D0I:10.13374/i.issnl001153.2008.07.04H 第30卷第7期 北京科技大学学报 Vol.30 No.7 2008年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju.2008 薄板坯连铸工艺因素对结晶器非稳定流场特征参数的 影响 沈丙振沈厚发 清华大学机械工程系先进成形制造教有部重点实验室，北京100084 摘要利用波高仪和粒子示踪法在1：1的水力学模型中研究了薄板坯连铸工艺参数对结晶器内非稳定流场特征参数的影 响·结果表明：流场特征参数随时间变化具有一定的周期性·随着拉坯速度增加，平均射流撞击位置下降，平均回流区中心深 度下降，平均波高增加：同时，撞击点、回流区中心深度和波高的变化范围增大，周期减小，结晶器内流动不稳定程度增大·随 着水口浸入深度增加，平均射流撞击位置下降，平均回流区中心深度下降，平均波高减小：同时，撞击点、回流区中心深度和波 高的变化范围减小，周期增加，流场不稳定程度减小·随着水口出口角度增加，平均射流撞击位置下降，平均回流区中心深度 下降，平均波高减小：对于较大的水口出口角，尽管结晶器内流场非稳定流动范围较大，但是流场的运动周期较大，液面波动 的非稳定程度却较小。 关键词薄板坯连铸：结晶器；水力学模拟：流场；液面波动 分类号TF777.7 Influence of process factors on the characteristic parameters of unstable fluid flow in a continuous thin slab casting mould SHEN Bingz hen,SHEN Houfa Key Laboratory the Ministry of Education of China for Advanced Materials Processing Technology.Department of Mechanical Engineering.Tsinghua University,Beijing 100084.China ABSTRACI Experiments of a real aspect water model were conducted to study the influence of process factors on the characteristic parameters of unstable fluid flow in a continuous thin slab casting mould by using a wave gauge and the particle trajectory visualization method.The results show that the characteristic parameters of fluid flow vary with a certain periodicity.With increasing casting speed.the average jet impinging position and the average circumfluence center descend and the average wave height increases:more- over,the variation ranges of the jet impinging position,the circumfluence center and the wave height increase,the variation period decreases and the fluid flow becomes more unsteady.With increasing immersion depth of the submerged entry nozzle(SEN),the av- erage jet impinging position and the average circumfluence center descend and the average wave height decreases:in addition.the variation ranges of the jet impinging position.the circumfluence center and the wave height decrease,the variation period increases and the turbulent flow becomes gradually calmness.With increasing SEN outlet angle downwards,the average jet impinging position and the average circumfluence center descend and the average wave height decreases:for a larger SEN outlet angel,even though the characteristic fluid flow moving range is larger.the variation period is greater and the level fluctuation becomes relatively stable. KEY WORDS continuous thin slab casting:mould:water modeling:fluid flow level fluctuation 薄板坯连铸拉速高，结晶器横断面尺寸小，流场 进流场稳定性与温度均匀性具有重要意义，然而， 与液面波动变化更剧烈，合理地选择工艺参数对促 以往的一些研究工作一般是基于结晶器内流场的平 收稿日期：2007-05-05修回日期：2007-06-23 基金项目：国家自然科学基金及宝钢“钢铁研究联合基金“资助项目(N。,50474088) 作者简介：沈丙振(l973-),男：助理研究员，博士，E-mail:shenbu00@mails-tsinghua-edu:cm
