值 变化趋势，但规律没有数值模拟明显.两者的主要 明显小于10°水口所对应的数值：这就表明15°水口 差别在于数值模拟时将结晶器液面设定为自由表 下钢液传递到自由表面的动量较小，带去的热量也 面，而水模型的结晶器液面则是波动的.这样，数模 就较少，导致保护渣的熔化效果不好.10水口则和 计算中结晶器液面的动量只表现为流体的水平运动 8°水口的效果相当. (即表面流速)：而水模型中动量除了表现为流体的 2.2水口出口角度对结晶器内压力分布的影响 水平运动（即表面流速，还有流体的垂直运动（即波 图5为出口角度分别为0和向下15°时结晶器 高).随着出口角度的增大，表面流速降低，这与水 厚度方向中心面上水口一侧的等压曲线.由图可 模型观察到的结果是一致的.15°水口对应的表面 见：(1)在水口出口处，15°水口的射流压力大于0°水 流速的最大值明显小于10水口所对应的数值，而 口，最大压力的差值约90P(2)向下15°水口的射 10水口和8水口的表面流速相差不大. 流股在结晶器窄面的冲击点较0°水口的冲击点深， 0.32 冲击点距水口出口水平中心线的距离分别约为 ra 0.24 400mm和300mm:(3)在结晶器窄面的撞击点处，0° 水口的压力大于向下15°水口的压力，数值分别为 0.16 90Pa和65Pa:(4)在撞击点以下，距水口出口水平 010° 0.08 -15s 中心线相同深度的位置上，15°水口射流对窄面的压 力要大于0水口射流的压力.这就表明0°水口射流 200 400 600 800 1000 对上部结晶器窄面的冲刷大于15°水口，对下部结 距结品器窄面距离mm 晶器窄面的冲击小于15水口.其主要原因是：向下 图4水口出口角度对表面流速的影响 15°水口的射流股运动轨迹路线比较长，射流股动能 Fig.4 Relationship between nozle port angle and surface velocity 沿程损失大，所以射流在撞击点位置对结晶器窄面 结晶器内的波高和表面流速反应了射流传递至 的冲击小于0水口：0水口向上的分流量多，带去的 结晶器液面的热量的多少和保护渣的卷入程度.水 动能大，对上部结晶器窄面坯壳的冲击大.15°水口 口出口角度小，则传递至结晶器液面的热量多，保护 向下的分流量多，对下部结晶器窄面坯壳的冲击大. (b) E100 100 200 200 300 400 400 压力单位，Pa 压力单位，Pa 50 000900800700600500400300200100 6900090080700605004030020i00 距水口轴线的距离mm 距水口轴线的距离/mm 图5水口角度对结品器内压力分布的影响.(a)0水口：凸)向下15水口 Fig 5 Relationship betw een nozzle port ange and pressure distribution in the mold:(a)SEN (b)15 SEN 图6为数值模拟出的不同水口出口角度下，钢 为8°、10和15°.可以看出，钢液对结晶器窄面动压 液对结晶器窄面坯壳的动压力，水口出口角度分别 力的分布规律是：(1)随着距弯月面距离的增大，动压

结晶器窄面 50 mm 处的波高和表面流速仍然最大. 数值模拟中水口出口角度对表面流速的影响见 图4 .由图可见 ,结晶器自由表面钢液流速的分布规 律是 ,随着距结晶器窄面距离的增大,表面流速先增 大后减小 ,在 1/4 结晶器宽度处,表面流速达到最大 值.水模型研究发现, 表面流速呈先增大后减小的 变化趋势,但规律没有数值模拟明显.两者的主要 差别在于数值模拟时将结晶器液面设定为自由表 面,而水模型的结晶器液面则是波动的.这样, 数模 计算中结晶器液面的动量只表现为流体的水平运动 (即表面流速);而水模型中动量除了表现为流体的 水平运动(即表面流速), 还有流体的垂直运动(即波 高).随着出口角度的增大 , 表面流速降低 , 这与水 模型观察到的结果是一致的.15°水口对应的表面 流速的最大值明显小于 10°水口所对应的数值 , 而 10°水口和 8°水口的表面流速相差不大 . 图 4 水口出口角度对表面流速的影响 Fig.4 Relationship between nozzle port angle and surf ace velocity 结晶器内的波高和表面流速反应了射流传递至 结晶器液面的热量的多少和保护渣的卷入程度 .水 口出口角度小, 则传递至结晶器液面的热量多 ,保护 渣熔化就好 ,有利于改善结晶器的传热,但是也容易 造成保护渣的卷入 .水口出口角度大 ,则传递至结 晶器液面的热量少 ,保护渣熔化不好 ,恶化结晶器的 传热,同时也容易造成固态保护渣的卷入 . 总之,随着水口出口角度的增大 ,波高和表面流 速呈减小的趋势, 15°水口对应的表面流速的最大值 明显小于 10°水口所对应的数值 ;这就表明 15°水口 下钢液传递到自由表面的动量较小, 带去的热量也 就较少, 导致保护渣的熔化效果不好.10°水口则和 8°水口的效果相当. 2.2 水口出口角度对结晶器内压力分布的影响 图 5 为出口角度分别为 0°和向下 15°时结晶器 厚度方向中心面上水口一侧的等压曲线 .