工程科学学报，第40卷，第6期：697-702,2018年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.6:697-702,June 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.007:http://journals.ustb.edu.cn 浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响 张开天”，刘建华”，崔衡)四，钱学海》，邓深》) 1)北京科技大学工程技术研究院，北京1000832)北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京100083 3)广西柳州钢铁集团有限公司，柳州545002 ☒通信作者，E-mail:cuiheng@usth.cd.cm 摘要以国内某钢厂220mm×1800mm板坯连铸结晶器为原型，根据相似性原理建立相似比为0.6的水模型，利用粒子图 像测速技术(PV)对比不同浸入式水口(SEN)的出口角度、浸入深度及水口底部结构条件下的结晶器内流场流速特征，同时 使用波高仪对液面波动振幅进行实时监测，并结合F数分析各SEN条件对结晶器内钢液流动特征.研究发现，在各浸入式水 口条件下，位于结品器液面1/4宽面处附近出现矢量流速向下的剪切流，同时在水口附近发现不规则漩涡.试验结果表明：浸 入式水口的出口角度、浸入深度的增加能够强化上回旋区缓冲作用，降低结晶器液面表面流速：尽管凹底结构$EN能减弱钢 液湍动能，但其对1/4宽面处剪切流速度的影响不大.另外，液面波动幅度和F数变化规律一致，且当浸入式水口出口角度 15°、20°，浸入深度135mm、145mm条件下波幅与F数最为合理，从而减小或避免液面卷渣，提高连铸坯质量. 关键词结晶器：浸入式水口：钢液流动：液面波动：粒子图像技术 分类号TF777.1 Effect of SEN on fluid flow and surface fluctuation in a continuous casting slab mold ZHANG Kai-tian,LIU Jian-hua,CUl Heng?,QIAN Xue-hai,DENG Shen 1)Institute of Engineering Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Collaborative Innovation Center of Steel Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Guangxi Liuzhou Iron and Steel Group Company Limited,Liuzhou 545002,China Corresponding author,E-mail:cuiheng@ustb.edu.cn ABSTRACT The fluid flow pattern and free surface fluctuation in a mold profoundly influence both molten steel solidification and molten slag thermodynamics behavior in the continuous casting process.In addition,the fluid flow and surface fluctuation behaviors are important factors of inclusions floatation,meniscus hook formation,and shear layer instability that affect the slab quality.In this work, a 0.6-scale water model of slab mold was built according to a 220 mm x 1800 mm actual mold from a Chinese steel plant to investigate the fluid field and free surface fluctuation during the continuous casting process.The characters of fluid flow were studied with particle image velocimetry (PIV)in different submerged entry nozzle (SEN)conditions,including SEN outlet angle,SEN bottom structure, and SEN submerged depth.Simultaneously,the fluctuation behaviors of the mold free surface were monitored using wave-amplitude sensors and analyzed using the F value.The findings show that there are shear flow with tilt down velocity vectors appearing near the one-fourth wide face position of the mold free surface,and some irregular vortexes are detected near the SEN position.In addition,the results show that increasing the SEN outlet angle and submerged depth can expend the up-recirculation flow domain and intensify its buffer action:therefore,the velocity of mold liquid surface decreases.However,changing the SEN bottom structure has negligible effect on