连铸结晶器内钢液弯月面区域速度场的测定.pdf_大学文库

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1997.06.001 第19卷第6期北京科技大学学报 Vol.19 No.6 1997年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1997 连铸结晶器内钢液弯月面区域速度场的测定* 吴洁)赵沛”成国光)王林英)贾光霖》张国志2)高允彦》 1)北京科技大学冶金学院，北京1000832)东北大学，沈阳110006 摘要在自行设计的可以实现振动、水冷及拉坯的连铸模拟装置上，分别用低熔点PbSn-Bi合金和硅油模拟钢液和保护渣，对连铸结晶器内弯月面区域液态金属的速度场进行了实验研究.研究结果表明：在结晶器的正滑脱期内，弯月面处的液态金属向靠近结晶器壁的方向运动；在负滑脱期内，其运动方向相反，拉速提高时，正滑脱期内弯月面区域液态金属的速度减小，而负滑脱期内弯月面区域液态金属的速度增大.电磁场对弯月面区域液态金属的运动速度有所抑制，关键词连铸，弯月面，速度场，模拟，结晶器中图分类号TF777 目前，国际上尤其是日本等国对弯月面的行为已进行了相关的研究并取得了一些研究成果~1.它们主要进行数学模型分析，而实验室研究，尚处于观察、测量形状及检验表面质量的阶段，特别是有关在弯月面区域进行系统的温度场、速度场、应力场的实验研究还很少见到报道.为此，北京科技大学与东北大学合作，设计、制造了一套实现了结晶器振动、水冷和拉坯的连铸模拟装置.在此装置上，用低熔点的Pb-S-Bi合金模拟钢液，用硅油模拟保护渣，对结晶器内弯月面区域的速度场进行了测定. 1实验熔体的选择与装置实验选用低熔点的Pb-S-Bi合金（牛顿低熔点合金）模拟钢液，用500号硅油模拟保护渣.表1为所用合金与钢液的相似关系.在实验过程中，自行设计一套实现了结晶器振动、水冷及拉坯的连铸模拟装置.本套装置主要由结晶器、振动系统、拉坯系统，浇注系统和工作台等部分组成，示意图如图1所示. 表1Pb-Sn-Bi合金与钢液的相似关系参数原型模型断面尺寸/mm 150×750 30×150 当量直径/mm 250 50 密度/(gcm3) 7.2 9.365 表面张力(Ncm) 0.016 0.0042 图1实验装置示意图韦伯数阳 1.132 1.061 1拉坯系统，2浇注系统，3结晶器注：一拉速 4振动系统，5电机，6工作台，7电机 1997-09-17收稿第一作者女24岁助教硕士 ◆国家自然科学基金资助项目

第 1 9卷 1 9 9 7年第6期 12月北京科技大学学报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f 灰 i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ji in g V o l . 1 9 N o . 6 I k e 。 1 9 9 7 祖连铸结晶器内钢液弯月面区域速度场的测定 * 吴洁 ’ ) 赵沛 ` ) 成国光 l) 王林英 ’ ) 贾光霖2) 张国志 2) 高允彦 “ ) l )北京科技大学冶金学院 , 北京 10 0 0 8 3 2 ) 东北大学 , 沈阳 1 10 0 0 6 摘要在自行设计的可以实现振动、水冷及拉坯的连铸模拟装置上 , 分别用低熔点 P卜S n 一 iB 合金和硅油模拟钢液和保护渣 , 对连铸结晶器内弯月面区域液态金属的速度场进行了实验研究 . 研究结果表明 : 在结晶器的正滑脱期内 , 弯月面处的液态金属向靠近结晶器壁的方向运动; 在负滑脱期内 , 其运动方向相反 . 拉速提高时 , 正滑脱期内弯月面区域液态金属的速度减小 , 而负滑脱期内弯月面区域液态金属的速度增大 . 电磁场对弯月面区域液态金属的运动速度有所抑制 . 关键词连铸 , 弯月面 , 速度场 , 模拟 , 结晶器中图分类号 T 7F 7 目前 , 国际上尤其是日本等国对弯月面的行为已进行了相关的研究并取得了一些研究成果 l[ 一 61 . 它们主要进行数学模型分析 , 而实验室研究 , 尚处于观察、测量形状及检验表面质量的阶段 , 特别是有关在弯月面区域进行系统的温度场、速度场、应力场的实验研究还很少见到报道 . 为此 , 北京科技大学与东北大学合作 , 设计、制造了一套实现了结晶器振动、水冷和拉坯的连铸模拟装置 . 在此装置上 , 用低熔点的 P卜S n 一 iB 合金模拟钢液 , 用硅油模拟保护渣 , 对结晶器内弯月面区域的速度场进行了测定 . 1 实验熔体的选择与装置实验选用低熔点的 P卜 S n 一 iB 合金 ( 牛顿低熔点合金 )模拟钢液 , 用 5 0 号硅油模拟保护渣 . 表 1 为所用合金与钢液的相似关系 . 在实验过程中 , 自行设计一套实现了结晶器振动、水冷及拉坯的连铸模拟装置 . 本套装置主要由结晶器、振动系统、拉坯系统、浇注系统和工作台等部分组成 , 示意图如图 1 所示 . 表 I bP 一 S n 一 iB 合金与钢液的相似关系参数原型模型断面尺寸 / m m 1 5 0 x 7 5 0 30 K 1 5 0 当量直径 / m m 2 5 0 5 0 密度 / ( g · e m 一 3 ) 7 . 2 9 . 36 5 表面张力 /(N · e -m , ) o , 0 16 0 . 0 0 4 2 韦{白数附 l . 13 v Z 一0 6 、 ,J 注 : ; 一拉速八 - 一件上 …止/ 口斗 }} . ” ’ : / 二图 1 实验装置示意图 1拉坯系统 , 2浇注系统 , 3结晶器 4振动系统 , 5 电机 , 6工作台 , 7电机 19 9 7 一 0 9 一 17 收稿第一作者女 2 4 岁助教硕士 * 国家自然科学基金资助项目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 06. 001