由图可 见 :(1)在水口出口处, 15°水口的射流压力大于 0°水 口 ,最大压力的差值约 90 Pa;(2)向下 15°水口的射 流股在结晶器窄面的冲击点较 0°水口的冲击点深, 冲击点距水口出口水平中心线的距离分别约为 400 mm和 300 mm ;(3)在结晶器窄面的撞击点处, 0° 水口的压力大于向下 15°水口的压力, 数值分别为 90 Pa 和 65 Pa;(4)在撞击点以下 ,距水口出口水平 中心线相同深度的位置上, 15°水口射流对窄面的压 力要大于 0°水口射流的压力 .这就表明 0°水口射流 对上部结晶器窄面的冲刷大于 15°水口, 对下部结 晶器窄面的冲击小于 15°水口 .其主要原因是:向下 15°水口的射流股运动轨迹路线比较长 ,射流股动能 沿程损失大, 所以射流在撞击点位置对结晶器窄面 的冲击小于 0°水口 ;0°水口向上的分流量多, 带去的 动能大, 对上部结晶器窄面坯壳的冲击大 .15°水口 向下的分流量多, 对下部结晶器窄面坯壳的冲击大. 图 5 水口角度对结晶器内压力分布的影响.(a)0°水口;(b)向下 15°水口 Fig.5 Relationship betw een nozzle port angle and pressure distribution in the mold:(a)0°SEN ;(b)15°SEN 图 6 为数值模拟出的不同水口出口角度下 , 钢 液对结晶器窄面坯壳的动压力 , 水口出口角度分别 为 8°、10°和 15°.可以看出,钢液对结晶器窄面动压 力的分布规律是:(1)随着距弯月面距离的增大,动压 第 4 期 于会香等:结晶器内钢液流动特性的优化 · 479 ·

。480 北京科技大学学报 第31卷 力先逐渐减小，在水口出口中心线高度上达到最小 钢事故 值：然后逐渐增大，在撞击点位置达到最大值：在撞击 点位置以下又逐渐减小.(2)在撞击点以上位置，动 参考文献 压力随着出口角度的增大而逐渐减小：撞击点以下位 I]Thomas B G.Mika L J,Najjar F M.Simulation of fluid flow in- 置处，动压力随着出口角度的增大而逐渐增大. side a continuous sabrcasting machine.Metall Mater Trans B. 199021(2):387 500 ·。6 [2 Yu H X.Zhang J M.Wang WJ.et al Numerical simultion of 400 ==m80 fluid flow in continuous sabrcasting mold.J Univ Sci Technol 010 300 -15° Beijing,2002.24(5):492 (于会香，张炯明，王万军，等.板坯连铸浸入式水口出口速度 出200a 000 对结晶器流场影响的数值模拟.北京科技大学学报，2002.24 100 (5):492) [3 Zhang J M.Yu H X.Wang X H.Flow contml in continuous 200 400 600 800 slabr casting mold by F index obtained th mough mathematical simu- 距弯月面的距离mm lation.Curr Ady Mater Processes,2002.15(4):835 图6水口出口角度对压力分布的影响 4 Zhu M Y,Liu J Q.XiaoZ Q.Simulation of molten steel flow in Fig.6 Relationship betw een nozzle port angle and pressure distribu- slab continuous casting mould /ron Steel,199631(8):23 (朱苗勇，刘家奇，背泽强。板坯连铸结品器内钢液流动过程的 tion 模拟仿真.钢铁199631(8)：23) 综合上述结果，将现行浸入式水口的出口角度 I习 Wen G H.Li G.Zhang J C.Numerical simulation on molten 由15°改为10°.射流传递至结晶器自由表面的热量 sted flow and heat transfer in mold of slab caster.fron Steel. 1997,32(SuppI1D:691 增加，自由表面活跃有利于保护渣的熔化，结晶器 (文光华李刚，张建春高速板坯连铸结品器内钢液流动及传 传热得到改善.改进后，结晶器漏钢预报系统的报 热过程的数值模拟.铁.1997,32（增刊1）：691) 警次数大幅度降低，未出现漏钢的事故.未将水口 [6 Lu Q T,Wang X H.Yu H X et al.Calculation of F value and 改为8的主要原因为：在10水口和8°水口条件下， relationship bet ween F value and slag entrapment in a shb contin- 结品器内钢液的流动特性基本类似，进一步减小水 wus casting mold.J Univ Sci Technol Beijing,2007,29(8): 811 口出口角度可能会加大结晶器液面波动，增加保护 (陆巧形，王新华于会香，等.F数计算及其与板坯连铸结品 渣卷入的危险. 