fluid flow velocity at the position of one-fourth wide face of the mold free surface,although it can reduce the turbulent kinetic energy of the steel jet.Besides,the variation of surface fluctuate amplitude corresponds to the F value well,and the optimal F,which helps to reduce and avoid the possibility of mold slag entrapment can be obtained in the conditions of SEN outlet angles of 15 and 20 and submerged depths of 135 and 145 mm,respectively 收稿日期：2017-08-14 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51574022)
工程科学学报，第 40 卷，第 6 期: 697--702，2018 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 40，No． 6: 697--702，June 2018 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2018． 06． 007; http: / /journals． ustb． edu． cn 浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响 张开天1) ，刘建华1) ，崔 衡2) ，钱学海3) ，邓 深3) 1) 北京科技大学工程技术研究院，北京 100083 2) 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083 3) 广西柳州钢铁集团有限公司，柳州 545002 通信作者，E-mail: cuiheng@ ustb． edu． cn 摘 要 以国内某钢厂 220 mm × 1800 mm 板坯连铸结晶器为原型，根据相似性原理建立相似比为 0. 6 的水模型，利用粒子图 像测速技术( PIV) 对比不同浸入式水口( SEN) 的出口角度、浸入深度及水口底部结构条件下的结晶器内流场流速特征，同时 使用波高仪对液面波动振幅进行实时监测，并结合 F 数分析各 SEN 条件对结晶器内钢液流动特征． 研究发现，在各浸入式水 口条件下，位于结晶器液面 1 /4 宽面处附近出现矢量流速向下的剪切流，同时在水口附近发现不规则漩涡． 试验结果表明: 浸 入式水口的出口角度、浸入深度的增加能够强化上回旋区缓冲作用，降低结晶器液面表面流速; 尽管凹底结构 SEN 能减弱钢 液湍动能，但其对 1 /4 宽面处剪切流速度的影响不大． 另外，液面波动幅度和 F 数变化规律一致，且当浸入式水口出口角度 15°、20°，浸入深度 135 mm、145 mm 条件下波幅与 F 数最为合理，从而减小或避免液面卷渣，提高连铸坯质量． 关键词 结晶器; 浸入式水口; 钢液流动; 液面波动; 粒子图像技术 分类号 TF777. 1 收稿日期: 2017--08--14 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51574022) Effect of SEN on fluid flow and surface fluctuation in a continuous casting slab mold ZHANG Kai-tian1) ，LIU Jian-hua1) ，CUI Heng2) ，QIAN Xue-hai3) ，DENG Shen3) 1) Institute of Engineering Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Collaborative Innovation Center of Steel Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Guangxi Liuzhou Iron and Steel Group Company Limited，Liuzhou 545002，China Corresponding author，E-mail: cuiheng@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The fluid flow pattern and free surface fluctuation in a mold profoundly influence both molten steel solidification and molten slag thermodynamics behavior in the continuous casting process． In addition，the fluid flow and surface fluctuation behaviors are important factors of inclusions floatation，meniscus hook formation，and shear layer instability that affect the slab quality． In this work， a 0. 