薄板坯连铸工艺因素对结晶器非稳定流场特征参数的 影响 沈丙振 沈厚发 清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点实验室北京100084 摘 要 利用波高仪和粒子示踪法在1∶1的水力学模型中研究了薄板坯连铸工艺参数对结晶器内非稳定流场特征参数的影 响．结果表明：流场特征参数随时间变化具有一定的周期性．随着拉坯速度增加平均射流撞击位置下降平均回流区中心深 度下降平均波高增加；同时撞击点、回流区中心深度和波高的变化范围增大周期减小结晶器内流动不稳定程度增大．随 着水口浸入深度增加平均射流撞击位置下降平均回流区中心深度下降平均波高减小；同时撞击点、回流区中心深度和波 高的变化范围减小周期增加流场不稳定程度减小．随着水口出口角度增加平均射流撞击位置下降平均回流区中心深度 下降平均波高减小；对于较大的水口出口角尽管结晶器内流场非稳定流动范围较大但是流场的运动周期较大液面波动 的非稳定程度却较小． 关键词 薄板坯连铸；结晶器；水力学模拟；流场；液面波动 分类号 TF777∙7 Influence of process factors on the characteristic parameters of unstable fluid flow in a continuous thin slab casting mould SHEN Bingz henSHEN Houf a Key Laboratory the Ministry of Education of China for Advanced Materials Processing TechnologyDepartment of Mechanical EngineeringTsinghua UniversityBeijing100084China ABSTRACT Experiments of a real aspect water model were conducted to study the influence of process factors on the characteristic parameters of unstable fluid flow in a continuous thin slab casting mould by using a wave gauge and the particle trajectory visualization method．T he results show that the characteristic parameters of fluid flow vary with a certain periodicity．With increasing casting speedthe average jet impinging position and the average circumfluence center descend and the average wave height increases；moreoverthe variation ranges of the jet impinging positionthe circumfluence center and the wave height increasethe variation period decreases and the fluid flow becomes more unsteady．With increasing immersion depth of the submerged entry nozzle （SEN）the average jet impinging position and the average circumfluence center descend and the average wave height decreases；in additionthe variation ranges of the jet impinging positionthe circumfluence center and the wave height decreasethe variation period increases and the turbulent flow becomes gradually calmness．With increasing SEN outlet angle downwardsthe average jet impinging position and the average circumfluence center descend and the average wave height decreases；for a larger SEN outlet angeleven though the characteristic fluid flow moving range is largerthe variation period is greater and the level fluctuation becomes relatively stable． KEY WORDS continuous thin slab casting；mould；water modeling；fluid flow；level fluctuation 收稿日期：2007-05-05 修回日期：2007-06-23 基金项目：国家自然科学基金及宝钢“钢铁研究联合基金”资助项目（No．50474088） 作者简介：沈丙振（1973—）男助理研究员博士E-mail：shenbz00＠mails．tsinghua．edu．cn 薄板坯连铸拉速高结晶器横断面尺寸小流场 与液面波动变化更剧烈．合理地选择工艺参数对促 进流场稳定性与温度均匀性具有重要意义．然而 以往的一些研究工作一般是基于结晶器内流场的平 第30卷 第7期 2008年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．7 Jul．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．07．041