器内钢水卷渣的关系.北京科技大学学报，2007.29(8)：811) 3结论 [7 Gupta D.Lahiri A K.A water model study of the flow asymme try inside a continuous sab casting mold.Metall Mater Trans B. (1)在距结晶器窄面50mm的位置，15°水口对 199627(5):757 应的表面流速和波高较小：在结晶器液面上，15°水 [8 Wan X G Han C J.Cai KK.Experimental wesearch of sub- merged entry nozzle of slab continuous casting.Iron Steel 2000. 口对应的表面流速的最大值明显小于10水口所对 35(9):20 应的数值，而10°水口和8水口的表面流速相差不 (万晓光。韩传基蔡开科.连铸板坯结品器浸入式水口试验研 大.这说明15°水口时钢液传递给弯月面的热量较 究.钢铁.2000.35(9)：20) 少，不利于保护渣的熔化. [9 Chen Y F.Chen D Li Q.Experimental study on turbulence (2)随着水口出口角度的增大，波高和表面流 flow zone in slab continuous casting mould.Steelmaking,1998 14(2):25 速呈减小的趋势. (陈永范，陈德杰。李权.大板坯连铸结品器内流场实验研究 (3)在15°水口时，射流撞击到结晶器窄面的位 炼钢.1998.14(2)：25) 置较低，压力较大，对撞击点下部坯壳的冲击力也较 [10 Liu W,Zhou X Y,Liang X W.et al Water model study for 大 optimizing the operating parameters of slab contirous casting (4)射流撞击到结晶器窄面的撞击点以上位 mold at Chengde Steel.J Mater Metall.2002.1(4):281 (刘玮，周学禹，梁新维等.承钢板坯连铸机结品器工艺参数 置.动压力随着出口角度的增大而逐渐减小：撞击点 优化的水模型研究.材料与治金学报，2002.1(4)：281) 以下位置，动压力随着出口角度的增大而逐渐增大. 11]Dhamendra G.Lahiri A K.Water-modeling study of the sur (5)当水口出口角度由15减小为10时，结晶 face dsturbances in continuous sab caster.Metall Mater Trans 器漏钢预报系统的报警次数大幅度降低，杜绝了漏 B,199425(2):227

力先逐渐减小 ,在水口出口中心线高度上达到最小 值;然后逐渐增大,在撞击点位置达到最大值;在撞击 点位置以下又逐渐减小.(2)在撞击点以上位置, 动 压力随着出口角度的增大而逐渐减小;撞击点以下位 置处,动压力随着出口角度的增大而逐渐增大. 图 6 水口出口角度对压力分布的影响 Fig.6 Relationship betw een nozzle port angle and pressure distribu￾tion 综合上述结果 ,将现行浸入式水口的出口角度 由 15°改为 10°.射流传递至结晶器自由表面的热量 增加 ,自由表面活跃, 有利于保护渣的熔化, 结晶器 传热得到改善.改进后, 结晶器漏钢预报系统的报 警次数大幅度降低, 未出现漏钢的事故.未将水口 改为 8°的主要原因为 :在 10°水口和 8°水口条件下 , 结晶器内钢液的流动特性基本类似 ,进一步减小水 口出口角度可能会加大结晶器液面波动, 增加保护 渣卷入的危险. 3 结论 (1)在距结晶器窄面 50 mm 的位置 , 15°水口对 应的表面流速和波高较小;在结晶器液面上, 15°水 口对应的表面流速的最大值明显小于 10°水口所对 应的数值,而 10°水口和 8°水口的表面流速相差不 大.这说明 15°水口时钢液传递给弯月面的热量较 少,不利于保护渣的熔化 . (2)随着水口出口角度的增大, 波高和表面流 速呈减小的趋势 . (3)在 15°水口时,射流撞击到结晶器窄面的位 置较低,压力较大,对撞击点下部坯壳的冲击力也较 大. (4)射流撞击到结晶器窄面的撞击点以上位 置,动压力随着出口角度的增大而逐渐减小;撞击点 以下位置 ,动压力随着出口角度的增大而逐渐增大 . (5)当水口出口角度由 15°减小为 10°时, 结晶 器漏钢预报系统的报警次数大幅度降低, 杜绝了漏 钢事故 . 