6-scale water model of slab mold was built according to a 220 mm × 1800 mm actual mold from a Chinese steel plant to investigate the fluid field and free surface fluctuation during the continuous casting process． The characters of fluid flow were studied with particle image velocimetry ( PIV) in different submerged entry nozzle ( SEN) conditions，including SEN outlet angle，SEN bottom structure， and SEN submerged depth． Simultaneously，the fluctuation behaviors of the mold free surface were monitored using wave-amplitude sensors and analyzed using the F value． The findings show that there are shear flow with tilt down velocity vectors appearing near the one-fourth wide face position of the mold free surface，and some irregular vortexes are detected near the SEN position． In addition，the results show that increasing the SEN outlet angle and submerged depth can expend the up-recirculation flow domain and intensify its buffer action; therefore，the velocity of mold liquid surface decreases． However，changing the SEN bottom structure has negligible effect on fluid flow velocity at the position of one-fourth wide face of the mold free surface，although it can reduce the turbulent kinetic energy of the steel jet． Besides，the variation of surface fluctuate amplitude corresponds to the F value well，and the optimal F，which helps to reduce and avoid the possibility of mold slag entrapment can be obtained in the conditions of SEN outlet angles of 15° and 20° and submerged depths of 135 and 145 mm，respectively．
·698 工程科学学报，第40卷，第6期 KEY WORDS mold;submerged entry nozzle;fluid low;surface fluctuation:particle image velocimetry 铸坯表面缺陷的形成很大程度上与结晶器液面 的水模型液体流动状态均已处在第二自模化区，即 波动密切相关，液面波动程度取决于结晶器内钢水 模型与原型中的R不相等也能保证速度分布相似， 流动模式.连铸结晶器内的钢液流动是一个复杂的 故只要保证弗罗德数F相等即可.图1为结晶器 三维湍流流动，Gupta等O、Najjar等回以及Cal- 水模拟实验装置示意图，包括中间包（水箱）、浸入 deron-Ramos等同对此研究较早，认为浸入式水口 式水口和结晶器等，其中原型SEN水口倾角为向下 (SEN)的内部结构、插入深度以及与结晶器对中情 15°，底部结构为尖底，浸入深度135mm.为了分析 况直接影响结晶内钢流分布，进而影响自由液面波 不同水口倾角、底部结构以及浸入深度对结晶器流 动和液面卷渣.Peixoto等发现SEN附近出现卡 场的影响规律，设计全因素对比试验，如表1所示： 门漩涡，且漩涡数量与强度与SEN的出口数量与出 其中0为某厂现用浸入式水口条件；0、A1、A2和 口结构有关.李宝宽等可和刘中秋等6则认为由 A3的变量为水口倾角；0和S1的变量为底部结构： 于结晶器内湍流分布的不对称，偏流必然产生，同时 0和D1、D2和D3的变量为浸入深度.水模型与原 导致弯月面较强的波动.Gutierrez-Montiel等回、 型具体参数如表2所示 Jeon等o的研究表明当拉速一定时，将进入结晶器 的钢液进行分流，能够充分发挥结晶器上回旋区的 水箱 缓冲作用，获得稳定的弯月面，对减弱自由液面波动 波高仪 的效果明显.但如果液面波动过弱，说明上辊流束 弱，保护渣熔化条件恶化，对结晶器传热和润滑不 利，也会对连铸操作的顺行和铸坯质量产生严重影 响W.Teshima等园提出了液面波动指数(F数)， 并认为当F数在3~5时铸坯表面缺陷率最低.然 浸人式水口 而，F数的计算需获得精确的流速、冲击深度和冲击 角度等参数.任磊等、Lee等使用粒子图像测 速法(particle image velocimetry,PIV)对板坯连铸结 晶器内钢液流动状态进行监测，获得了精确的流速 与流动形态 本文以国内某钢厂板坯连铸结晶器为原型，根 图1水模型试验装置示意图 据相似性原理建立相似比为0.6的水模型，利用 Fig.1 Schematic of physical mold model PIV技术对比不同SEN出口倾角、浸入深度和底部 结构条件下结晶器内的流场流速，同时对液面波动 表1试验用浸入式水口类型 Table 1 Types of SEN for experiments 振幅进行监测，结合F数分析各SEN条件对结晶器 内钢液流动特征，包括射流的冲击深度、冲击角度、 编号 底部结构 水口倾角/()浸入深度/mm 窄面冲击强度、弯月面稳定性、自由液面漩涡等的影 0 尖 15 135 响规律. 尖 10 135 A2 尖 20 135 1试验 A3 尖 25 135 1.1物理模拟试验方法 S1 西 15 135 本试验建立的水模型按照某厂目前的结晶器原 DI 尖 15 125 型，选取几何相似比0.6进行相关试验.根据相似 D2 尖 15 145 原理，对于不可压缩粘性流体的稳定等温流动，应保 D3 15 155 证模型与原型中的雷诺数Re和弗罗德数Fr相等 在本试验中：结晶器内钢液流动的Re=(1.4~ 1.2PIV粒子测速系统及F数计算 2.81)×104>(103~104):水模型中Re=(1.33~ PIV(particle image velocimetry),又称粒子图像 2.67)×10>（103~10),因此实际结晶器和所选 测速法，其原理为在流场中散播示踪粒子，用脉冲激