· 52 6 · 北京科技大学学报 19 9 7年第 6期实验过程中 , 采用东北大学研制的二维速度传感器对结晶器内液态金属弯月面区域的速度场进行测量 . 有关测定原理在文献【7] 中有详细报道 . 2 实验结果及讨论 2 . 1 正、负滑脱期内弯月面区域速度场的测定图 2 表示结晶器在正、负滑脱期内弯月面区域液态金属的速度场 . 从图中可以发现 , 正、负滑脱期弯月面处液态金属的运动状态有一定的规律 : 在正滑脱期 , 弯月面处的液态金属向结阮/ \ \ l \ \ 负滑脱期、、一、、 -50 -l5 、、认 r L |以口 r 一 -l 晶器壁运动 ; 在负滑脱期 , 弯月面处的液态金属向离开结晶器壁的方向运动 . 由结晶器振动正、负滑脱的定义可知 , 正滑脱时 , ( Vm 一 K ) > o ( V m 为结晶器的振动速度 , v 。为拉速 , 速度值取拉坯方向为负 , 下文相同 ) ; 负滑脱时 , ( Vm 一 K ) < 0 . 因此 , 弯月面处的液体金属在正滑脱期内有向上的运动趋势 , 而在负滑脱期内有向下的运动趋势 . 正滑脱期 0 1 0 30 5 0 7 5 距结晶器壁的距离 / m m 0 10 3 0 5 0 7 5 距结晶器壁的距离/ ~ 图 2 正、负滑脱期弯月面区域液态金属的运动规律 .2 2 拉速对弯月面区域速度场的影响图 3 ( a) 和 ( b) 分别表示了不同拉速下弯月面区域液态金属的速度场 . 从图中可以发现 : 拉日 } ` 尽。仁/ , 、 _ 被 } 墨一 5卜、 , 、阿 } , 护霆一 1 5 { { / / 1 招 l 留】正滑脱期三 } t a) 已 } 瘫。「产、咨留 _ } 足一勺 }一、、旧 l 裸 } 咚一巧卜/ 一 / 、州 } 圈 } , . 。、 , l 夕谧 1日夕p ` , , 1 鑫叫健圈名阿嫂嘿留、 b) 0 1 0 3 0 5 0 7 5 距结晶器壁的距离 / m m 0 1 0 3 0 5 0 7 5 距结晶器壁的距离 / m n ) / 廿, 期脱 , 滑卜, 卜队 l -l5 -55尸褪裂密阿崔噢胡、圈日 0 10 30 5 0 7 5 0 10 3 0 5 0 7 5 距结晶器壁的距离 / m m 距结晶器壁的距离 / ~ 图 3 拉速对弯月面区域液态金属速度场的影响 a( ),J 、拉速下弯月面区域液态金属的速度场 , , , 二 .0 38 m /而 n 伪)大拉速下弯月面区域液态金属的速度场 , v Z一 o . 53 m / m in

Vol.19 No.6 吴洁等：连铸结晶器内钢液弯月面区域速度场的测定 ·527· 速增大时，正滑脱期内弯月面区域液态金属的运动速度减小，而负滑脱期内弯月面区域液态金属的运动速度增大关于上述现象，可以用公式(1)进行解释.结晶器振动时，结晶器壁与液态金属之间的摩擦力F为剧 F=7y。-0A d (1) 式中：Vm为结晶器振动速度；。为拉速；n为粘度；A为结晶器/铸坯间的接触面积；d为液渣层的厚度由(1)式可知正滑脱期，弯月面处液态金属所受的摩擦力F,的方向向下（为正值），是由于拉速提高（只值减小）时，F,值增大，即向下的摩擦力增大，导致弯月面处液态金属向上的运动速度减小；负滑脱期，F的方向向上（为负值），拉速提高(V值减小)时，F,值增大，即向上的摩擦力减小，导致弯月面处液态金属向上的运动速度增大， 2.3电磁场对弯月面区域速度场的影响图4()和(b)分别表示了有、无电磁场时弯月面区域液态金属的速度场.从图中可以发现：在弯月面区域加上电磁场后，弯月面区域液态金属的运动速度有所减弱.这是因为液态金属运动时切割磁力线产生了与运动方向相反的力，从而抑制了运动速度， -15 -15·· 金应 010305075 010305075 距结晶器壁的距离/mm 距结晶器壁的距离/mm 图4电磁场对弯月面区域液态金属速度场的影响 (a)无电磁场；(b)有电磁场 2,4结晶器振幅对弯月面区域速度场的影响图5()和(b)分别表示了结晶器振幅不同时弯月面区域液态金属的速度场.从图中可以发现：结晶器振幅减小时，弯月面区域液态金属的运动速度也随之诚小. 2.5结晶器振频对弯月面区域速度场的影响图6()，(b),(c)分别表示了结晶器振频不同时弯月面区域液态金属的速度场.从图中可以发现：结晶器振频的变化对弯月面区域液态金属的速度场影响不大，关于弯月面区域速度场的数学模型计算文献中有少量报道，但没有结合结晶器振动的正、负滑脱期进行计算，拉速、电磁场等因素对弯月面区域速度场的影响也没见报道.弯月面区域速度场的数学模型来验证测量结果将继续研究

