工程科学学报，第38卷，第10期：1393-1403,2016年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.10:1393-1403,October 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.10.007:http://journals..ustb.edu.cn 基于PV技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为 研究 任磊，张立峰四，王强强，赵星 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhanglifeng(@usth.cdu.cm 摘要利用粒子图像测速技术，以200mm×2040mm板坯连铸结晶器为原型，建立1：4水模型进行实验，对结晶器内钢液流 动形态、流速及各流态所占比例、液面波动、以水口为中心结晶器两侧对称点速度随时间的变化、水口两侧液面水平流速、水 口两侧对称位置液面至结晶器底部垂直方向速度和钢液对两侧窄面的冲击深度进行系统地研究和分析，并对比拉速的影响. 研究表明，粒子图像测速技术不仅可以测量结晶器内流场流速，还可以对流场对称性进行全方位、多角度定量分析，为研究连 铸参数变化，比如拉速、水口结构和水口浸入深度，对板坯连铸结晶器内钢液流动及对称性的影响提供一种较为精确的方法 和思路.通过分析得出，在本实验条件下拉速0.5mmin优于0.6mmin 关键词连铸：结品器；流体流动：粒子图像测速技术：对称性 分类号TF777.1 Study on fluid flow in a continuous casting slab mold using particle image velocimetry REN Lei,ZHANG Li-feng,WANG Qiang-qiang,ZHAO Xing School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhanglifeng@ustb.edu.cn ABSTRACT A 1/4 scale water model of slab molds was built to investigate the fluid flow and its symmetry during casting.The mod- el was established according to a 200 mm x 2040 mm actual mold.The velocity in the mold was measured by using particle image ve- locimetry (PIV).By analyzing the velocity field,the fluid flow behaviors such as flow patterns,level fluctuation,time history of speed on symmetrical points,horizontal speed below the meniscus,vertical speed nearby the narrow face and impingement depth could be studied.The effect of casting speed on the fluid flow behaviors mentioned above was investigated.The results show that the PIV technology can not only measure the velocity field,but also show the flow symmetry in a distinctive perspective so that proposing meas- ures for the continuous casting process,such as casting speed,the geometric of the submerged entry nozzle (SEN)and submergence depth of SEN.After analysis,a conclusion can be drawn that the casting speed at 0.5mminis better than 0.6mminunder the casting condition.The results show that the PIV technology is a useful method to optimize the continuous casting conditions. KEY WORDS continuous casting:molds;fluid flow;particle image velocimetry:symmetry 连铸结晶器内的钢液流动是一个复杂的三维湍流性冈、液面流速网、液面波动0等指标控制不当就会引 流动，由于其工作条件和环境所限无法对结晶器内部 起液态保护渣卷入钢液5-可，造成连铸坯质量下降. 钢液流动特征进行直接研究，但生产过程中若对其内 Yoshida等网研究发现液态保护渣卷入结晶器钢液内 部钢液的流动形态0、以水口为中心两侧流股的对称 部主要有五种方式（如图1所示）：(1)钢液从水口两 收稿日期：2015-12-31 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274034,51334002,51404019)
工程科学学报，第 38 卷，第 10 期: 1393--1403，2016 年 10 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 10: 1393--1403，October 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 10． 007; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于 PIV 技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为 研究 任 磊，张立峰，王强强，赵 星 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: zhanglifeng@ ustb． edu． cn 摘 要 利用粒子图像测速技术，以 200 mm × 2040 mm 板坯连铸结晶器为原型，建立 1∶ 4水模型进行实验，对结晶器内钢液流 动形态、流速及各流态所占比例、液面波动、以水口为中心结晶器两侧对称点速度随时间的变化、水口两侧液面水平流速、水 口两侧对称位置液面至结晶器底部垂直方向速度和钢液对两侧窄面的冲击深度进行系统地研究和分析，并对比拉速的影响． 研究表明，粒子图像测速技术不仅可以测量结晶器内流场流速，还可以对流场对称性进行全方位、多角度定量分析，为研究连 铸参数变化，比如拉速、水口结构和水口浸入深度，对板坯连铸结晶器内钢液流动及对称性的影响提供一种较为精确的方法 和思路． 通过分析得出，在本实验条件下拉速 0. 5 m·min － 1优于 0. 6 m·min － 1 ． 关键词 连铸; 结晶器; 流体流动; 粒子图像测速技术; 对称性 分类号 TF777. 1 Study on fluid flow in a continuous casting slab mold using particle image velocimetry ＲEN Lei，ZHANG Li-feng ，WANG Qiang-qiang，ZHAO Xing School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: zhanglifeng@ ustb． edu． cn ABSTＲACT A 1 /4 scale water model of slab molds was built to investigate the fluid flow and its symmetry during casting． The model was established according to a 200 mm × 2040 mm actual mold． The velocity in the mold was measured by using particle image velocimetry ( PIV) ． By analyzing the velocity field，the fluid flow behaviors such as flow patterns，level fluctuation，time history of speed on symmetrical points，horizontal speed below the meniscus，vertical speed nearby the narrow face and impingement depth could be studied． The effect of casting speed on the fluid flow behaviors mentioned above was investigated． The results show that the PIV technology can not only measure the velocity field，but also show the flow symmetry in a distinctive perspective so that proposing measures for the continuous casting process，such as casting speed，the geometric of the submerged entry nozzle ( SEN) and submergence depth of SEN． After analysis，a conclusion can be drawn that the casting speed at 0. 5 m·min － 1 is better than 0. 6 m·min － 1 under the casting condition． The results show that the PIV technology is a useful method to optimize the continuous casting conditions． KEY WOＲDS continuous casting; molds; fluid flow; particle image velocimetry; symmetry 收稿日期: 2015--12--31 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51274034，51334002，51404019) 连铸结晶器内的钢液流动是一个复杂的三维湍流 流动，由于其工作条件和环境所限无法对结晶器内部 钢液流动特征进行直接研究，但生产过程中若对其内 部钢液的流动形态［1］、以水口为中心两侧流股的对称 性［2］、液面流速［3］、液面波动［4］等指标控制不当就会引 起液态保护渣卷入钢液［5--7］，造成连铸坯质量下降． Yoshida 等［8］研究发现液态保护渣卷入结晶器钢液内 部主要有五种方式( 如图 1 所示) : ( 1) 钢液从水口两