工程科学学报，第 40 卷，第 6 期 KEY WOＲDS mold; submerged entry nozzle; fluid low; surface fluctuation; particle image velocimetry 铸坯表面缺陷的形成很大程度上与结晶器液面 波动密切相关，液面波动程度取决于结晶器内钢水 流动模式． 连铸结晶器内的钢液流动是一个复杂的 三维 湍 流 流 动，Gupta 等［1］、Najjar 等［2］ 以及 Calderon-Ｒamos 等［3］对此研究较早，认为浸入式水口 ( SEN) 的内部结构、插入深度以及与结晶器对中情 况直接影响结晶内钢流分布，进而影响自由液面波 动和液面卷渣． Peixoto 等［4］发现 SEN 附近出现卡 门漩涡，且漩涡数量与强度与 SEN 的出口数量与出 口结构有关． 李宝宽等［5］和刘中秋等［6--8］则认为由 于结晶器内湍流分布的不对称，偏流必然产生，同时 导致 弯 月 面 较 强 的 波 动． Gutierrez-Montiel 等［9］、 Jeon 等［10］的研究表明当拉速一定时，将进入结晶器 的钢液进行分流，能够充分发挥结晶器上回旋区的 缓冲作用，获得稳定的弯月面，对减弱自由液面波动 的效果明显． 但如果液面波动过弱，说明上辊流束 弱，保护渣熔化条件恶化，对结晶器传热和润滑不 利，也会对连铸操作的顺行和铸坯质量产生严重影 响［11］． Teshima 等［12］提出了液面波动指数( F 数) ， 并认为当 F 数在 3 ～ 5 时铸坯表面缺陷率最低． 然 而，F 数的计算需获得精确的流速、冲击深度和冲击 角度等参数． 任磊等［13］、Lee 等［14］使用粒子图像测 速法( particle image velocimetry，PIV) 对板坯连铸结 晶器内钢液流动状态进行监测，获得了精确的流速 与流动形态． 本文以国内某钢厂板坯连铸结晶器为原型，根 据相似性原理建立相似比为 0. 6 的水模型，利用 PIV 技术对比不同 SEN 出口倾角、浸入深度和底部 结构条件下结晶器内的流场流速，同时对液面波动 振幅进行监测，结合 F 数分析各 SEN 条件对结晶器 内钢液流动特征，包括射流的冲击深度、冲击角度、 窄面冲击强度、弯月面稳定性、自由液面漩涡等的影 响规律． 1 试验 1. 1 物理模拟试验方法 本试验建立的水模型按照某厂目前的结晶器原 型，选取几何相似比 0. 6 进行相关试验． 根据相似 原理，对于不可压缩粘性流体的稳定等温流动，应保 证模型与原型中的雷诺数 Ｒe 和弗罗德数 Fr 相等． 在本试 验 中: 结晶器内钢液流动的 Ｒe = ( 1. 4 ～ 2. 81) × 104 ＞ ( 103 ～ 104 ) ; 水模型中 Ｒe = ( 1. 33 ～ 2. 67) × 104 ＞ ( 103 ～ 104 ) ，因此实际结晶器和所选 的水模型液体流动状态均已处在第二自模化区，即 模型与原型中的 Ｒe 不相等也能保证速度分布相似， 故只要保证弗罗德数 Fr 相等即可． 图 1 为结晶器 水模拟实验装置示意图，包括中间包( 水箱) 、浸入 式水口和结晶器等，其中原型 SEN 水口倾角为向下 15°，底部结构为尖底，浸入深度 135 mm． 为了分析 不同水口倾角、底部结构以及浸入深度对结晶器流 场的影响规律，设计全因素对比试验，如表 1 所示: 其中 O 为某厂现用浸入式水口条件; O、A1、A2 和 A3 的变量为水口倾角; O 和 S1 的变量为底部结构; O 和 D1、D2 和 D3 的变量为浸入深度． 水模型与原 型具体参数如表 2 所示． 图 1 水模型试验装置示意图 Fig． 1 Schematic of physical mold model 表 1 试验用浸入式水口类型 Table 1 Types of SEN for experiments 编号 底部结构 水口倾角/( °) 浸入深度/mm O 尖 15 135 A1 尖 10 135 A2 尖 20 135 A3 尖 25 135 S1 凹 15 135 D1 尖 15 125 D2 尖 15 145 D3 尖 15 155 1. 2 PIV 粒子测速系统及 F 数计算 PIV( particle image velocimetry) ，又称粒子图像 测速法，其原理为在流场中散播示踪粒子，用脉冲激 · 896 ·
张开天等：浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响 ·699· 表2模拟条件 Table 2 Simulation conditions SEN内径/ 通钢量/ 结品器 结品器 结品器 SEN浸入深度/mm SEN出口角度/() mm (m3.h-1) 厚度/mm 宽度/mm 水模型 33.6 7.61 132 1080 子 中 87 93 -10 -15 -20 -25 原型 56.0 27.30 220 1800 125 135 145 155 -10 -15 -20 -25 光片光源照射所测流场区域，通过连续两次或多次 1.3自由液面波动采集 曝光，粒子的图像被记录在底片上或电荷耦合器件 在结晶器水模型窄面附近、1/4宽面处和SEN 相机上，摄取该区域粒子图像的帧序列，并记录相邻 附近放置水电容式波高仪（如图1所示），对结晶器 两帧图像序列之间的时间间隔，进行图像相关分析 不同位置的液面波动特征进行300s不间断采集，分 识别示踪粒子图像的位移，从而得到流体的速度场， 析自由液面波动幅度与周期.该型号波高仪量程为 PIV系统详细参数可参见本课题组已发表的论 200mm,线性误差<1mm,采集频率为100Hz. 文的.本研究采用IV重点对结晶器一侧的弯月 2结果分析与讨论 面附近进行拍照分析处理，记录分析其流场流速特 征并计算F数.F数计算公式如下团： 2.1结晶器内钢液流动形态分析 F0V.(1-sin0) 图2~4为不同SEN条件下得到的结晶器流场 4D (1) 分布.