第7期 沈丙振等：薄板坯连铸工艺因素对结晶器非稳定流场特征参数的影响 .801, 均特征参数进行研究，考虑时间与空间因素可以更 好地反映流场非稳定变化的特征行为 包燕平等山利用水模型研究了薄板坯连铸不 同工艺参数对结晶器内流场的影响，从而分析了流 场非稳定性与卷渣机理，蔡开科等)采用结晶器内 不同位置的液面波动作为平均波高，并采用粒子示 踪法研究了不同工艺因素对板坯连铸结晶器内回流 图1粒子示踪法显示的结晶器流场 区中心深度及波高的影响.李宝宽等]采用水模型 Fig.1 Flow pattern in mould shown with the particle trajectory 方法研究了薄板坯连铸结晶器液面的涡流现象.王 method 新华等山发现瞬时波高随时间变化，并研究了工艺 参数对板坯连铸结晶器内波差的影响，钱忠东等可] 2实验结果 采用大涡模拟对板坯结晶器流场的研究结果表明： 结晶器内时均流场对于中心线左右对称，然而不同 2.1结晶器内流场的非稳定现象 时刻的流场及湍动涡随时间变化.Robertson等[o] 图2为水口浸入深度为295mm、出口角度为 最早发现板坯结晶器内流场存在非对称性且流场上 45°、拉坯速度为4.79mmin条件下测得的液面 下持续摆动.Gupta等]发现弯月面持续波动且 波动.图中虚线表示假设液体静止时的液位，粗实 相对结晶器中心并不一直对称，但是弯月面的波形 线表示平均液面波形，包围平均波形的两条细实线 是时均对称的·结晶器内流场以不确定周期相对结 表示液面波动的最高和最低位置，液面波动的平均 晶器中心摆动，并且结晶器出口流体的非均匀流出 范围约为28.4mm,平均波高为9.0mm,另外，图2 与非对称的流场有直接关系[8].Miranda等[在1：3 还给出了测量位置处液面波动的概率分布，可见， 的水力学模型中研究了液面波动，并且发现液面波 平均液面处的概率较大，最高和最低位置处的概率 动具有非稳定的行为，Ramos Banderas等o利用 最小 粒子成像测速技术(PIV)研究了板坯连铸结晶器内 40 测点液位波动 液位波动 的概率分布平均波形 最高位置 水的流动，也发现流场是非对称的，射流角度和撞 20 击到结晶器窄面的位置随时间变化，射流的垂直摆 ” 动导致了流场随时间变化] 回 室器-20 可以看出，在结晶器流场非稳定性方面已经取 液位波动最低位置 得了很多研究成果，本文基于结晶器流场非稳定性 00 400 0 400 800 研究工艺参数对薄板坯流场特征参数的影响. 相对结品器中轴的横向坐标/mm 图2液面波动及其概率分布 1实验方法 Fig.2 Level fluctuation and its probability 建立与实际连铸结晶器、水口相同尺寸的水力 图3为与图2相同工艺条件下实验测得的结晶 学模型，结晶器为CSP漏斗形，宽度1600mm,出口 器中心线两侧波高(WL,WR)、回流区中心深度 厚度为70mm.在结晶器宽面上画出50mm× (HL,HR)和射流撞击深度(DL,DR)·由于测量参 50mm的网格，采用粒子示踪法显示结晶器内流场 数的一致性与重复性，图中仅显示测量时间内140s (图1)，以假设液体静止时的液位为基准，确定结晶 的结果.由图可以看出，这些流场特征参数随时间 器中心线两侧上回流区中心深度(H,HR)及水口 变化，并且具有一定的周期性，其周期(T)约为 射流在结晶器窄面的撞击深度(DL,D)·利用波 25.5s,对于结晶器某一侧，射流撞击深度(D)、回 高仪及一组波高传感器测量液面波动，从而得出瞬 流区中心深度(H)和波高(W)的变化基本同步.随 时液面波形及结晶器两侧的波高(WL,WR)·液面 着射流撞击点上升，回流区中心上升，波高增加；反 波动与流场记录时间同步，间隔为0.25s·通过改变 之亦然，此外，由图3还可看出结晶器左右两侧射 拉速(Vat)、水口浸入深度(DsEN)及出口角度 流撞击深度、回流区中心深度及波高分别相差1/2 (aE、),研究其对薄板坯连俦结晶器流场特征参数 个周期，即结晶器左侧撞击点、回流区中心及波高上 的影响 升时，结晶器右侧撞击点、回流区中心及波高下降
均特征参数进行研究．考虑时间与空间因素可以更 好地反映流场非稳定变化的特征行为． 包燕平等［1］ 利用水模型研究了薄板坯连铸不 同工艺参数对结晶器内流场的影响从而分析了流 场非稳定性与卷渣机理．蔡开科等［2］采用结晶器内 不同位置的液面波动作为平均波高并采用粒子示 踪法研究了不同工艺因素对板坯连铸结晶器内回流 区中心深度及波高的影响．李宝宽等［3］采用水模型 方法研究了薄板坯连铸结晶器液面的涡流现象．王 新华等［4］发现瞬时波高随时间变化并研究了工艺 参数对板坯连铸结晶器内波差的影响．钱忠东等［5］ 采用大涡模拟对板坯结晶器流场的研究结果表明： 结晶器内时均流场对于中心线左右对称然而不同 时刻的流场及湍动涡随时间变化．Robertson 等［6］ 最早发现板坯结晶器内流场存在非对称性且流场上 下持续摆动．Gupta 等［7—8］发现弯月面持续波动且 相对结晶器中心并不一直对称但是弯月面的波形 是时均对称的．结晶器内流场以不确定周期相对结 晶器中心摆动并且结晶器出口流体的非均匀流出 与非对称的流场有直接关系［8］．Miranda 等［9］在1∶3 的水力学模型中研究了液面波动并且发现液面波 动具有非稳定的行为．