·1394· 工程科学学报，第38卷，第10期 侧射出时若流速不同，流速较大一侧钢液撞击结晶器 浸入式水口 窄面后形成上回流冲击弯月面，使钢渣界面剧烈波动， 液渣层 周渣与烧结层 这有可能使液渣被卷入钢液被凝固坯壳捕获.(2)由 3 (2) 于滑板控流操作不当、水口未对中、水口堵塞等导致的 结品器 非对称流使结晶器液面水口两侧流股流速不同，在流 速较小一侧会形成卡门涡，该漩涡会将液态保护渣吸 入钢液被凝固坯壳捕获.(3)当大尺寸气泡上浮穿过 气 钢渣界面时，气泡会将部分钢液托举脱离钢液基体，当 坏壳 气泡继续上浮破裂进入大气后被脱离钢液基体的钢液 铜液 膜由于重力又回到钢液中，该过程会将少量液态渣卷 入钢液被流股带至凝固前沿被凝固坯壳捕获.(4)钢 图1 结晶器卷渣的五种主要形式) 渣界面的Kelvin--Helmholtz不稳定现象会使保护渣 Fig.1 Five mechanisms of mold powder entrapment 滴落卷入钢液被流股带至凝固前沿被凝固坯壳捕获. 冲击深度. (5)非对称流导致的水口两侧流股的速度差还会使水 口两侧形成压力差，流速较小一侧的负压会将液态保 1 实验 护渣沿着水口外壁吸入钢液，当保护渣流至水口出口 1.1 时被流股冲至凝固前沿被凝固坯壳捕获.其中(3)只 物理模拟实验方法 本实验的结晶器水模型的建立基于相似原理，模 有在吹气的情况下才会发生，而(1)、(2)、(4)和(5) 均与结晶器内部以水口为中心两侧钢液流动不对称有 型与原型比为1：4，且保证其F:准数相等，如式(1)所 关，因此生产过程中为了避免发生卷渣应设法使钢液 示为弗鲁德准数.图2为结晶器水模拟实验装置示意 在结晶器内的流动行为稳定且对称.Thomas等o和 图，包括中间包、浸入式水口和结晶器，计量泵和玻璃 Sanchez-Perez等W采用气泡示踪，Torres-Alonso等团 转子流量计.结晶器水模型断面尺寸为50mm×510 mm.浸入式水口出口形状为椭圆形，出口角度为0°， 采用墨水示踪显示钢液在结晶器内的流动形态， Chaudhary等在结晶器内某些位置布置探测器测量 如图3所示 该点流速，通过对比对称位置的速度大小及随时间的 变化研究流场对称性.但是，示踪实验虽能显示流态， 无法得知结晶器内水口两侧流速大小是否对称，而探 测器只能获得某些位置的流速无法获得流态.随着流 体力学的发展，粒子图像测速技术(particle image ve-- 流量计 流量 locimetry,PIV)被应用于研究治金反应器内部流 场4-刀，Yuan等的研究结果中获得结晶器整个范 围内的流态和流速的方法是：利用粒子图像测速技术 对结晶器分区拍摄，得到结晶器内局部流态及流速，然 空气压缩机 后将不同区域的多次测量结果求平均后拼接起来，这 种方法虽然能得到结晶器内钢液流态和流速，但是由 图2水模型实验装置图 于无法同时得到同一时刻结晶器内以水口为中心两侧 Fig.2 Water model of the mold 流场，所以无法研究连铸参数变化对结晶器内钢液流 动对称性的影响. (1) 基于此，本文采用1：4比例的水模型，利用粒子图 fr= gl 像测速技术并将拍摄区域扩大为整个流场范围，得到 由于采用模型与原型几何尺寸比例为1：4，模型与原 不同时刻钢液在结晶器内的速度场，在此基础上研究 型的速度之比经公式(2)~(4)推导所得. 结晶器内钢液流动特征，包括钢液在结晶器内流动形 Fre=Frg (2) 态、流速、各流态所占比例和液面波动，并进一步分析 2222 g。g。= (3) 拉速对板坯连铸结晶器内钢液流动的对称性的影响， 对称性优劣的评价指标包括水口两侧对称点速度随时 V (4) 间的变化、水口两侧液面水平流速、水口两侧对称位置 液面至结晶器底部垂直方向速度和钢液对两侧窄面的 式中：V为钢水流速，ms:l为特征长度，m;g为重力
工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 侧射出时若流速不同，流速较大一侧钢液撞击结晶器 窄面后形成上回流冲击弯月面，使钢渣界面剧烈波动， 这有可能使液渣被卷入钢液被凝固坯壳捕获． ( 2) 由 于滑板控流操作不当、水口未对中、水口堵塞等导致的 非对称流使结晶器液面水口两侧流股流速不同，在流 速较小一侧会形成卡门涡，该漩涡会将液态保护渣吸 入钢液被凝固坯壳捕获． ( 3) 当大尺寸气泡上浮穿过 钢渣界面时，气泡会将部分钢液托举脱离钢液基体，当 气泡继续上浮破裂进入大气后被脱离钢液基体的钢液 膜由于重力又回到钢液中，该过程会将少量液态渣卷 入钢液被流股带至凝固前沿被凝固坯壳捕获． ( 4) 钢 渣界面的 Kelvin--Helmholtz［9］不稳定现象会使保护渣 滴落卷入钢液被流股带至凝固前沿被凝固坯壳捕获． ( 5) 非对称流导致的水口两侧流股的速度差还会使水 口两侧形成压力差，流速较小一侧的负压会将液态保 护渣沿着水口外壁吸入钢液，当保护渣流至水口出口 时被流股冲至凝固前沿被凝固坯壳捕获． 其中( 3) 只 有在吹气的情况下才会发生，而( 1) 、( 2) 、( 4) 和( 5) 均与结晶器内部以水口为中心两侧钢液流动不对称有 关，因此生产过程中为了避免发生卷渣应设法使钢液 在结晶器内的流动行为稳定且对称． Thomas 等［10］和 Sanchez-Perez 等［11］采用气泡示踪，Torres-Alonso 等［12］ 采用墨水示踪显示 钢液在结晶器内的流动形态， Chaudhary 等［13］在结晶器内某些位置布置探测器测量 该点流速，通过对比对称位置的速度大小及随时间的 变化研究流场对称性． 但是，示踪实验虽能显示流态， 无法得知结晶器内水口两侧流速大小是否对称，而探 测器只能获得某些位置的流速无法获得流态． 随着流 体力学的发展，粒子图像测速技术( particle image velocimetry，PIV) 被 应 用 于 研 究 冶 金 反 应 器 内 部 流 场［14--17］，Yuan 等［18］的研究结果中获得结晶器整个范 围内的流态和流速的方法是: 利用粒子图像测速技术 对结晶器分区拍摄，得到结晶器内局部流态及流速，然 后将不同区域的多次测量结果求平均后拼接起来，这 种方法虽然能得到结晶器内钢液流态和流速，但是由 于无法同时得到同一时刻结晶器内以水口为中心两侧 流场，所以无法研究连铸参数变化对结晶器内钢液流 动对称性的影响． 基于此，本文采用 1∶ 4比例的水模型，利用粒子图 像测速技术并将拍摄区域扩大为整个流场范围，得到 不同时刻钢液在结晶器内的速度场，在此基础上研究 结晶器内钢液流动特征，包括钢液在结晶器内流动形 态、流速、各流态所占比例和液面波动，并进一步分析 拉速对板坯连铸结晶器内钢液流动的对称性的影响， 对称性优劣的评价指标包括水口两侧对称点速度随时 间的变化、水口两侧液面水平流速、水口两侧对称位置 液面至结晶器底部垂直方向速度和钢液对两侧窄面的 图 1 结晶器卷渣的五种主要形式［8］ Fig． 1 Five mechanisms of mold powder entrapment 冲击深度． 1 实验 1. 1 物理模拟实验方法 本实验的结晶器水模型的建立基于相似原理，模 型与原型比为 1∶ 4，且保证其 Fr 准数相等，如式( 1) 所 示为弗鲁德准数． 图 2 为结晶器水模拟实验装置示意 图，包括中间包、浸入式水口和结晶器，计量泵和玻璃 转子流量计． 结晶器水模型断面尺寸为 50 mm × 510 mm． 浸入式水口出口形状为椭圆形，出口角度为 0°， 如图 3 所示． 图 2 水模型实验装置图 Fig． 2 Water model of the mold Fr = V2 gl ． ( 1) 由于采用模型与原型几何尺寸比例为 1∶ 4，模型与原 型的速度之比经公式( 2) ～ ( 4) 推导所得． Frm = Frp ． ( 2) V2 m glm = V2 p glp V2 m lm = V2 p lp ． ( 3) Vm Vp = lm 槡lp = 槡 1 4 = 1 2 = 0. 5． ( 4) 式中: V 为钢水流速，m·s － 1 ; l 为特征长度，m; g 为重力 · 4931 ·