钢液流出SEN(图中al,bl,cl,dl处)冲击 式中：F为液面波动指数，量纲为一p为钢水密度， 到结晶器窄面后分流，上辊流到达弯月面后引起较 kgm-3;Q1为钢水流量，m3·s-1;V为流股冲击结 为明显的波动向水口位置传递：1/4宽面附近（图中 晶器窄面的速度，m·s;0流股对窄面的冲击角 a2,b2,c2,d2处)受上辊流的回旋作用，流线出现 度，°：D为冲击深度，m.本研究中断面尺寸220mm× 明显的下行趋势，此区域的剪切卷渣发生几率较大： 1800mm,在1.15mmin-拉速下流量为0.455m3· 受水口的制动作用，SEN附近此区域流速变缓， s-,钢液密度取p=7000kgm-3,通过PIV图像可 波动减弱，新旧钢液更替程度降低，保护渣熔化条件 以精确记录窄面附近钢液分流点，此点的速度、流线 不佳：受结晶器的偏流影响a,SEN两侧存在压力 的切线与水平线的夹角以及此点与液面的距离分别 差，试验观测到不同出口倾角条件下均发现明显的 表征流股冲击结晶器窄面的速度V。、冲击角度日以 卡门漩涡（图中a3,b3,c3,d3处），具有较高的旋 及冲击深度D. 转速度(0.65ms),但其发生随机性较大，周期不 a 速度(m·g (b) 速度(m·s) 0 2 11.0 b2 63 0.9 0.8 100 0. 01 100 0.7 06 200 . 200 0. 300 0.4 300 0.4 03 400 0 400 0.2 . 0.1 500 500 50 300450600 750 900 0 150300450600750 900 宽面mm 宽面mm 速度(m·s (d) 09 2 3≥ 速度(m·s) 0.8 0.7 100 05 2 4 3 300 . 40 0.1 8 500 500 150300450600 750 900 0 150300450600 750900 宽面/mm 宽面/mm 图2不同出口角度时的结品器钢液流态.(a)10:(b)15°：(c)20°：(d)25。 Fig.2 Mold flow patterns with different SEN angles:(a)10°：(b)15:(c）20°(d)25o
张开天等: 浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响 表 2 模拟条件 Table 2 Simulation conditions 结晶器 SEN 内径/ mm 通钢量/ ( m3 ·h － 1 ) 结晶器 厚度/mm 结晶器 宽度/mm SEN 浸入深度/mm SEN 出口角度/( °) 水模型 33. 6 7. 61 132 1080 75 81 87 93 － 10 － 15 － 20 － 25 原型 56. 0 27. 30 220 1800 125 135 145 155 － 10 － 15 － 20 － 25 光片光源照射所测流场区域，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， PIV 系统详细参数可参见本课题组已发表的论 文［15］． 本研究采用 PIV 重点对结晶器一侧的弯月 面附近进行拍照分析处理，记录分析其流场流速特 征并计算 F 数． F 数计算公式如下［12］: F = ρQL Ve ( 1 － sinθ) 4D ( 1) 图 2 不同出口角度时的结晶器钢液流态 . ( a) 10 °; ( b) 15 °; ( c) 20 °; ( d) 25 ° Fig． 2 Mold flow patterns with different SEN angles: ( a) 10°; ( b) 15°; ( c) 20°; ( d) 25° 式中: F 为液面波动指数，量纲为一; ρ 为钢水密度， kg·m － 3 ; QL 为钢水流量，m3 ·s － 1 ; Ve 为流股冲击结 晶器窄面的速度，m·s － 1 ; θ 流股对窄面的冲击角 度，°; D 为冲击深度，m． 本研究中断面尺寸 220 mm × 1800 mm，在 1. 15 m·min － 1拉速下流量为 0. 455 m3 · s － 1，钢液密度取 ρ = 7000 kg·m － 3，通过 PIV 图像可 以精确记录窄面附近钢液分流点，此点的速度、流线 的切线与水平线的夹角以及此点与液面的距离分别 表征流股冲击结晶器窄面的速度 Ve、冲击角度 θ 以 及冲击深度 D． 1. 3 自由液面波动采集 在结晶器水模型窄面附近、1 /4 宽面处和 SEN 附近放置水电容式波高仪( 如图 1 所示) ，对结晶器 不同位置的液面波动特征进行 300 s 不间断采集，分 析自由液面波动幅度与周期． 该型号波高仪量程为 200 mm，线性误差 ＜ 1 mm，采集频率为 100 Hz． 2 结果分析与讨论 2. 1 结晶器内钢液流动形态分析 图 2 ～ 4 为不同 SEN 条件下得到的结晶器流场 分布． 钢液流出 SEN( 图中 a1，b1，c1，d1 处) 冲击 到结晶器窄面后分流，上辊流到达弯月面后引起较 为明显的波动向水口位置传递; 1 /4 宽面附近( 图中 a2，b2，c2，d2 处) 受上辊流的回旋作用，流线出现 明显的下行趋势，此区域的剪切卷渣发生几率较大; 受水口的制动作用［14］，SEN 附近此区域流速变缓， 波动减弱，新旧钢液更替程度降低，保护渣熔化条件 不佳; 受结晶器的偏流影响［16］，SEN 两侧存在压力 差，试验观测到不同出口倾角条件下均发现明显的 卡门漩涡( 图中 a3，b3，c3，d3 处) ，具有较高的旋 转速度( 0. 65 m·s － 1 ) ，但其发生随机性较大，周期不 · 996 ·