Ramos—Banderas 等［10］利用 粒子成像测速技术（PIV）研究了板坯连铸结晶器内 水的流动也发现流场是非对称的．射流角度和撞 击到结晶器窄面的位置随时间变化射流的垂直摆 动导致了流场随时间变化［10］． 可以看出在结晶器流场非稳定性方面已经取 得了很多研究成果．本文基于结晶器流场非稳定性 研究工艺参数对薄板坯流场特征参数的影响． 1 实验方法 建立与实际连铸结晶器、水口相同尺寸的水力 学模型．结晶器为 CSP 漏斗形宽度1600mm出口 厚度为 70mm．在结晶器宽面上画出 50mm × 50mm的网格．采用粒子示踪法显示结晶器内流场 （图1）．以假设液体静止时的液位为基准确定结晶 器中心线两侧上回流区中心深度（ HLHR）及水口 射流在结晶器窄面的撞击深度（ DLDR）．利用波 高仪及一组波高传感器测量液面波动从而得出瞬 时液面波形及结晶器两侧的波高（ WLWR）．液面 波动与流场记录时间同步间隔为0∙25s．通过改变 拉速 （ V cast ）、水口浸入深度 （ DSEN ） 及出口角度 （αSEN）研究其对薄板坯连铸结晶器流场特征参数 的影响． 图1 粒子示踪法显示的结晶器流场 Fig．1 Flow pattern in mould shown with the particle trajectory method 2 实验结果 2∙1 结晶器内流场的非稳定现象 图2为水口浸入深度为295mm、出口角度为 45°、拉坯速度为4∙79m·min —1条件下测得的液面 波动．图中虚线表示假设液体静止时的液位粗实 线表示平均液面波形包围平均波形的两条细实线 表示液面波动的最高和最低位置．液面波动的平均 范围约为28∙4mm平均波高为9∙0mm．另外图2 还给出了测量位置处液面波动的概率分布．可见 平均液面处的概率较大最高和最低位置处的概率 最小． 图2 液面波动及其概率分布 Fig．2 Level fluctuation and its probability 图3为与图2相同工艺条件下实验测得的结晶 器中心线两侧波高（ WLWR）、回流区中心深度 （ HLHR）和射流撞击深度（ DLDR）．由于测量参 数的一致性与重复性图中仅显示测量时间内140s 的结果．由图可以看出这些流场特征参数随时间 变化并且具有一定的周期性其周期（ T ） 约为 25∙5s．对于结晶器某一侧射流撞击深度（ D）、回 流区中心深度（ H）和波高（ W）的变化基本同步．随 着射流撞击点上升回流区中心上升波高增加；反 之亦然．此外由图3还可看出结晶器左右两侧射 流撞击深度、回流区中心深度及波高分别相差1／2 个周期即结晶器左侧撞击点、回流区中心及波高上 升时结晶器右侧撞击点、回流区中心及波高下降． 第7期 沈丙振等： 薄板坯连铸工艺因素对结晶器非稳定流场特征参数的影响 ·801·
,802 北京科技大学学报 第30卷 50 50 25 八人 25 0 -200 00 三 400 -600 -600 -800 -800 600 -600 -800 wM -800 -1000 -1000 -1200 20 40 6080100120140 -1200 020 40 6080100 120140 的 s (a) (b) 图3结晶器中心线左()、右(b)两侧波高(W)、回流区中心深度(H)及射流撞击深度(D)随时间的变化 Fig.3 Variations of wave height (W),circumfluence center depth (H)and jet impinging depth (D)(a)in the left and (b)right side of the mould centerline 2.2拉坯速度对流场特征参数的影响 高增加（图4(c):同时，波高、射流撞击深度和回流 图4显示水口浸入深度为295mm时，不同拉 区中心深度的标准偏差均增加.另外，由图4可见， 坯速度条件下射流撞击深度、回流区中心深度及波 撞击深度、回流区中心深度和波高的最大概率偏离 高的概率分布，图中阴影表示相对于平均射流撞击 于其平均值，其原因可能与水口射流方向相对于结 深度(AD)、平均回流区中心深度(AH)、平均波高 晶器的位置有关，表1列出了这些特征参数的变 (AW)的左右标准偏差(SDL、SDR、SⅢ、SHR、SwL及 化，并给出了特征参数的变化周期.由此可见，随着 SwR)·随拉坯速度的增加，平均射流撞击位置下降 拉坯速度的增加，结晶器内流场变化范围增大，周期 (图4(a),平均回流区中心下降（图4(b)),平均波 减小，流动不稳定程度增大 0.4 (a) 0.4(b) /=4.79m-min 0.4(c) 02 =4.79 m-min 5.0 5.0 V4.79 m-min 5.0 .23 m.min 是0.4 .23 m-min 0.2 45 02 V4.23 m.min-4.5 0 40息 a0色 Va3.15 m.min Vas=3.15 m.min 3 0.4 Vom-3.15 m.min 0.4 0.4 0.4 0.2 V-2.74 m-min 3.0 0.2 V=2.74 m.min 3.0 3.0 02 Vo=2.74 m.min 400 -600-800-1000-1200 200-300一400-500-600-700 10 20 30 射流撞击深度mm 回流区中心深度mm 波高/mm 图4不同拉速条件下射流撞击深度(a)、回流区中心深度(b)及波高（©）的概率分布和标准偏差 Fig4 Probabilities and standard deviations of the jet impinging depth (a),circumfluence center depth (b)and wave height (c)with different casting speeds 表1拉速对流场特征参数的影响 Table 1 Effect of casting speed on the characteristic