任磊等：基于PV技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究 ·1395· 75 表1原型与模型的主要参数 49.75 2 Table 1 Parameters of the actual and water model 参数 结晶器原型 1/4水模型 断面尺寸/mm2 200×2040 50×510 结品器长/mm 900 550 工作液位/mm 100 水口浸入深度/mm 160 35 拉速/(m'min-1) 0.85 0.50.6 13.75 单位：mm 16.25 通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片 φ27.5 上或电荷耦合器件相机上，摄取该区域粒子图像的帧 图3实验所用水口结构及尺寸 序列，并记录相邻两帧图像序列之间的时间间隔，进行 Fig.3 Geometric of the submerged entry nozzle (SEN) 图像相关分析识别示踪粒子图像的位移，从而得到流 体的速度场.图4所示为粒子图像测速技术原理图. 加速度，ms2;下标m代表模型：下标p代表原型 图中T,为激光1发射时刻，us:T,为激光2发射时刻， 本文在利用粒子图像测速技术研究结晶器内部流 us;△L为T2-T,时间内示踪粒子移动的距离，m:V为 动特征后发现，在拉速为0.425m·min时，流态中单 T,-T,时间内示踪粒子的运动速度，ms 辊流所占比例较多，原因是结晶器原型为宽幅（宽厚 本实验粒子图像测速激光发射器采用北京镭宝光 比为11：1)，钢液从水口射出后要经过很长一段距离 电技术有限公司生产的型号为Vite380脉冲固体激光 才能到达窄面，动能损失较多，冲击点下移，导致上回 器系统，电荷耦合器件采用美国T$公司生产的型号 流较弱.因此，考虑适当提高连铸拉速.将水模型拉 为63062相机，运用Insight4G软件对图像分析处理 速从满足相似比的0.425m·min提升至0.5m· 拍摄模式为序列模式，数量设置为100，激光脉冲频率 min',但是拉速不能一味提高，需要考虑现场连铸的 为1.92Hz(相邻两个瞬态的时间间隔为频率的倒数， 节奏、液面波动等情况，因此本文对比了提升拉速后两 即0.52s,在结晶器液位稳定下抓拍100个瞬态)，那 种拉速0.5m'min和0.6mmin下结晶器内的流动 么连续抓拍时间为52s左右，激光延迟选择400μs,粒 特征及对称性.表1为结晶器原型与模型的主要参数 子图像测速曝光选择410μs,计算速度矢量时两帧时 对比. 间间隔1200us. 1.2粒子图像测速系统 粒子图像测速技术系统包括激光光源系统、激光 2结果分析与讨论 器电源、同步控制器、计算机以及电荷耦合器件 2.1结晶器内流态显示及流速测量 (charge coupled device,CCD)相机，其原理为在流场中 图5为拉速0.5m·min结晶器内不同时刻典型 散播示踪粒子，用脉冲激光片光源照射所测流场区域， 流态，将开始拍摄时刻记为0s.由图5(a)可知，距开 结晶器水模型 光路传输系统 激光发射器 CCD相机 日同步器 2 v= △L T-T T激光1 T,:激光2 澈光器电源 图像分析处理 图4粒子图像测速技术原理图 Fig.4 Prineiple of PIV
任 磊等: 基于 PIV 技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究 图 3 实验所用水口结构及尺寸 Fig． 3 Geometric of the submerged entry nozzle ( SEN) 加速度，m·s － 2 ; 下标 m 代表模型; 下标 p 代表原型． 图 4 粒子图像测速技术原理图 Fig． 4 Principle of PIV 本文在利用粒子图像测速技术研究结晶器内部流 动特征后发现，在拉速为 0. 425 m·min － 1时，流态中单 辊流所占比例较多，原因是结晶器原型为宽幅( 宽厚 比为 11∶ 1) ，钢液从水口射出后要经过很长一段距离 才能到达窄面，动能损失较多，冲击点下移，导致上回 流较弱． 因此，考虑适当提高连铸拉速． 将水模型拉 速从满足相似比的 0. 425 m·min － 1 提 升 至 0. 5 m· min － 1，但是拉速不能一味提高，需要考虑现场连铸的 节奏、液面波动等情况，因此本文对比了提升拉速后两 种拉速 0. 5 m·min － 1和 0. 6 m·min － 1下结晶器内的流动 特征及对称性． 表 1 为结晶器原型与模型的主要参数 对比． 1. 2 粒子图像测速系统 粒子图像测速技术系统包括激光光源系统、激光 器电 源、同 步 控 制 器、计 算 机 以 及 电 荷 耦 合 器 件 ( charge coupled device，CCD) 相机，其原理为在流场中 散播示踪粒子，用脉冲激光片光源照射所测流场区域， 表 1 原型与模型的主要参数 Table 1 Parameters of the actual and water model 参数 结晶器原型 1 /4 水模型 断面尺寸/mm2 200 × 2040 50 × 510 结晶器长/mm 900 550 工作液位/mm 100 25 水口浸入深度/mm 160 35 拉速/( m·min － 1 ) 0. 85 0. 5; 0. 6 通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片 上或电荷耦合器件相机上，摄取该区域粒子图像的帧 序列，并记录相邻两帧图像序列之间的时间间隔，进行 图像相关分析识别示踪粒子图像的位移，从而得到流 体的速度场． 图 4 所示为粒子图像测速技术原理图． 图中 T1为激光 1 发射时刻，μs; T2为激光 2 发射时刻， μs; ΔL 为 T2--T1时间内示踪粒子移动的距离，m; V 为 T2--T1时间内示踪粒子的运动速度，m·s － 1 ． 本实验粒子图像测速激光发射器采用北京镭宝光 电技术有限公司生产的型号为 Vlite380 脉冲固体激光 器系统，电荷耦合器件采用美国 TSI 公司生产的型号 为 63062 相机，运用 Insight 4G 软件对图像分析处理． 拍摄模式为序列模式，数量设置为 100，激光脉冲频率 为 1. 92 Hz ( 相邻两个瞬态的时间间隔为频率的倒数， 即 0. 52 s，在结晶器液位稳定下抓拍 100 个瞬态) ，那 么连续抓拍时间为 52 s 左右，激光延迟选择 400 μs，粒 子图像测速曝光选择 410 μs，计算速度矢量时两帧时 间间隔 1200 μs． 2 结果分析与讨论 2. 1 结晶器内流态显示及流速测量 图 5 为拉速 0. 5 m·min － 1结晶器内不同时刻典型 流态，将开始拍摄时刻记为 0 s． 由图 5( a) 可知，距开 · 5931 ·
·1396· 工程科学学报，第38卷，第10期 (a) (b) 0.5m·s速度(m·s-) 0.5m:1速度m·s ■0.30 030 -0.085 -0.085 0.170 0.170 7542 -0.255 -0.255 -0340 0.340 0.01 0.01 0475 0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 距水口距离m 距水口距离m d 0.5ms速度/m 0.5ms1速度m· 1839 0.085 222 -0.085 -0.170 942 0.255 -0.255 0.340 -0.340- -0.425 -0.425 -0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 -0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 距水口距离m 距水口距离m 图5拉速为0.5mmin1时结品器内典型钢液流动流态.(a)t=0.52s:(b)t=11.44s:(c)t=33.80s:(d)t=46.80s Fig.5 Typical flow patterns in the mold at a casting speed of 0.5m"min:(a)1=0.52s:(b)t=11.44s:(c)t=33.80s:(d)=46.80s 始拍摄时间t为0.52s时钢液从水口射出撞击窄面后 速增大结晶器内钢液流速加快 分为上回流和下回流，且左右两侧强度一致，流股较为 图7为结晶器内钢液流态及流速的52s时均图 对称，流态为双辊流：由图5(b)可知，11.44s时水口 其中图7(a)为拉速0.5mmin时结晶器内钢液时均 出口右侧钢液流较左侧明显上翘，导致水口右侧上回 流场，可以看出不同时刻结晶器内钢液的流态在不停 流强于左侧，形成右强左弱的不对称流：由图5（©）可 变化，这是湍流的特点，但是只要连铸条件选择合适能 知，33.80s时钢液从水口射出后射流角度较0.52s和 使各流态所占比例适中，能使其时均流场维持稳定的 11.44s时向下偏转，导致冲击点下移，上回流强度减 双辊流且以水口为中心结晶器左右两侧流股较为对 弱，形成单辊流；由图5(d)可知，46.80s时水口出口 称：图7(b)为拉速0.6m·min时结晶器内钢液时均 左侧钢液流较右侧明显上翘，导致水口左侧上回流强 流场，可以看出当拉速由0.5mmin增加至0.6m· 于右侧，形成左强右弱的不对称流 min时结晶器内钢液流速增大，左侧强流出现的频率 图6为拉速为0.6m·min结晶器内不同时刻典 较大，导致其52s时均流态为极其不对称的左侧强流. 型流态，同样地将开始拍摄时刻记为0s.由图6可知， Gupta和Lahiri网在研究中发现，结晶器水模型内流场 距开始拍摄0.52s时结晶器内钢液流态为左侧强流， 的对称性若排除结构的不对称（水口出口角度、形状 25.48s时为单辊流，37.44s时为双辊流，48.36s时为 等在制作时产生的误差)或者操作不当（水口未对中） 右侧强流.对比图5和图6可知，当拉速由0.5m· 与以下因素有关：结晶器水模型的出水方式（多孔排 min增大至0.6m·min时，结晶器内钢液流动的典 水或者蛇形排水)、结晶器的长度和结晶器的断面宽 型流态均为双辊流、单辊流、左侧强流和右侧强流，拉 厚比.本实验建立的水模型为多孔排水，此种排水方