V o l . 1 9 N O . 6 吴洁等 : 连铸结晶器内钢液弯月面区域速度场的测定 . 5 2 7 . 速增大时 , 正滑脱期内弯月面区域液态金属的运动速度减小 , 而负滑脱期内弯月面区域液态金属的运动速度增大 . 关于上述现象 , 可以用公式 ( l) 进行解释 . 结晶器振动时 , 结晶器壁与液态金属之间的摩擦力 F , 为 [ , ] 粉( Vm 一 K) A = d ( l ) 式中 : Vm 为结晶器振动速度 ; K 为拉速 ; , 为粘度 ; A 为结晶器 /铸坯间的接触面积 ; d 为液渣层的厚度 . 由 l() 式可知正滑脱期 , 弯月面处液态金属所受的摩擦力 F , 的方向向下 (为正值 ) , 是由于拉速提高 ( K 值减小 ) 时 , F , 值增大 , 即向下的摩擦力增大 , 导致弯月面处液态金属向上的运动速度减小 ; 负滑脱期 , 汽的方向向上 (为负值 ) , 拉速提高 ( Vc 值减小 ) 时 , 汽值增大 , 即向上的摩擦力减小 , 导致弯月面处液态金属向上的运动速度增大 . .2 3 电磁场对弯月面区域速度场的影响图 4 (a) 和 (b) 分别表示了有、无电磁场时弯月面区域液态金属的速度场 . 从图中可以发现 : 在弯月面区域加上电磁场后 , 弯月面区域液态金属的运动速度有所减弱 . 这是因为液态金属运动时切割磁力线产生了与运动方向相反的力 , 从而抑制了运动速度 . (钧 I ! 山一 7 -一一刁 - · ` 、 · ! I i 八O“n ō、 ù ù、 ù 刁一日口ó : 健宕圈阿崔咚叫留、 8 健。盯卜、一 … 一 , 一一一卜留 } 一、 1 1 名 _ 、卜 I 一二护, { 阿一 } { 疑 } ! 噢 , , L . _ . 、 ! 叫一 ’ 。 } l 遥 } l 咬) I U 3 U j o 7 5 0 10 30 5 0 7 5 距结晶器壁的距离 / m m 距结晶器壁的距离 / m m 图 4 电磁场对弯月面区域液态金属速度场的影响 a( )无电磁场 ; (b )有电磁场 .2 4 结晶器振幅对弯月面区域速度场的影响图 5 ( a) 和 (b) 分别表示了结晶器振幅不同时弯月面区域液态金属的速度场 . 从图中可以发现 : 结晶器振幅减小时 , 弯月面区域液态金属的运动速度也随之减小 . .2 5 结晶器振频对弯月面区域速度场的影响图 6 ( a) , ( b) , (c) 分别表示了结晶器振频不同时弯月面区域液态金属的速度场 . 从图中可以发现 : 结晶器振频的变化对弯月面区域液态金属的速度场影响不大 . 关于弯月面区域速度场的数学模型计算文献中有少量报道 , 但没有结合结晶器振动的正、负滑脱期进行计算 , 拉速、电磁场等因素对弯月面区域速度场的影响也没见报道 . 弯月面区域速度场的数学模型来验证测量结果将继续研究

Vol.19 No.6 吴洁等：连铸结晶器内钢液弯月面区域速度场的测定 ·529· (2)提高拉速，使得正滑脱期内弯月面区域液态金属的速度减小，而负滑脱期内弯月面区域液态金属的速度增大， (3)电磁场对弯月面区域液态金属的运动速度有所抑制. (4)结晶器采用小振幅可以降低弯月面区域液态金属的运动速度，参考文献 1 Rov S S,Cramb A W,Hoburg J E.Mathematical Modeling of Meniscus Shapes of Liquid Steel in An Electromagnetic Field.ISS Transactions,1995,16(1):65 2 Hong Sha.Dynamic Behavior of a Liquid/Liquid Interface at an Oscillating Wall.Metallurgical and Materials Transactions B,1996,27B:305 3 Tingju Li,Shinji Nagaya.Study of Meniscus Behavior and Surface Properties during Casting in a High-Frequency Magnetic Field.Metallurgical and Materials Transactions,1995,26B:353 4 Tingji Li.Improvement of Surface Quality of Continuous Cast Metal by Imposing an Intermittent High Frequency Magnetic Field from the Outsider of a Mold.In:The First Intemational Congress on Science Technology of Steelmaking ICS'96,China-Japan.1996 5 Beitelman L,Mulcahy J A.Flow Control in the Meniscus of Continuous Casting Mold with An Auxiliary A C Magnetic Field.In:Intemational Symposium on Electromagnetic Processing of Materials.Nagoya:ISIJ, 1994 6李廷举.