parameters of fluid flow in the mould Voul Ap/ SpL/ SpR/ A S/ SHR/ Aw/ Sm/ SwR/ Tl (m'min) mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm 2.74 -904 90 103 -359 29 91 2.2 1.0 1.8 51.2 3.15 -929 97 115 -377 45 101 3.7 2.0 4.1 44.5 4.23 -939 107 117 -428 58 104 6.4 3.7 8.9 34.1 4.79 -964 110 153 -430 60 113 10.8 5.6 14.3 25.5 2.3水口浸入深度对流场特征参数的影响 深度增加，平均射流撞击位置下降，平均回流区中心 图5表示拉坯速度为3.l5mmin时，不同水 深度下降，平均波高减小；并且射流撞击深度、回流 口浸入深度条件下射流撞击深度、回流区中心深度 区中心深度和波高的标准偏差均减小.表2表示流 及波高的概率分布及标准偏差.由图可见，随浸入 场特征参数的变化，可见，随浸入深度的增加，撞击
图3 结晶器中心线左（a）、右（b）两侧波高（ W）、回流区中心深度（ H）及射流撞击深度（ D）随时间的变化 Fig．3 Variations of wave height （ W）circumfluence center depth （ H） and jet impinging depth （ D） （a） in the left and （b） right side of the mould centerline 2∙2 拉坯速度对流场特征参数的影响 图4显示水口浸入深度为295mm 时不同拉 坯速度条件下射流撞击深度、回流区中心深度及波 高的概率分布．图中阴影表示相对于平均射流撞击 深度（ A D）、平均回流区中心深度（ A H）、平均波高 （ A W）的左右标准偏差（ SDL、SDR、S HL、S HR、SWL及 SWR）．随拉坯速度的增加平均射流撞击位置下降 （图4（a））平均回流区中心下降（图4（b））平均波 高增加（图4（c））；同时波高、射流撞击深度和回流 区中心深度的标准偏差均增加．另外由图4可见 撞击深度、回流区中心深度和波高的最大概率偏离 于其平均值其原因可能与水口射流方向相对于结 晶器的位置有关．表1列出了这些特征参数的变 化并给出了特征参数的变化周期．由此可见随着 拉坯速度的增加结晶器内流场变化范围增大周期 减小流动不稳定程度增大． 图4 不同拉速条件下射流撞击深度（a）、回流区中心深度（b）及波高（c）的概率分布和标准偏差 Fig．4 Probabilities and standard deviations of the jet impinging depth （a）circumfluence center depth （b） and wave height （c） with different casting speeds 表1 拉速对流场特征参数的影响 Table1 Effect of casting speed on the characteristic parameters of fluid flow in the mould V cast／ （m·min —1） A D／ mm SDL／ mm SDR／ mm A H／ mm S HL／ mm S HR／ mm A W／ mm S WL／ mm S WR／ mm T／ mm 2∙74 —904 90 103 —359 29 91 2∙2 1∙0 1∙8 51∙2 3∙15 —929 97 115 —377 45 101 3∙7 2∙0 4∙1 44∙5 4∙23 —939 107 117 —428 58 104 6∙4 3∙7 8∙9 34∙1 4∙79 —964 110 153 —430 60 113 10∙8 5∙6 14∙3 25∙5 2∙3 水口浸入深度对流场特征参数的影响 图5表示拉坯速度为3∙15m·min —1时不同水 口浸入深度条件下射流撞击深度、回流区中心深度 及波高的概率分布及标准偏差．由图可见随浸入 深度增加平均射流撞击位置下降平均回流区中心 深度下降平均波高减小；并且射流撞击深度、回流 区中心深度和波高的标准偏差均减小．表2表示流 场特征参数的变化．可见随浸入深度的增加撞击 ·802· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第7期 沈丙振等：薄板坯连铸工艺因素对结晶器非稳定流场特征参数的影响 803 点、回流区中心深度和波高的变化范围减小，周期增 加，结晶器内流场不稳定程度减小 360 360 360 (a) (b) (c) 04 Da=325 mm D,、=325mm 320 m 02 D=325 mm 320 0 DN=295 mm DsN-295 mm 0 De=295 mm 0 280必 0.4 DN=255 mm DseN=255 mm g 280 02 DsEN=255 mm 0.4 02 D、-225mm 240 0.4f 0.4 0.24 Dsex=225 mm 240 DN=225 mm 240 00 600-800-1000 -1200 0200 300 -400 -500 -600 -700 5 10 1520 25 30 射流撞击深度mm 回流区中心深度/mm 波高mm 图5不同水口浸入深度条件下射流撞击深度(a)、回流区中心深度(b)及波高(c)的概率分布及标准偏差 Fig.5 Probabilities and standard deviations of the jet impinging depth (a),circumfluence center depth (b)and wave height (c)with different SEN