工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 图 5 拉速为 0. 5 m·min － 1时结晶器内典型钢液流动流态 . ( a) t = 0. 52 s; ( b) t = 11. 44 s; ( c) t = 33. 80 s; ( d) t = 46. 80 s Fig． 5 Typical flow patterns in the mold at a casting speed of 0. 5 m·min － 1 : ( a) t = 0. 52 s; ( b) t = 11. 44 s; ( c) t = 33. 80 s; ( d) t = 46. 80 s 始拍摄时间 t 为 0. 52 s 时钢液从水口射出撞击窄面后 分为上回流和下回流，且左右两侧强度一致，流股较为 对称，流态为双辊流; 由图 5( b) 可知，11. 44 s 时水口 出口右侧钢液流较左侧明显上翘，导致水口右侧上回 流强于左侧，形成右强左弱的不对称流; 由图 5( c) 可 知，33. 80 s 时钢液从水口射出后射流角度较 0. 52 s 和 11. 44 s 时向下偏转，导致冲击点下移，上回流强度减 弱，形成单辊流; 由图 5( d) 可知，46. 80 s 时水口出口 左侧钢液流较右侧明显上翘，导致水口左侧上回流强 于右侧，形成左强右弱的不对称流． 图 6 为拉速为 0. 6 m·min － 1结晶器内不同时刻典 型流态，同样地将开始拍摄时刻记为 0 s． 由图 6 可知， 距开始拍摄 0. 52 s 时结晶器内钢液流态为左侧强流， 25. 48 s 时为单辊流，37. 44 s 时为双辊流，48. 36 s 时为 右侧强流． 对比图 5 和图 6 可知，当拉速由 0. 5 m· min － 1增大至 0. 6 m·min － 1 时，结晶器内钢液流动的典 型流态均为双辊流、单辊流、左侧强流和右侧强流，拉 速增大结晶器内钢液流速加快． 图 7 为结晶器内钢液流态及流速的 52 s 时均图． 其中图 7( a) 为拉速 0. 5 m·min － 1时结晶器内钢液时均 流场，可以看出不同时刻结晶器内钢液的流态在不停 变化，这是湍流的特点，但是只要连铸条件选择合适能 使各流态所占比例适中，能使其时均流场维持稳定的 双辊流且以水口为中心结晶器左右两侧流股较为对 称; 图 7( b) 为拉速 0. 6 m·min － 1时结晶器内钢液时均 流场，可以看出当拉速由 0. 5 m·min － 1 增加至 0. 6 m· min － 1时结晶器内钢液流速增大，左侧强流出现的频率 较大，导致其 52 s 时均流态为极其不对称的左侧强流． Gupta 和 Lahiri［2］在研究中发现，结晶器水模型内流场 的对称性若排除结构的不对称( 水口出口角度、形状 等在制作时产生的误差) 或者操作不当( 水口未对中) 与以下因素有关: 结晶器水模型的出水方式( 多孔排 水或者蛇形排水) 、结晶器的长度和结晶器的断面宽 厚比． 本实验建立的水模型为多孔排水，此种排水方 · 6931 ·
任磊等：基于PV技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究 ·1397· (b) 05m·s速度(m·s 0.5m·s1速度ms) 30 0- 0.30 -0.085 0085 2722222 0.170 -0.255 -0.255 0.30 -0.340 88 -0.425 0.42 -0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 距水口距离m 距水口距离m d 0.5 ms 速度(m· 0.5ms 速度Am·) 030 0.085 -0.085 D.7 0000 0.7 000. 87542 87542 0.255 0.255 D.0 0.09 0.340 0.0 0.340 .0 -0.425 -0.425 0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 -0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 距水口距离m 距水口距离/m 图6拉速为0.6mmin1时结品器内典型钢液流动流态.(a)t=0.52s:(b)t=25.48s:(c)t=37.44s:(d)t=48.36s Fig.6 Typical flow patterns in the mold at a casting speed of 0.6m"min:(a)t=0.52s;(b)t=25.48s:(c)t=37.44s:(d)t=48.36s (a) 0.5ms速度m·g) 0.5ms1 速度m·s 0.250 0.085- 三圆 63 0.170 0.17 0.255 -0.255 0.3540 0.0 -0.425 0.425- 0255-0.170-0.08500.0850.1700.255 0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 距水口距离m 距水口距离m 图7不同拉速下结品器内钢液流态52s时均图.(a)0.5 m'min-1:(b)0.6mmim1 Fig.7 Time-averaged flow patterns at different casting speeds:(a)0.5m*min:(b)0.6mmin-
任 磊等: 基于 PIV 技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究 图 6 拉速为 0. 6 m·min － 1时结晶器内典型钢液流动流态 . ( a) t = 0. 52 s; ( b) t = 25. 48 s; ( c) t = 37. 44 s; ( d) t = 48. 36 s Fig． 6 Typical flow patterns in the mold at a casting speed of 0. 6 m·min － 1 : ( a) t = 0. 52 s; ( b) t = 25. 48 s; ( c) t = 37. 44 s; ( d) t = 48. 36 s 图 7 不同拉速下结晶器内钢液流态 52 s 时均图 . ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 Fig． 7 Time-averaged flow patterns at different casting speeds: ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 · 7931 ·
·1398 工程科学学报，第38卷，第10期 式下，流场的对称性的影响因素主要为结晶器的长度 100 和断面宽厚比.在做结晶器水模型实验时，结晶器的 右侧强流 实际长度为在根据几何相似原型与模型对应的长度基 80 左侧强流 18 双辊流 础上延长一段距离，若这段距离过长，结晶器下部的两 ]单辊流 70 个环流不能到达结晶器底部，此时容易引起流场不对 31 称(Gupta的这种说法是否准确还有待进一步考证)： 若结晶器断面宽厚比大于某个临界值时，流体从水口 30 射出后会先撞击宽面，形成扰动，之后才到达窄面，这 20 33 10 10k 样也容易引起流场的不对称 15 0 图8对比拉速为0.5mmin和0.6m'min下， 0.5 0.6 拉速/mmin) 在拍摄时长52s内结晶器内钢液流动各典型流态所占 的百分比.可以看到：拉速为0.5mmin时单辊流占 图8不同拉速下结品器内钢液各流态所占比例 Fig.8 Fractions of different flow pattemns at different casting speeds 33%,双辊流占31%，左侧强流占18%，右侧强流占 18%:拉速为0.6mmin时单辊流占15%，双辊流占 下132mm,水口两侧距水口中心线116mm的P1和 10%,左侧强流占70%，右侧强流占5%.说明拉速增 P11点：图9(b)为水口两侧液面水平流速提取位置， 大结晶器内钢液流动的稳定性变差，导致对称性变差， 为了排除液面波动对水平流速造成的影响，取液面 在实际生产过程中若结晶器内长时间出现这种非对称 下10mm;图9(c)为水口两侧对称位置液面至结晶 流股则非常容易引起前述三种方式的卷渣，使连铸坯 器底部垂直方向速度提取位置，距水口中心线246 质量下降，因此如若想提高拉速提高产量，首先必须优 mm的两侧窄面和距水口中心线左右两侧129mm的 化连铸参数优化结晶器内流场. 宽度1/4处 2.2结晶器内钢液流动对称性分析 2.2.1对称点速度大小随时间的变化 衡量结晶器内钢液流动对称性优劣的指标包括水 图10为P1和P11两点X方向速度大小随时间的 口两侧对称点速度大小随时间的变化、水口两侧液面 变化.由于水口两侧X方向钢液流动方向相反，所以 水平流速、水口两侧对称位置液面至结晶器底部垂直 为了研究其对称性取其绝对值.图10(a)为拉速0.5 方向速度和钢液对两侧窄面的冲击深度.图9为衡量 m'min时PI和PI1两点X方向速度大小随时间的 结晶器内钢液流动对称性优劣的速度提取位置示意 变化，P1点处X方向速度52s平均值为0.205ms, 图，设原点为工作液位线与水口中心线的交点，水平向 P11点处X方向速度52s平均值为0.212ms,两者 右和重力方向分别为x轴和y轴正方向.图9(a)为水 差值为0.007msl;图10(b)为拉速0.6m·min时 口两侧对称点速度大小随时间变化的提取位置，液面 P1和PI1两点X方向速度大小随时间的变化，P1点 a 西 回 工作液位25mm 工作液位25mm 工作液位25mm Y=10 mm P11(-116,132) P1116132 R-246 图9衡量结晶器内钢液流动对称性优劣速度提取位置.(a)液面下132mm,且距水口中心线116mm;(b)水口两侧液面下10mm:(c)距 水口中心线246mm和129mm Fig.9 Velocity contrast locations and orientations:(a)132 mm below the meniscus and 116mm to the center line of SEN:(b)10mm below the me- niscus:(c)246 mm and 129 mm to the center line of SEN