·700 工程科学学报，第40卷，第6期 a 33 速度(m·s(b b2 b3- 速度(m·s) 0.60 0 0.80 100 0.52 100 0.70 不 0.44 0.60 三 20 0.36 200 0.50 0.28 0.40 300 300 0.20 0.30 0.12 400 0.20 0.10 500 0.04 500 150300450600 750 900 0 150300450600750 900 宽面/amm 宽面mm 图3不同底部结构时的结品器钢液流态.(a)凹底：(b)尖底 Fig.3 Mold flow patterns with different SEN bottoms:(a)concave:(b)convex a 速度m·sb) b3速度(m·s 2 0.95 10.80 0.85 0.75 100 0.70 0.65 200 0.55 0.50 0.45 0.40 300 0.30 40 400 0.20 0.15 0.10 500 0.05 150300450600 750 500 900 0 150300450600750900 宽面mm 宽面mm (c) 速度m·s) (d) 速度(m+s) 0.95 0.90 100 0.85 100 0.80 0.75 0.70 200 0.65 200 0.60 0.55 050 300 0.45 300 0.40 2139 0.35 0.30 400 0.25 400 0.20 0.15 0.10 500 0.05 500 0150300450600 750 900 0 150300450600 750 900 宽面mm 宽面mm 图4不同浸入深度时的结品器钢液流态.(a)125mm:(b)135mm:(c)145mm;(d)155mm Fig.4 Mold flow patterns with different SEN submerged depths:(a)125 mm:(b)135 mm:(c)145 mm:(d)155 mm 明显.此外，钢液射流角度略大于SEN出口角度，且 500 浸人深度：135mm 浸入深度：135mm 出口角度：15° 随着后者角度的增大而增大，进而导致冲击点更深， 底部结构：尖底 出口角度：15 底部结构：尖底 450 如图5所示：由260mm(10)增加到448mm(25): 相同条件下，凹底SEN对钢液射流进行缓冲，因此 钢液流线分散，射流角度由22.5°下降至16.8°，冲 350 击深度有所减小：增大SEN浸入深度对钢液射流角 度无明显影响，但冲击深度有所增大，变化幅度与 300 SEN浸入深度变化幅度几乎一致 250 2.2结晶器液面钢液流速分析 图6为不同SEN条件下得到的结晶器液面剪 200 10152025 尖底凹底 125135145155 切速度(1/4宽面附近流线下行处)与弯月面速度. SEN出口角度() SEN底部结构 SEN侵人深度/hmm 受自由液面钢液回流作用，液面剪切速度均大于弯 图5不同浸入式水口条件下的冲击深度 Fig.5 Impact depth with different SENs 月面速度，且随着出口角度的增大，结晶器液面流速 下降：出口角度10°时，钢液射流角度和冲击深度较 15°、20°和25时，钢液射流角度和冲击深度增加，射 小，上回旋区缓冲作用未能完全发挥，导致剪切速度 流未接近窄面便已分流，上回旋区形成并发挥缓冲 与弯月面速度较大，分别为0.458和0.336ms1: 作用，表面流速下降，液面趋于稳定.凹底结构使钢
工程科学学报，第 40 卷，第 6 期 图 3 不同底部结构时的结晶器钢液流态 . ( a) 凹底; ( b) 尖底 Fig． 3 Mold flow patterns with different SEN bottoms: ( a) concave; ( b) convex 图 4 不同浸入深度时的结晶器钢液流态 . ( a) 125 mm; ( b) 135 mm; ( c) 145 mm; ( d) 155 mm Fig． 4 Mold flow patterns with different SEN submerged depths: ( a) 125 mm; ( b) 135 mm; ( c) 145 mm; ( d) 155 mm 明显． 此外，钢液射流角度略大于 SEN 出口角度，且 随着后者角度的增大而增大，进而导致冲击点更深， 如图 5 所示: 由 260 mm( 10°) 增加到 448 mm( 25°) ; 相同条件下，凹底 SEN 对钢液射流进行缓冲，因此 钢液流线分散，射流角度由 22. 5°下降至 16. 8°，冲 击深度有所减小; 增大 SEN 浸入深度对钢液射流角 度无明显影响，但冲击深度有所增大，变化幅度与 SEN 浸入深度变化幅度几乎一致． 2. 2 结晶器液面钢液流速分析 图 6 为不同 SEN 条件下得到的结晶器液面剪 切速度( 1 /4 宽面附近流线下行处) 与弯月面速度． 受自由液面钢液回流作用，液面剪切速度均大于弯 月面速度，且随着出口角度的增大，结晶器液面流速 下降: 出口角度 10°时，钢液射流角度和冲击深度较 小，上回旋区缓冲作用未能完全发挥，导致剪切速度 与弯月面速度较大，分别为 0. 458 和 0. 336 m·s － 1 ; 图 5 不同浸入式水口条件下的冲击深度 Fig． 5 Impact depth with different SENs 15°、20°和 25°时，钢液射流角度和冲击深度增加，射 流未接近窄面便已分流，上回旋区形成并发挥缓冲 作用，表面流速下降，液面趋于稳定． 凹底结构使钢 · 007 ·
张开天等：浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响 ·701· 液射流在SEN内部便受到一定的缓冲作用，因此钢 较小 液较为分散的流出SEN出口，液面剪切速度和弯月 浸人深度：135mm出口角度：15 面速度均有所下降.SEN浸入深度由125增加到 窄面附近一14宽面处一SEN附近 155mm,扩大了上回旋区范围，钢液需经过更长的 尖底 路径到达结品器液面，因此动能损失更多，剪切速度 和弯月面速度下降；同时更大的上辊流回旋半径使 液面流线曲率降低，垂直方向的速度矢量减小，剪切 卷渣机率降低 四底 0.7浸人深度：135m浸人深度：35mm 出口角度：15° Q6底部结构：尖底 出口角度：15° 底部结构：尖底 0102030405060708090100110120 0.5 时间s 。剪切速度 剪切速度 ▲剪切速度 图8不同底部结构时的结品器液面波幅 一4 Fig.8 Mold flow level with different SEN bottoms 03 4 出口角度：15°底部结构：尖底 0.2 弯月面速度。 李月而速度。 0.t 弯月面速度· 10152025 尖底凹底 125135145155 SEN出口角度) SEN底部结构 SEN侵入深度mm 135mm 图6不同浸入式水口条件下的剪切速度和弯月面速度 Fig.6 Shear velocity and meniscus velocity with different SENs 125 mm 2.3液面波动采集与F数的计算 图7~9为不同SEN条件下在结晶器液面的窄 0102030405060708090100110120 面附近、1/4宽面处和SEN附近采集的连续120s内 时间/s 波动幅度.