immersion depths 表2水口浸入深度对流场特征参数的影响 Table 2 Effect of SEN immersion depth on the characteristic parameters of fluid flow in the mould DsEN AD/ So/ SDR Anl Sm/ SHR/ Aw/ Sw Swn/ Tl mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm 225 -842 102 134 -363 46 131 6.6 3.6 8.2 41.0 255 -927 100 119 -367 46 102 4.0 2.3 5.3 42.7 295 -929 97 115 -377 45 101 3.7 2.0 4.1 44.5 325 -949 79 101 -411 43 89 2.7 1.5 3.7 46.5 2,4水口出口角度对流场特征参数的影响 标准偏差减小，而射流冲击深度和回流区中心深度 图6表示水口浸入深度为295mm,拉坯速度为 的标准偏差却增大，表3列出了不同水口出口角度 3.l5mmin时，不同水口出口角度条件下射流撞 条件下流场特征参数，可见，对于较大的水口出口 击深度、回流区中心深度及波高的概率分布及标准 角，尽管结晶器内流场非稳定流动范围较大，但是由 偏差.由图6(a)~(c)可见，随着水口出口角度增 于射流冲击深度及回流区中心深度较深，波高减小， 加，平均射流撞击位置下降，平均回流区中心下降， 流场的运动周期较大，液面波动的非稳定程度却较 平均波高减小；但是，随水口出口角度增加，波高的 小 (a) (b) (c) 04 02 SIN-609 04 0.4 0.2 as=60 asw=60° 0 物 0.2 w=45 8时 aSIN=450 v=45° 45 45 0.4 0.4 0.4 0 03 SIN30 03 OMIN=30 6 30 00-600-800-1000-1200 200-300-400-500-600 -700 5 10152025 射流撞击深度/mm 可流区中心深度mm 波高mm 图6不同水口出口角度条件下射流撞击深度()、回流区中心深度(b)及波高(c)的概率分布及标准偏差 Fig.6 Probabilities and standard deviations of the jet impinging depth (a),circumfluence center depth (b)and wave height (e)with different SEN outlet angles 表3水口出口角度对流场特征参数的影响 Table 1 Effect of SEN outlet angle on the characteristic parameters of fluid flow in the mould aSEN/ Ap/ Sp/ SpR/ A Sm/ S服/ Aw/ SwL/ SwR/ T/ (° mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm 30 -893 85 85 -360 42 95 4.3 2.6 4.9 36.6 45 -929 97 115 -377 45 101 3.7 2.0 4.1 44.5 60 -1023 114 162 -437 66 106 2.7 1.4 3.0 47
点、回流区中心深度和波高的变化范围减小周期增 加结晶器内流场不稳定程度减小． 图5 不同水口浸入深度条件下射流撞击深度（a）、回流区中心深度（b）及波高（c）的概率分布及标准偏差 Fig．5 Probabilities and standard deviations of the jet impinging depth （a）circumfluence center depth （b） and wave height （c） with different SEN immersion depths 表2 水口浸入深度对流场特征参数的影响 Table2 Effect of SEN immersion depth on the characteristic parameters of fluid flow in the mould DSEN／ mm A D／ mm SDL／ mm SDR／ mm A H／ mm S HL／ mm S HR／ mm A W／ mm S WL／ mm S WR／ mm T／ mm 225 —842 102 134 —363 46 131 6∙6 3∙6 8∙2 41∙0 255 —927 100 119 —367 46 102 4∙0 2∙3 5∙3 42∙7 295 —929 97 115 —377 45 101 3∙7 2∙0 4∙1 44∙5 325 —949 79 101 —411 43 89 2∙7 1∙5 3∙7 46∙5 2∙4 水口出口角度对流场特征参数的影响 图6表示水口浸入深度为295mm拉坯速度为 3∙15m·min —1时不同水口出口角度条件下射流撞 击深度、回流区中心深度及波高的概率分布及标准 偏差．由图6（a）～（c）可见随着水口出口角度增 加平均射流撞击位置下降平均回流区中心下降 平均波高减小；但是随水口出口角度增加波高的 标准偏差减小而射流冲击深度和回流区中心深度 的标准偏差却增大．表3列出了不同水口出口角度 条件下流场特征参数．可见对于较大的水口出口 角尽管结晶器内流场非稳定流动范围较大但是由 于射流冲击深度及回流区中心深度较深波高减小 流场的运动周期较大液面波动的非稳定程度却较 小． 图6 不同水口出口角度条件下射流撞击深度（a）、回流区中心深度（b）及波高（c）的概率分布及标准偏差 Fig．