工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 式下，流场的对称性的影响因素主要为结晶器的长度 和断面宽厚比． 在做结晶器水模型实验时，结晶器的 实际长度为在根据几何相似原型与模型对应的长度基 础上延长一段距离，若这段距离过长，结晶器下部的两 个环流不能到达结晶器底部，此时容易引起流场不对 称( Gupta 的这种说法是否准确还有待进一步考证) ; 若结晶器断面宽厚比大于某个临界值时，流体从水口 射出后会先撞击宽面，形成扰动，之后才到达窄面，这 样也容易引起流场的不对称． 图 8 对比拉速为 0. 5 m·min － 1 和 0. 6 m·min － 1 下， 在拍摄时长 52 s 内结晶器内钢液流动各典型流态所占 的百分比． 可以看到: 拉速为 0. 5 m·min － 1时单辊流占 33% ，双辊流占 31% ，左侧强流占 18% ，右侧强流占 18% ; 拉速为 0. 6 m·min － 1时单辊流占 15% ，双辊流占 10% ，左侧强流占 70% ，右侧强流占 5% ． 说明拉速增 大结晶器内钢液流动的稳定性变差，导致对称性变差， 在实际生产过程中若结晶器内长时间出现这种非对称 流股则非常容易引起前述三种方式的卷渣，使连铸坯 质量下降，因此如若想提高拉速提高产量，首先必须优 化连铸参数优化结晶器内流场． 图 9 衡量结晶器内钢液流动对称性优劣速度提取位置． ( a) 液面下 132 mm，且距水口中心线 116 mm; ( b) 水口两侧液面下 10 mm; ( c) 距 水口中心线 246 mm 和 129 mm Fig． 9 Velocity contrast locations and orientations: ( a) 132 mm below the meniscus and 116 mm to the center line of SEN; ( b) 10 mm below the meniscus; ( c) 246 mm and 129 mm to the center line of SEN 2. 2 结晶器内钢液流动对称性分析 衡量结晶器内钢液流动对称性优劣的指标包括水 口两侧对称点速度大小随时间的变化、水口两侧液面 水平流速、水口两侧对称位置液面至结晶器底部垂直 方向速度和钢液对两侧窄面的冲击深度． 图 9 为衡量 结晶器内钢液流动对称性优劣的速度提取位置示意 图，设原点为工作液位线与水口中心线的交点，水平向 右和重力方向分别为 x 轴和 y 轴正方向． 图 9( a) 为水 口两侧对称点速度大小随时间变化的提取位置，液面 图 8 不同拉速下结晶器内钢液各流态所占比例 Fig． 8 Fractions of different flow patterns at different casting speeds 下 132 mm，水口两侧距水口中心线 116 mm 的 P1 和 P11 点; 图 9( b) 为水口两侧液面水平流速提取位置， 为了排除液面波动对水平流速造成的影响，取液面 下 10 mm; 图 9( c) 为水口两侧对称位置液面至结晶 器底部垂 直 方 向 速 度 提 取 位 置，距 水 口 中 心 线 246 mm 的两侧窄面和距水口中心线左右两侧 129 mm 的 宽度 1 /4 处． 2. 2. 1 对称点速度大小随时间的变化 图 10 为 P1 和 P11 两点 X 方向速度大小随时间的 变化． 由于水口两侧 X 方向钢液流动方向相反，所以 为了研究其对称性取其绝对值． 图 10( a) 为拉速 0. 5 m·min － 1时 P1 和 P11 两点 X 方向速度大小随时间的 变化，P1 点处 X 方向速度 52 s 平均值为 0. 205 m·s － 1， P11 点处 X 方向速度 52 s 平均值为 0. 212 m·s － 1，两者 差值为 0. 007 m·s － 1 ; 图 10( b) 为拉速 0. 6 m·min － 1 时 P1 和 P11 两点 X 方向速度大小随时间的变化，P1 点 · 8931 ·
任磊等：基于PV技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究 ·1399· 处X方向速度52s平均值为0.225ms1,P11点处X 方向速度大小随时间的变化，P1点处Y方向速度52s 方向速度52s平均值为0.209m·s,两者差值为 平均值为-0.042ms,P11点处Y方向速度52s平 0.016ms 均值为-0.056ms,两者差值为0.014ms:图11 图11为P1和P11两点Y方向速度大小随时间的 (b)为拉速0.6mmin时P1和P11两点Y方向速度 变化，粒子图像测速系统默认重力方向速度为负，在 大小随时间的变化，P1点处Y方向速度52s平均值为 P1和P11处Y方向速度指向重力方向，所以其速度为 -0.082m·s-,P11点处Y方向速度52s平均值为 负.图11(a)为拉速0.5mmin时P1和P11两点Y -0.030ms,两者差值为0.052m·s- 0.40 0.45 O一PI点X方向瞬时速度 (a) O一P1点X方向聚时速度 (b) 0.35 0.40 Q一P11点X方向翼时速度 9一P11点X方向 0.30 0.35 器时速度 0.30 0.25 0.25 且0.20 0.20 0.15 0.15 0.10 0.10 一P1点X方向时均速度 一PI点X方向时均速度 0.05 一P11.点方向时均速度 0.05 一P11点X方向时均速度 0048121620242832364044852 00 481216202428323640444852 时间s 时间/s 图10不同拉速下X方向速度大小随时间的变化.(a)0.5mmin1;(b)0.6 m'min Fig.10 Time-history of X direction speed at different casting speeds:(a)0.5m'min-:(b)0.6m'min- 0.10 0.15 oP1点Y方向器时速度 O一P1点Y方可瞬时速度 0.05 P11点方向瞬时速度 0.10 Q一P11点方向瞬时速度 -…PI,点Y方向时均速度 0.05 P11点Y方向时均速度 -0.05 -01 0.15 一P1点Y方向时均辣度 0.15 P11点Y方向时均速度 -0.200481216202428323640444852 -0.20 481216202428323640444852 时间/s 时间/s 图11不同拉速下Y方向速度大小随时间的变化.(a)0.5m·min1:(b)0.6mmin Fig.11 Time-history of Y direction speed at different casting speeds:(a)0.5m"min:(b)0.6m"min 图12为P1和P11两点合速度大小随时间的变 s,两者差值为0.011ms1:图12(b)为拉速0.6m· 化.图12(a)为拉速0.5m·min时P1和P11两点合 min时P1和P11两点合速度大小随时间的变化， 速度大小随时间的变化，P1点处合速度52s平均值为 P1点处合速度52s平均值为0.242m·s,P11点处 0.213ms1,P11点处合速度52s平均值为0.224m· 合速度52s平均值为0.216m·s1,两者差值为 0.40 0.45 一O一P1点瞬时速度 。一P1点瞬时速度 0.35 ◆一PI1点瞬时速度 0.40 P叫1点瞬时速度 0.30 0.35 0.30 0.25 0.20 E025 020 01 0.15 0.10 一P1点时均速度 0.10 …P1点时均速度 0.05 一P11点时均速度 0.05 PI1点时均速度 481216202428323640444852 00481216202428323640444852 时间s 时间s 图12不同拉速下合速度大小随时间的变化.(a)0.5 m'min-1:(b)0.6 m'min-1 Fig.12 Time-history of resultant speed at different casting speeds:(a)0.5 m-min-1;(b)0.6 m-min-
任 磊等: 基于 PIV 技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究 处 X 方向速度 52 s 平均值为 0. 225 m·s － 1，P11 点处 X 方向速 度 52 s 平 均 值 为 0. 209 m·s － 1，两者 差 值 为 0. 016 m·s － 1 ． 图 11 为 P1 和 P11 两点 Y 方向速度大小随时间的 变化，粒子图像测速系统默认重力方向速度为负，在 P1 和 P11 处 Y 方向速度指向重力方向，所以其速度为 负． 图 11( a) 为拉速 0. 5 m·min － 1时 P1 和 P11 两点 Y 方向速度大小随时间的变化，P1 点处 Y 方向速度 52 s 平均值为 － 0. 042 m·s － 1，P11 点处 Y 方向速度 52 s 平 均值为 － 0. 056 m·s － 1，两者差值为 0. 014 m·s － 1 ; 图 11 ( b) 为拉速 0. 6 m·min － 1时 P1 和 P11 两点 Y 方向速度 大小随时间的变化，P1 点处 Y 方向速度 52 s 平均值为 － 0. 082 m·s － 1，P11 点处 Y 方向速度 52 s 平均值为 － 0. 030 m·s － 1，两者差值为 0. 052 m·s － 1 ． 图 10 不同拉速下 X 方向速度大小随时间的变化． ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 Fig． 10 Time-history of X direction speed at different casting speeds: ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 图 11 不同拉速下 Y 方向速度大小随时间的变化 . ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 Fig． 11 Time-history of Y direction speed at different casting speeds: ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 图 12 不同拉速下合速度大小随时间的变化． ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 Fig． 12 Time-history of resultant speed at different casting speeds: ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 图 12 为 P1 和 P11 两点合速度大小随时间的变 化． 图 12( a) 为拉速 0. 5 m·min － 1时 P1 和 P11 两点合 速度大小随时间的变化，P1 点处合速度 52 s 平均值为 0. 213 m·s － 1，P11 点处合速度 52 s 平均值为 0. 224 m· s － 1，两者差值为 0. 011 m·s － 1 ; 图 12( b) 为拉速 0. 6 m· min － 1时 P1 和 P11 两点 合 速 度 大 小 随 时 间 的 变 化， P1 点处合速度 52 s 平均值为 0. 242 m·s － 1，P11 点处 合速 度 52 s 平 均 值 为 0. 216 m·s － 1，两 者 差 值 为 · 9931 ·