所有试验工况下的液面波动幅度基本在 图9不同浸入深度时的结晶器液面波幅 Fig.9 Mold flow level with different SEN submerged depths ±5mm以内：1/4宽面处位于上回旋区涡心上方附 近，因此液位较高，波动幅度最大；SEN附近波动幅 Teshima等提出F数，来评价结晶器液面波动 度最小.增加SEN出口角度和浸入深度能显著减弱 情况：F数越大，表明流股对窄面冲击动量越大，液 结晶器液面波动幅度，浸入深度为155mm时最小， 面流速和液面波动越大，容易发生卷渣；F数过小， 大约±1.5mm;出口角度20°和浸入深度145mm时 表明结晶器内向上流股分量太弱，保护渣熔化不好， 的液面波动在±3mm左右，最为合理.相比于尖底 夹杂物易被前沿捕捉.研究叨表明对于普碳钢而 SEN,凹底SEN条件下的液面波动有所减小，但效果 言，F数在3~5时，结晶器卷渣最不容易发生，铸坯 浸入深度：135mm底部结构：尖底 及冷轧板的表面缺陷最小.图10为各SEN条件下 一窄面附近一14宽面处一SEN附近 25 的F数值.增大SEN的出口倾角、浸入深度以及将 尖底变为凹底都会降低F数，从而减弱液面波动. 20° SEN出口角度保持在15°、20°，浸入深度135mm、 145mm条件下计算得到的F数在3~5之间，使液 15 面波动处于合理范围内，与液面波动实际监测结果 一致. 10 3结论 0102030405060708090100110120 (1)通过PV技术获得结晶器水模型流场，发 时间/s 图7不同出口角度时的结品器液面波幅 现结晶器液面1/4宽面附近流线出现明显的下行趋 Fig.7 Mold flow level with different SEN angles 势，最大剪切流速达0.458ms1,易发生剪切卷渣；
张开天等: 浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响 液射流在 SEN 内部便受到一定的缓冲作用，因此钢 液较为分散的流出 SEN 出口，液面剪切速度和弯月 面速度均有所下降． SEN 浸入深度由 125 增加到 155 mm，扩大了上回旋区范围，钢液需经过更长的 路径到达结晶器液面，因此动能损失更多，剪切速度 和弯月面速度下降; 同时更大的上辊流回旋半径使 液面流线曲率降低，垂直方向的速度矢量减小，剪切 卷渣机率降低． 图 6 不同浸入式水口条件下的剪切速度和弯月面速度 Fig． 6 Shear velocity and meniscus velocity with different SENs 2. 3 液面波动采集与 F 数的计算 图 7 ～ 9 为不同 SEN 条件下在结晶器液面的窄 图 7 不同出口角度时的结晶器液面波幅 Fig． 7 Mold flow level with different SEN angles 面附近、1 /4 宽面处和 SEN 附近采集的连续 120 s 内 波动幅度． 所有试验工况下的液面波动幅度基本在 ± 5 mm 以内; 1 /4 宽面处位于上回旋区涡心上方附 近，因此液位较高，波动幅度最大; SEN 附近波动幅 度最小． 增加 SEN 出口角度和浸入深度能显著减弱 结晶器液面波动幅度，浸入深度为 155 mm 时最小， 大约 ± 1. 5 mm; 出口角度 20°和浸入深度 145 mm 时 的液面波动在 ± 3 mm 左右，最为合理． 相比于尖底 SEN，凹底 SEN 条件下的液面波动有所减小，但效果 较小． 图 8 不同底部结构时的结晶器液面波幅 Fig． 8 Mold flow level with different SEN bottoms 图 9 不同浸入深度时的结晶器液面波幅 Fig． 9 Mold flow level with different SEN submerged depths Teshima 等提出 F 数，来评价结晶器液面波动 情况: F 数越大，表明流股对窄面冲击动量越大，液 面流速和液面波动越大，容易发生卷渣; F 数过小， 表明结晶器内向上流股分量太弱，保护渣熔化不好， 夹杂物易被前沿捕捉． 研究［17］表明对于普碳钢而 言，F 数在 3 ～ 5 时，结晶器卷渣最不容易发生，铸坯 及冷轧板的表面缺陷最小． 图 10 为各 SEN 条件下 的 F 数值． 增大 SEN 的出口倾角、浸入深度以及将 尖底变为凹底都会降低 F 数，从而减弱液面波动． SEN 出口角度保持在 15°、20°，浸入深度 135 mm、 145 mm 条件下计算得到的 F 数在 3 ～ 5 之间，使液 面波动处于合理范围内，与液面波动实际监测结果 一致． 3 结论 ( 1) 通过 PIV 技术获得结晶器水模型流场，发 现结晶器液面 1 /4 宽面附近流线出现明显的下行趋 势，最大剪切流速达 0. 458 m·s － 1，易发生剪切卷渣; · 107 ·
·702 工程科学学报，第40卷，第6期 浸人深度mm unsteady turbulent flow in thin slab continuous casting mold.Acta 125 135 145 155 Metall Sin,2012,48(1):23 一■一水口角度 (李宝宽，刘中秋，齐风升，等。薄板连铸坯结品器非稳态湍 ·一底部结构 流大涡模拟研究.金属学报，2012,48(1)：23) 10 ·浸人深度 [6]Liu Z Q,Li B K.Experimental studies on asymmetrical flow and 8 vortex slag entrapment in continuous casting mold.J Northeast 尖底 Univ Nat Sei,2017,38(5):666 (刘中秋，李宝宽.连铸结品器内偏流及漩涡卷渣的实验研 究.