间欠型高周波磁场②印加扫上心毛一儿下才之L一之ョ之上刀同期印加仁上力连铸片表面性状の改善.铁上钢，1996,82(3)：21 7贾光霖.液体金属运动二维测速装置.中国专利，91222597.1991-01-11 8 Pinheiro CA.Mold Flux for Continuous Casting of Steel.I&SM.1995(10):54 Measurement of Velocity Field in Meniscus Zone in Mold of Continuous Caster Wu Jie)Zhao Pei)Cheng Guoguang Wang Linving Jia Guanglin Zhang Guozhi Gao Yunyan 1)Metallurgy School.UST Beijing,Beijing 100083.China 2)North East University.Shenyang 110006 ABSTRACT Velocity field in meniscus zone in mold is studied on the c.c.simulator.Low melting point Pb-Sn-Bi alloy and silicon oil are adopted as simulators of molten steel and slag, respectively.It is shown that the liquid metal in meniscus zone flows toward the mold wall during the positive-strip period and flows away from the mold wall during the negative-strip period.It is also found that the flow velocity at meniscus increases during the positive-strip period and decreases during the negative-strip period at higher casting speed. KEY WORDS continuous casting,meniscus,velocity field,simulation,mold

v fo . 19 No .6 昊洁等 :连铸结晶器内钢液弯月面区域速度场的测定 . 5 29 . ( 2) 提高拉速 , 使得正滑脱期内弯月面区域液态金属的速度减小 , 而负滑脱期内弯月面区域液态金属的速度增大 . (3 ) 电磁场对弯月面区域液态金属的运动速度有所抑制 . (4 ) 结晶器采用小振幅可以降低弯月面区域液态金属的运动速度 . 参考文献 1 oR v S S , C amr b A W , oH b u r g J E . M a hte m a it e al M de e li n g o f M e n i s e us S h a pe s o f iL q正 d s te e l i n A n lE e c otr m ag n e it e R e l d . 15 5 T arn s ac it o n s , 19 9 5 , 1 6 ( l ) : 6 5 2 oH n g s h a . 切 n am i c B e h a v i o r o f a iL q山 d/ L i q山d I n et far e e a t an Os e i l liat n g W al l . M e at l 1 u r g 1 e al an d M a t e ir al s T ar n s ac it o n s B , 1 9 9 6 , 2 7 B : 3 05 3 T i n gj u iL , Sih nj i N a g ay a . S tu dy o f M e n i s c us B e h a v i o r a n d S u 成址 e P r o pe irt e s d u ir n g C as it n g i n a 任g h 一 f ’re q u e cn y M a g ne it e R e l d . M e at l l u gr i c al an d M a te ir a l s T ar n s即 it o n s , 19 9 5 , 2 6B : 3 5 3 4 iT gnj i L i . Im Por v e m e n t o f s u d油e e QalU i ty o f C o n it n u o u s C a s t M e atl b y mI op s i n g an I n te rml te n t 托g h f 、℃ q ue n e y M a g ne it c R e ld ofr m ht e o u ts i d e r o f a M o ld . I n : 们l e R rs t I n te m iat o n al C o n g re s s o n S c i e cn e & eT e hn o l o g y o f S te e l m 巍 n g IC S , 9 6 , C hi n a 一 J a Pa ll . 