·1400. 工程科学学报，第38卷，第10期 0.026ms 为0.172m时水平速度最大，为0.103ms,水口两侧 对比图10~图12可知，拉速为0.5mmin时在 水平速度出现最大值的位置相同，速度最大值相差 结晶器内选取的对称点PI和PI1的速度对称性要优 0.006m·s;图13(b)为拉速0.6mmin时液面下10 于拉速0.6mmin,且速度的波动更小. mm水平速度大小52s平均值，水口左侧距水口中心 2.2.2液面水平流速 线距离为0.150m时水平速度最大，为0.128ms,水 图13为水口两侧水平方向速度大小52s平均值. 口右侧距水口中心线距离为0.172m时水平速度最 图13(a)为拉速0.5mmin时液面下10mm水平速 大，为0.058ms,水口两侧水平速度出现最大值的 度，水口左侧距水口中心线距离为0.172m时水平速 位置不同，右侧比左侧远离水口中心0.022m,速度最 度最大，为0.097ms,水口右侧距水口中心线距离 大值相差0.070ms 0.14 a 0.14 液面下10mm处 b 液面下10mm处 0.12 0.12 0.10 0.10 0.08 0.08 0.06 0.06 0.04 0.04 0.02 0.02 0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 -0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 距水口距离/m 距水口距离/m 图13不同拉速下水平方向速度52s平均值.(a)0.5mmin1:(b)0.6mmim1 Fig.13 Time-veraged horizontal speed at different casting speeds:(a)0.5mmin-1:(b)0.6mmin- 2.2.3垂直方向流速及冲击深度 向下)逐渐变大，达到最大后逐渐变小.其中，窄面处 图14为窄面处由液面至结晶器底部垂直方向速 垂直方向速度为零的点为钢液流对窄面的冲击点，其 度大小52s时平均值.可以看到由液面至结晶器底部 距液面的距离即为冲击深度，冲击点以上为上回流区， 垂直方向速度变化规律为：先朝正方向（垂直向上）变 冲击点以下为下回流区. 大，达到最大后变小直至减为零，之后朝负方向（垂直 0 (a (b) 0.085 0.085 0.170 。左侧窄面 0.170 8998888e8r 。左侧窄面 。右侧窄面 。右侧窄面 0255 025 0.340 0.340 0.425 0.42 .25-0.20-0.15-0.100.0500.050.100.15 0.250.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.15 垂直方向速度(m·当》 垂直方向速度(m·s少 图14不同拉速下结品器内两侧窄面由液面至结晶器底部垂直速度52s时均值.(a)0.5 m'min-:(b)0.6m'min1 Fig.14 Timeaveraged vertical speed at different casting speeds from the meniscus to bottom of the mold:(a)0.5m"min;(b)0.6mmin- 图14(a)为拉速0.5m·min时左右两侧窄面由 m·s,出现在液面下0.215m处.图14(b)为拉速0.6 液面至结晶器底部垂直方向速度大小52$平均值，左 m·min时左右两侧窄面由液面至结晶器底部垂直方 侧窄面上回流最大垂直速度为0.073ms,出现在液 向速度大小52s平均值，左侧窄面上回流最大垂直速 面下0.056m处，右侧窄面上回流最大垂直速度为 度为0.063ms1,出现在液面下0.051m处，右侧窄面 0.065ms,出现在液面下0.045m处：左侧窄面下回 上回流最大垂直速度为0.055m·s,出现在液面下 流最大垂直速度为-0.207m·s1,出现在液面下 0.039m处；左侧窄面下回流最大垂直速度为-0.228 0.226m处，右侧窄面下回流最大垂直速度为-0.189 ms1,出现在液面下0.221m处，右侧窄面下回流最
工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 0. 026 m·s － 1 ． 对比图 10 ～ 图 12 可知，拉速为 0. 5 m·min － 1时在 结晶器内选取的对称点 P1 和 P11 的速度对称性要优 于拉速 0. 6 m·min － 1，且速度的波动更小． 2. 2. 2 液面水平流速 图 13 为水口两侧水平方向速度大小 52 s 平均值． 图 13( a) 为拉速 0. 5 m·min － 1时液面下 10 mm 水平速 度，水口左侧距水口中心线距离为 0. 172 m 时水平速 度最大，为 0. 097 m·s － 1，水口右侧距水口中心线距离 为 0. 172 m 时水平速度最大，为 0. 103 m·s － 1，水口两侧 水平速度出现最大值的位置相同，速度最大值相差 0. 006 m·s － 1 ; 图 13( b) 为拉速 0. 6 m·min － 1时液面下 10 mm 水平速度大小 52 s 平均值，水口左侧距水口中心 线距离为 0. 150 m 时水平速度最大，为 0. 128 m·s － 1，水 口右侧距水口中心线距离为 0. 172 m 时水平速度最 大，为 0. 058 m·s － 1，水口两侧水平速度出现最大值的 位置不同，右侧比左侧远离水口中心 0. 022 m，速度最 大值相差 0. 070 m·s － 1 ． 图 13 不同拉速下水平方向速度 52 s 平均值 . ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 Fig． 13 Time-averaged horizontal speed at different casting speeds: ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 2. 2. 3 垂直方向流速及冲击深度 图 14 为窄面处由液面至结晶器底部垂直方向速 度大小 52 s 时平均值． 可以看到由液面至结晶器底部 垂直方向速度变化规律为: 先朝正方向( 垂直向上) 变 大，达到最大后变小直至减为零，之后朝负方向( 垂直 向下) 逐渐变大，达到最大后逐渐变小． 其中，窄面处 垂直方向速度为零的点为钢液流对窄面的冲击点，其 距液面的距离即为冲击深度，冲击点以上为上回流区， 冲击点以下为下回流区． 图 14 不同拉速下结晶器内两侧窄面由液面至结晶器底部垂直速度 52 s 时均值 . ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 Fig． 14 Time-averaged vertical speed at different casting speeds from the meniscus to bottom of the mold: ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 图 14( a) 为拉速 0. 5 m·min － 1时左右两侧窄面由 液面至结晶器底部垂直方向速度大小 52 s 平均值，左 侧窄面上回流最大垂直速度为 0. 073 m·s － 1，出现在液 面下 0. 056 m 处，右侧窄面上回流最大垂直速度为 0. 065 m·s － 1，出现在液面下 0. 045 m 处; 左侧窄面下回 流最大 垂 直 速 度 为 － 0. 207 m·s － 1，出 现 在 液 面 下 0. 226 m 处，右侧窄面下回流最大垂直速度为 － 0. 189 m·s － 1，出现在液面下0. 215 m 处． 图14( b) 为拉速0. 6 m·min － 1时左右两侧窄面由液面至结晶器底部垂直方 向速度大小 52 s 平均值，左侧窄面上回流最大垂直速 度为 0. 063 m·s － 1，出现在液面下 0. 051 m 处，右侧窄面 上回流最大垂直速度为 0. 055 m·s － 1，出现在液面下 0. 039 m 处; 左侧窄面下回流最大垂直速度为 － 0. 228 m·s － 1，出现在液面下 0. 221 m 处，右侧窄面下回流最 · 0041 ·