6 Probabilities and standard deviations of the jet impinging depth （a）circumfluence center depth （b） and wave height （c） with different SEN outlet angles 表3 水口出口角度对流场特征参数的影响 Table1 Effect of SEN outlet angle on the characteristic parameters of fluid flow in the mould αSEN／ （°） A D／ mm SDL／ mm SDR／ mm A H／ mm S HL／ mm S HR／ mm A W／ mm S WL／ mm S WR／ mm T／ mm 30 —893 85 85 —360 42 95 4∙3 2∙6 4∙9 36∙6 45 —929 97 115 —377 45 101 3∙7 2∙0 4∙1 44∙5 60 —1023 114 162 —437 66 106 2∙7 1∙4 3∙0 47 第7期 沈丙振等： 薄板坯连铸工艺因素对结晶器非稳定流场特征参数的影响 ·803·
,804 北京科技大学学报 第30卷 可见，由于薄板坯连铸结晶器流场的非稳定性， [2]Wan X G.Han C J.Cai KK.et al.Experimental research on 合理地选择结晶器流场非稳定性特征参数会更有利 submerged entry nozzle of slab continuous casting.Iron Steel, 2000,35(9):20 于描述不同工艺参数条件下的流场与液面波动 (万晓光，韩传基，蔡开科.连铸板坯结晶器浸入式水口试验研 行为 究.钢铁，2000,35(9)：20) 3结论 [3]Li B K.Li D H.Water model observation and numerical simula- tion of overtaxing flow at molten steel surface in continuous cast- (1)流场特征参数随时间变化，并具有一定的 ing mold.Acta Metall Sin.2002.38(3):315. (李宝宽，李东辉.连铸结晶器内钢液涡流现象的水模型观察 周期性·对于结晶器某一侧，射流撞击深度、回流区 和数值模拟.金属学报，2002,38(3)：315) 中心深度和波高的变化基本同步；结晶器左右两侧 [4]Hu H.Zhao H M,Zhang J M,et al.Research on water model of 射流撞击深度、回流区中心深度及波高分别相差半 mold level fluctuation.Iron Steel Vanadium Titanium.2005. 个周期， 26(1):10 (2)随着拉坯速度增加，平均射流撞击位置下 (胡皓，赵和明，张炯明，等。结晶器液面波动的水模型研究 降，平均回流区中心深度下降，平均波高增加：同时， 钢铁钒钛，2005,26(1)：10) 撞击点、回流区中心深度和波高的变化范围增大，周 [5]Qian Z D.Wu Y L.Large eddy simulation and controlling of vor- texing flow of molten steel in continuous casting mold.Acta Met- 期减小，结晶器内流动不稳定程度增大， all Sin,2004,40(1):88 (3)随着水口浸入深度增加，平均射流撞击位 (钱忠东，吴玉林.连铸结晶器内钢液涡流现象的大涡模拟及 置下降，平均回流区中心深度下降，平均波高减小： 控制.金属学报，2004,40(1)：88) 同时，结晶器内流场变化范围减小，周期增加，流场 [6]Robertson T,Moore P,Hawkins R J.Computational flow model as aid to solution of fluid flow problems in the steel industry 不稳定程度减小. Ironmaking Steelmaking.1986.13(4):195 (4)随着水口出口角度增加，平均射流撞击位 [7]Gupta D.Lahiri A K.Water modeling study of the surface dis- 置下降，平均回流区中心深度下降，平均波高减小； turbances in continuous slab caster.Metall Trans B.1994.25 对于较大的水口出口角，尽管结晶器内流场非稳定 (2):227 流动范围较大，但射流冲击深度及回流区中心深度 [8]Gupta D.Chakrahorty S,Lahiri A K.Asymmetry and oscillation of the fluid flow pattern in a continuous casting mould:a water 较深，波高较小，流场的运动周期较大，液面波动的 model study.ISIJ Int,1997,37:654 非稳定程度却较小， [9]Miranda R,Barron M A.Barreto J,et al.Experimental and nu- merical analysis of the free surface in a water model of a slab con- 参考文献 tinuous casting mold.ISIJ Int.2005.45(11):1626 [1]Bao Y P.Zhu JQ.Jiang W,et al.Water modeling research on [10]Ramos-Banderas A.Sanchez-Perez R.Morales R D.et al. slagentrapment in the mould of thin slab continuous caster. Mathematical simulation and physical modeling of unsteady fluid Univ Sci Technol Beijing.1999.21(6):530 flows in a water model of a slab mold.Metall Mater Trans, (包燕平，朱建强，蒋伟，等.薄板坯结晶器内卷渣现象的研究 2004,35B(3):449 北京科技大学学报，1999,21(6)：530)