1 9 q 6 5 B e i et l m an L , M u l e ha y J A . lF o w C o n otr l i n ht e M e in s c us o f oC n it n uo us C a s it n g M o 1d w i ht nA A ux il i a yr A C M a g ne it e R e l d . nI : nI et m a it o n al S y m po s ium o n E l e e otr m ag n e it e P r oc e s s i ng o f M a t e ir al s . N 白g o y a : 15 1 , 1 9 94 6 李廷举 . 间欠型高周波磁场。印加打止梦毛一沙「才 , 卜一乡日夕七刃同期印加忆止而连铸片表面性状。改善 . 铁七钢 , 1 9 9 6 , 8 2 ( 3 ) : 2 1 7 贾光霖 . 液体金属运动二维测速装置 . 中国专利 , 9 1 2 2 2 5 97 . 19 91 一 1一 1 8 巧 n 卜e lor C A . M o 1d lF ux fo r C o n it n u o us C as it n g o f S et e l . I& S M , 19 9 5 ( 1 0 ) : 5 4 . M e a s u r e m e n t o f V e l o e ity F i e l d i n M e n i s e u s Z o n e i n M o l d o f C o n t i n u o u s C a s t e r 肠油 1) 及 a o 丹 1 1 ) 。 e n g ` u o g u a n g l ) 肠 n g 刀脚in g l ) iJ a G u a n g lin Z ) 及 a n g G u o 动 1 2 ) G a o 撇柳 a n Z ) l ) M e at l l u r g y S e h o o l , t J S T B e ij i n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C h i n a Z )No hrt 肠 s t U n i v e sr , yt , S h e n y a n g 11 00 0 6 A B ST R A C T V e l oc ity if e l d i n m e n i s e u s z o n e i n m o l d 1 5 s tu d i e d o n t h e e . e . s im u l a to r . L o w m e lit n g po i n t P-b S n 一 B i a ll o y a n d s i li e o n 0 11 a re a d o P te d a s s im u l a to rs o f m o lte n s te e l a n d s l a g , er s pe e it v e l y . I t 1 5 s h o w n ht a t ht e li q 证d m e at l i n m e n i s c u s z o n e fl o w s t o w a dr ht e m o ld w a ll d u ir n g het po s iit v e 一 s itr P pe ir do a n d fl o w s aw ay for m ht e m o ld w al l d u ir n g ht e n e g a it v e 一 s itr P pe ir o d . l t i s al s o fo u n d ht a t ht e fl o w v e l co i yt a t m e n i s e u s i n e er as e s d u ir n g t h e P o s iit v e 一 s tir P pe ir o d a n d de e er as e s d u ir n g ht e n e g a it v e 一 s itr P pe ir o d a t hi g h e r c a s it n g s pe e d . K E Y W O R D S e o n it n u o u s c as it n g , m e n i s c u s , v e l co i yt fl e ld , s im u l a t i o n , m o l d