任磊等：基于PV技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究 ·1401· 大垂直速度为-0.228ms-1,出现在液面下0.226m处 图l5为拉速0.5mmin和0.6 m'min下52s时 均冲击深度对比.由图可知：拉速为0.5m·min时左 侧时均冲击深度为110.3mm,右侧时均冲击深度为 104.6mm,左右两侧相差5.7mm,平均值为107.5mm; 拉速为0.6m'min时左侧时均冲击深度为99mm,右 图16利用粒子图像测速技术测量液面波动示意图 侧时均冲击深度为104.6mm,左右两侧相差5.6mm, Fig.16 Schematic of measuring level fluctuation using PIV 平均值为101.8mm.拉速增大，冲击深度减小. 140 图17为不同拉速下监测时间内液面轮廓的平均 120 兰 值，同时显示监测时间内每个监测点液位的最高值和 最低值，液位在最高值和最低值之间波动.如图18 100 (a)所示，拉速为0.5m·min时结晶器内以水口中心 80 平均 缓左侧卒面签 线为中心，水口两侧液面平均轮廓较为对称，两侧窄面 60 右窄面 处由于上回流的冲击液面处在较高的位置，在水口两 40 侧距水口中心线距离为161mm时液面位置最低，且距 水口中心线161mm范围内液面波动较为剧烈：图18 20 (b)为拉速0.6m·min时液面平均轮廓及波动，可知 0.5 0.6 左侧窄面处液位较高，而右侧窄面液位较低，说明左侧 拉速/m·min 上回流流速强于右侧，且该拉速下每个监测点液面波 图15不同拉速下冲击深度对比 动都很剧烈 Fig.15 Impingement depth at different casting speeds 2.3.2结晶器液面波动均方根值 2.3结晶器液面波动及均方根RMS值 采用液面波动的均方根(root-mean-square,RMS) 2.3.1结晶器液面波动 来衡量结晶器内各监测点i液面波动的强弱，其计算 结晶器液面的剧烈波动可造成卷渣、气孔等缺陷， 公式为 影响铸坯质量.图16为利用粒子图像测速中的电荷 耦合器件相机捕捉到的某一时刻液面轮廓.图中水平 (41)2 △lRs= (5) 实线为工作液位（液面距结晶器上沿的距离），在水口 n 两侧各均匀选取8个位置作为液面波动的监测点，如 每一时刻监测点i的液面波动值为其偏离平均液 图中垂直短实线所示，测量每个监测点液面至工作液 位的距离，即监测点i的液面轮廓瞬时值与平均值的 位的垂直距离，采用相同的方法测量多个瞬态各监测 差值，即 点液面至工作液位的距离，对各个监测点的测量值取 △l=l-l. (6) 平均便可得到监测时间内液面的平均轮廓，每个瞬态 式中，L,为监测点i的液面轮廓瞬时值，l,为监测点i 各监测点液位偏离平均轮廓的距离即为其波动值.本 液面轮廓平均值，n为监测次数，△l,为监测点i的液面 实验测量了40个瞬态，时长20.8s的16个监测点的 波动值 液面波动值. 图18(a)为拉速0.5m·min1下监测时间内结晶 12 2 (a -250-200-150-100-50050100150200250 -250-200-150-100-50050100150200250 距水口距离mm 距水口至离mm 图17不同拉速下结晶器液面平均轮廓及波动.(a)0.5m·minl:(b)0.6mmim1 Fig.17 Level fluctuation at different casting speeds:(a)0.5mmin;(b)0.6mmin
任 磊等: 基于 PIV 技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究 大垂直速度为 － 0. 228 m·s － 1，出现在液面下0. 226 m 处． 图15 为拉速0. 5 m·min － 1和0. 6 m·min － 1下52 s 时 均冲击深度对比． 由图可知: 拉速为 0. 5 m·min － 1时左 侧时均冲击深度为 110. 3 mm，右侧时均冲击深度为 104. 6 mm，左右两侧相差 5. 7 mm，平均值为 107. 5 mm; 拉速为 0. 6 m·min － 1时左侧时均冲击深度为 99 mm，右 侧时均冲击深度为 104. 6 mm，左右两侧相差 5. 6 mm， 平均值为 101. 8 mm． 拉速增大，冲击深度减小． 图 15 不同拉速下冲击深度对比 Fig． 15 Impingement depth at different casting speeds 2. 3 结晶器液面波动及均方根 ＲMS 值 2. 3. 1 结晶器液面波动 图 17 不同拉速下结晶器液面平均轮廓及波动 . ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 Fig． 17 Level fluctuation at different casting speeds: ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 结晶器液面的剧烈波动可造成卷渣、气孔等缺陷， 影响铸坯质量． 图 16 为利用粒子图像测速中的电荷 耦合器件相机捕捉到的某一时刻液面轮廓． 图中水平 实线为工作液位( 液面距结晶器上沿的距离) ，在水口 两侧各均匀选取 8 个位置作为液面波动的监测点，如 图中垂直短实线所示，测量每个监测点液面至工作液 位的垂直距离，采用相同的方法测量多个瞬态各监测 点液面至工作液位的距离，对各个监测点的测量值取 平均便可得到监测时间内液面的平均轮廓，每个瞬态 各监测点液位偏离平均轮廓的距离即为其波动值． 本 实验测量了 40 个瞬态，时长 20. 8 s 的 16 个监测点的 液面波动值． 图 16 利用粒子图像测速技术测量液面波动示意图 Fig． 16 Schematic of measuring level fluctuation using PIV 图 17 为不同拉速下监测时间内液面轮廓的平均 值，同时显示监测时间内每个监测点液位的最高值和 最低值，液位在最高值和最低值之间波动． 如图 18 ( a) 所示，拉速为 0. 5 m·min － 1时结晶器内以水口中心 线为中心，水口两侧液面平均轮廓较为对称，两侧窄面 处由于上回流的冲击液面处在较高的位置，在水口两 侧距水口中心线距离为 161 mm 时液面位置最低，且距 水口中心线 161 mm 范围内液面波动较为剧烈; 图 18 ( b) 为拉速 0. 6 m·min － 1时液面平均轮廓及波动，可知 左侧窄面处液位较高，而右侧窄面液位较低，说明左侧 上回流流速强于右侧，且该拉速下每个监测点液面波 动都很剧烈． 2. 3. 2 结晶器液面波动均方根值 采用液面波动的均方根( root-mean-square，ＲMS) 来衡量结晶器内各监测点 i 液面波动的强弱，其计算 公式为 ΔlＲMS = ∑ n i = 1 ( Δli ) 2 槡 n ． ( 5) 每一时刻监测点 i 的液面波动值为其偏离平均液 位的距离，即监测点 i 的液面轮廓瞬时值与平均值的 差值，即 Δli = li － li ． ( 6) 式中，li 为监测点 i 的液面轮廓瞬时值，li 为监测点 i 液面轮廓平均值，n 为监测次数，Δli 为监测点 i 的液面 波动值． 图 18( a) 为拉速 0. 5 m·min － 1 下监测时间内结晶 · 1041 ·
·1402. 工程科学学报，第38卷，第10期 器液面波动均方根，可以发现以水口中心线为中心水 以水口中心线为中心水口两侧液面波动均方根对称性 口两侧液面波动均方根较为对称，两侧窄面液面波动 较差.对比图l8(a)和(b)发现拉速0.6m·min时液 均方根最小，说明波动最小：图18(b)为拉速0.6m· 面波动均方根大于拉速0.5m'min时，说明拉速增大 mi1下监测时间内结晶器液面波动均方根，可以发现 液面波动有加剧的趋势 4.0 4.0 a b 36 3.6 32 2.8 2.0 2.4 2.4 2.0 2.0 1.6 250-200-150-100-50050100150200250 250-200-150-100-50050100150200250 距水口距离mm 距水口距离/mm 图18不同拉速下结晶器液面波动均方根值.(a)0.5mmin:(b)0.6m·mim1 Fig.18 RMS values of level fluctuation at different casting speeds:(a)0.5m"min-;(b)0.6m"min- 1996,27(5):757 4结论 B]Panaras G A,Theodorakakos A,Berggeles G.Numerical investi- (1)基于利用粒子图像测速技术对结晶器内速度 gation of the free surface in a continuous steel casting mold model. Metall Mater Trans B,1998,29 (5):1117 场的测量，分析了拉速0.5m·min和0.6mmin下 4]Shen B Z,Shen H F.Liu B C.Instability of fluid flow and level 结晶器内的典型流态及各流态所占的比例.结果表 fluctuation in continuous thin slab casting mould.IS/J Int,2007, 明：拉速0.5m·min时单辊流占33%，双辊流占 47(3):427 31%,左侧强流占18%，右侧强流占18%：拉速为0.6 [5]Kasai N,Iguchi M.Water-model experiment on melting powder m·min时单辊流占15%，双辊流占10%，左侧强流占 trapping by vortex in the continuous casting mold.IS//Int,2007, 47(7):982 70%,右侧强流占5%. [6]Hibbeler L C,Thomas B G.Investigation of mold flux entrainment (2)基于利用粒子图像测速技术对结晶器内速度 in CC molds due to shear layer instability /A/STech 2010 Steel- 场的测量，分析了拉速0.5mmin和0.6m·min1下 making Conference Proceedings.Warrendale,2010:1 结晶器内流场的对称性，对称性的衡量指标包括：以水 Hibbeler L C,Thomas B G.Mold slag entrainment mechanisms in 口为中心两侧对称点速度随时间的变化、液面水平流 continuous casting molds.Iron Steel Technol,2013,10(10):121 速、水口两侧对称位置液面至结晶器底部垂直方向速 8] Yoshida J,Ohmi T,Iguchi M.Cold model study of the effects of 度和钢液对两侧窄面的冲击深度.结果表明拉速0.5 density difference and blockage factor on mold powder entrain- memt.ISnt,2005,45(8):1160 m·min时的流场对称性更优. [9]Funada T,Joseph DD.Viscous potential flow analysis of Kelvin- (3)基于利用粒子图像测速技术对结晶器内速度 Helmholtz instability in a channel.J Fluid Mech,2001,445:263 场的测量过程中电荷耦合器件相机捕捉的不同时刻液 [10]Thomas B G,Mika L J,Najjar F M.Simulation of fluid flow in- 面轮廓，分析了拉速0.5m·min和0.6m"min1下结 side a continuous slab-casting machine.Metall Trans B,1990, 晶器内液面波动特征.