可见由于薄板坯连铸结晶器流场的非稳定性 合理地选择结晶器流场非稳定性特征参数会更有利 于描述不同工艺参数条件下的流场与液面波动 行为． 3 结论 （1） 流场特征参数随时间变化并具有一定的 周期性．对于结晶器某一侧射流撞击深度、回流区 中心深度和波高的变化基本同步；结晶器左右两侧 射流撞击深度、回流区中心深度及波高分别相差半 个周期． （2） 随着拉坯速度增加平均射流撞击位置下 降平均回流区中心深度下降平均波高增加；同时 撞击点、回流区中心深度和波高的变化范围增大周 期减小结晶器内流动不稳定程度增大． （3） 随着水口浸入深度增加平均射流撞击位 置下降平均回流区中心深度下降平均波高减小； 同时结晶器内流场变化范围减小周期增加流场 不稳定程度减小． （4） 随着水口出口角度增加平均射流撞击位 置下降平均回流区中心深度下降平均波高减小； 对于较大的水口出口角尽管结晶器内流场非稳定 流动范围较大但射流冲击深度及回流区中心深度 较深波高较小流场的运动周期较大液面波动的 非稳定程度却较小． 参 考 文 献 ［1］ Bao Y PZhu J QJiang Wet al．Water modeling research on slag-entrapment in the mould of thin slab continuous caster． J Univ Sci Technol Beijing199921（6）：530 （包燕平朱建强蒋伟等．薄板坯结晶器内卷渣现象的研究． 北京科技大学学报199921（6）：530） ［2］ Wan X GHan C JCai K Ket al．Experimental research on submerged entry nozzle of slab continuous casting．Iron Steel 200035（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200035（9）：20） ［3］ Li B KLi D H．Water model observation and numerical simulation of overtaxing flow at molten steel surface in continuous casting mold．Acta Metall Sin200238（3）：315． （李宝宽李东辉．连铸结晶器内钢液涡流现象的水模型观察 和数值模拟．金属学报200238（3）：315） ［4］ Hu HZhao H MZhang J Met al．Research on water model of mold level fluctuation．Iron Steel V anadium Titanium2005 26（1）：10 （胡皓赵和明张炯明等．结晶器液面波动的水模型研究． 钢铁钒钛200526（1）：10） ［5］ Qian Z DWu Y L．Large eddy simulation and controlling of vortexing flow of molten steel in continuous casting mold．Acta Metall Sin200440（1）：88 （钱忠东吴玉林．连铸结晶器内钢液涡流现象的大涡模拟及 控制．金属学报200440（1）：88） ［6］ Robertson TMoore PHawkins R J．Computational flow model as aid to solution of fluid flow problems in the steel industry． Ironmaking Steelmaking198613（4）：195 ［7］ Gupta DLahiri A K．Water-modeling study of the surface disturbances in continuous slab caster． Metall T rans B199425 （2）：227 ［8］ Gupta DChakraborty SLahiri A K．Asymmetry and oscillation of the fluid flow pattern in a continuous casting mould：a water model study．ISIJ Int199737：654 ［9］ Miranda RBarron M ABarreto Jet al．Experimental and numerical analysis of the free surface in a water model of a slab continuous casting mold．ISIJ Int200545（11）：1626 ［10］ Ramos-Banderas ASánchez-Peréz RMorales R Det al． Mathematical simulation and physical modeling of unsteady fluid flows in a water model of a slab mold． Metall Mater T rans 200435B（3）：449 ·804· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