参 考 文 献 [ 1] Thomas B G , Mika L J , Najjar F M .Simulati on of fluid flow in￾side a con tinuous slab-casting machine.Meta ll Mater Trans B , 1990 , 21(2):387 [ 2] Yu H X , Zhang J M , Wang W J, et al.Numerical simulation of fluid flow in continuous slab-casting mold.J Un iv S ci Technol Beijing , 2002 , 24(5):492 (于会香, 张炯明, 王万军, 等.板坯连铸浸入式水口出口速度 对结晶器流场影响的数值模拟.北京科技大学学报, 2002 , 24 (5):492) [ 3] Zhang J M , Yu H X , Wang X H .Flow control in continuous slab-casting mold by F index obtained th rough mathematical simu￾lation.Curr Ad v Mater Processes, 2002 , 15(4):835 [ 4] Zhu M Y, Liu J Q , Xiao Z Q.Simulation of molten steel flow in slab continuous casting mould.Iron S teel , 1996 ,31(8):23 (朱苗勇, 刘家奇, 肖泽强.板坯连铸结晶器内钢液流动过程的 模拟仿真.钢铁, 1996 , 31(8):23) [ 5] Wen G H , Li G , Zhang J C .Numerical simulati on on molten steel flow and heat transfer in mold of slab cast er .Iron Steel , 1997 , 32(Supp1 1):691 (文光华, 李刚, 张建春.高速板坯连铸结晶器内钢液流动及传 热过程的数值模拟.钢铁, 1997 , 32(增刊 1):691) [ 6] Lu Q T , Wang X H , Yu H X, et al.Calculation of F value and relationship between F value and slag entrapment in a slab contin￾uous casting mold.J Univ S ci Tech nol Beijing , 2007 , 29(8): 811 (陆巧彤, 王新华, 于会香, 等.F 数计算及其与板坯连铸结晶 器内钢水卷渣的关系.北京科技大学学报, 2007 , 29(8):811) [ 7] Gupt a D, Lahiri A K .A w ater model study of the flow asymme￾try inside a continuous slab casting mold.Metall Mater Trans B , 1996 , 27(5):757 [ 8] Wan X G, Han C J, Cai K K .Experimental research of sub￾merged entry nozzle of slab continuous casting .Iron S teel, 2000 , 35(9):20 (万晓光, 韩传基, 蔡开科.连铸板坯结晶器浸入式水口试验研 究.钢铁, 2000 , 35(9):20) [ 9] Chen Y F , Chen D J, Li Q .Experiment al study on turbulence flow zone in slab continuous casting mould.Steelmaking , 1998 , 14(2):25 (陈永范, 陈德杰, 李权.大板坯连铸结晶器内流场实验研究. 炼钢, 1998 , 14(2):25) [ 10] Liu W, Zhou X Y, Liang X W, et al.Wat er model study for optimizing the operating parameters of slab continuous casting mold at Chengde S teel.J Mater Meta ll , 2002 , 1(4):281 (刘玮, 周学禹, 梁新维, 等.承钢板坯连铸机结晶器工艺参数 优化的水模型研究.材料与冶金学报, 2002 , 1(4):281) [ 11] Dharmendra G , Lahiri A K .Wat er-modeling study of the sur￾face disturbances in continuous slab caster.Metall Mater Trans B , 1994 , 25(2):227 · 480 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