结果表明拉速为0.5m·min 21(2):387 时平均液面轮廓更加对称，而拉速为0.6m·min'时液 01] Sanchez+Perez R,Morales R D,Diaz-Cruz M,et al.A physical model for the two-phase flow in a continuous casting mold.IS/ 面波动更加剧烈 1t,2003,43(5):637 02] Torres-Alonso E,Morales R D,Garcia-Hernandez S,et al.In- 参考文献 fluence of straight nozzles on fluid flow in mold and billet quality. [1]Ramos-Banderas A,Sanchez-Perez R,Demedices-Garcia L,et Metall Mater Trans B,2008,39 (6):840 al.Mathematical simulation and physical modeling of unsteady flu- [13]Chaudhary R,Lee GG,Thomas B G,et al.Transient mold flu- id flows in a water model of a slab mold.Metall Mater Trans B, id flow with well-and mountain-bottom nozzles in continuous cast- 2004,35(3):449 ing of steel.Metall Mater Trans B.2008,39(6):870 Gupta D,Lahiri A K.A water model study of the flow asymmetry 14] Ramos I C,Morales R D.The role of submerged entry nozzle inside a continuous slab casting mold.Metall Mater Trans B, port shape on fluid flow turbulence in a slab mold.Metall Mater
工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 器液面波动均方根，可以发现以水口中心线为中心水 口两侧液面波动均方根较为对称，两侧窄面液面波动 均方根最小，说明波动最小; 图 18( b) 为拉速 0. 6 m· min － 1下监测时间内结晶器液面波动均方根，可以发现 以水口中心线为中心水口两侧液面波动均方根对称性 较差． 对比图 18( a) 和( b) 发现拉速 0. 6 m·min － 1时液 面波动均方根大于拉速 0. 5 m·min － 1时，说明拉速增大 液面波动有加剧的趋势． 图 18 不同拉速下结晶器液面波动均方根值． ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 Fig． 18 ＲMS values of level fluctuation at different casting speeds: ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 4 结论 ( 1) 基于利用粒子图像测速技术对结晶器内速度 场的测量，分析了拉速 0. 5 m·min － 1和 0. 6 m·min － 1下 结晶器内的典型流态及各流态所占的比例． 结果表 明: 拉 速 0. 5 m·min － 1 时 单 辊 流 占 33% ，双 辊 流 占 31% ，左侧强流占 18% ，右侧强流占 18% ; 拉速为 0. 6 m·min － 1时单辊流占 15% ，双辊流占 10% ，左侧强流占 70% ，右侧强流占 5% ． ( 2) 基于利用粒子图像测速技术对结晶器内速度 场的测量，分析了拉速 0. 5 m·min － 1和 0. 6 m·min － 1下 结晶器内流场的对称性，对称性的衡量指标包括: 以水 口为中心两侧对称点速度随时间的变化、液面水平流 速、水口两侧对称位置液面至结晶器底部垂直方向速 度和钢液对两侧窄面的冲击深度． 结果表明拉速 0. 5 m·min － 1时的流场对称性更优． ( 3) 基于利用粒子图像测速技术对结晶器内速度 场的测量过程中电荷耦合器件相机捕捉的不同时刻液 面轮廓，分析了拉速 0. 5 m·min － 1和 0. 6 m·min － 1下结 晶器内液面波动特征． 结果表明拉速为 0. 5 m·min － 1 时平均液面轮廓更加对称，而拉速为 0. 6 m·min － 1时液 面波动更加剧烈． 参 考 文 献 ［1］ Ｒamos-Banderas A，Sánchez-Pérez Ｒ，Demedices-García L，et al． Mathematical simulation and physical modeling of unsteady fluid flows in a water model of a slab mold． Metall Mater Trans B， 2004，35( 3) : 449 ［2］ Gupta D，Lahiri A K． A water model study of the flow asymmetry inside a continuous slab casting mold． Metall Mater Trans B， 1996，27( 5) : 757 ［3］ Panaras G A，Theodorakakos A，Berggeles G． Numerical investigation of the free surface in a continuous steel casting mold model． Metall Mater Trans B，1998，29( 5) : 1117 ［4］ Shen B Z，Shen H F，Liu B C． Instability of fluid flow and level fluctuation in continuous thin slab casting mould． ISIJ Int，2007， 47( 3) : 427 ［5］ Kasai N，Iguchi M． Water-model experiment on melting powder trapping by vortex in the continuous casting mold． ISIJ Int，2007， 47( 7) : 982 ［6］ Hibbeler L C，Thomas B G． Investigation of mold flux entrainment in CC molds due to shear layer instability / / AISTech 2010 Steelmaking Conference Proceedings． Warrendale，2010: 1 ［7］ Hibbeler L C，Thomas B G． Mold slag entrainment mechanisms in continuous casting molds． Iron Steel Technol，2013，10( 10) : 121 ［8］ Yoshida J，Ohmi T，Iguchi M． Cold model study of the effects of density difference and blockage factor on mold powder entrainment． ISIJ Int，2005，45( 8) : 1160 ［9］ Funada T，Joseph D D． Viscous potential flow analysis of Kelvin-- Helmholtz instability in a channel． J Fluid Mech，2001，445: 263 ［10］ Thomas B G，Mika L J，Najjar F M． Simulation of fluid flow inside a continuous slab-casting machine． Metall Trans B，1990， 21( 2) : 387 ［11］ Sanchez-Perez Ｒ，Morales Ｒ D，Díaz-Cruz M，et al． A physical model for the two-phase flow in a continuous casting mold． ISIJ Int，2003，43( 5) : 637 ［12］ Torres-Alonso E，Morales Ｒ D，Garcia-Hernandez S，et al． Influence of straight nozzles on fluid flow in mold and billet quality． Metall Mater Trans B，2008，39( 6) : 840 ［13］ Chaudhary Ｒ，Lee G G，Thomas B G，et al． Transient mold fluid flow with well-and mountain-bottom nozzles in continuous casting of steel． Metall Mater Trans B，2008，39( 6) : 870 ［14］ Ｒamos I C，Morales Ｒ D． The role of submerged entry nozzle port shape on fluid flow turbulence in a slab mold． Metall Mater · 2041 ·