东北大学学报（自然科学版），2017,38(5)：666) ]Liu Z Q.Li L M,Qi F S,et al.Population balance modeling of 四底 polydispersed bubbly flow in continuous-casting using multiple- sizegroup approach.Metall Mater Trans B.2015,46(1):406 10 15 20 25 [8]Liu ZQ,Li B K,Jiang M F.Transient asymmetric flow and bub- 出水口角度) ble transport inside a slab continuous-casting mold.Metall Mater 图10不同浸入式水口条件下的F数 Trans B,2014,45(2):675 Fig.10 F value with different SENs Gutierrez-Montiel Y S,Morales R D.Control of meniscus stability in medium thickness-straight walls slab mould.IS//Int,2013,53 SEN附近易随机产生漩涡，最大旋转速度为0.65 (2):230 m's-1 [10]Jeon Y J,Sung H J,Lee S.Flow oscillations and meniscus fluc- (2)增大SEN出口角度和浸入深度扩大了上回 tuations in a funnel-type water mold model.Metall Mater Trans 旋区范围，进而降低结品器液面流速与波动幅度：本 B,2010,41(1):121 [11]Cai KK.Quality Control of Continuous Casting Slab.Beijing: 试验中出口角度25°条件下结晶器液面弯月面速度 Metallurgical Industry Press,2010 和剪切速度最小，分别为0.31ms1和0.17ms1: (蔡开科.连铸坯质量控制.北京：治金工业出版社，2010) 凹底SEN也有相似效果，但影响较小. [12]Teshima T,Kubota J,Suzuki M,et al.Influence of casting con (3)液面波动幅度与F数都随着SEN出口角度 ditions on molten steel flow in continuous casting mold at high 和浸入深度的增大而减小，而底部结构对其影响较 speed casting of slabs.Testu-o-Hagane,1993,79(5):576 3] 小；本试验条件下，出口角度15°、20°和浸入深度 Ren L,Zhang L F,Wang Q Q,et al.Study on fluid flow in a continuous casting slab mold using particle image velocimetry. 135mm、145mm时波动幅度为±3mm,F数值在3~ Chin J Eng,2016,38(10):1393 5之间，有利于连铸坯表面质量控制. (任磊，张立峰，王强强，等.基于PV技术的板坯连铸结晶 器内钢水流动行为研究.工程科学学报，2016,38(10)： 参考文献 1393) [Gupta D,Lahiri A K.Water-modeling study of the surface dis- [14]Lee J Y,Kim Y T,Yi K W.Analysis of the origin of periodic os- turbances in continuous slab caster.Metall Mater Trans B,1994, cillatory flow in the continuous casting mold.Met Mater Int, 25(2):227 2015,21(2):295 Najjar F M,Thomas B G,Hershey D E,et al.Numerical study of 05] Cui H,Liu Y,Li D X,et al.PIV measurement of flow field in a steady turbulent flow through bifurcated nozzles in continuous cast- water model of a continuous slab casting mold //The 6th Interna- ing.Metall Mater Trans B,1995,26(4):749 tional Congress on the Science and Technology of Steelmaking. B]Calderon-Ramos I,Morales R D.Influence of turbulent flows in Beijing,2015:633 the nozzle on melt flow within a slab mold and stability of the met- [16]Yoshida J,OhmiT,Iguchi M.Cold model study of the effects of al-flux interface.Metall Mater Trans B,2016,47(3):1866 density difference and blockage factor on mold powder entrain- 4]Peixoto JJ M.Gabriel W V,Ribeiro LQ,et al.Computational memt.SJnt,2005,45(8):1160 and physical simulation of fluid flow inside a beam blank continu- [17]Lu QT,Wang X H,Yu H X,et al.The calculation of F value ous casting mold.J Mater Process Technol,2016,233:89 and its relationship with slag entrapment in a slab continuous [5]Li B K,Liu Z Q,Qi F S,et al.Large eddy simulation for casting mold.J Unie Sci Technol Beijing,2007,29(8):811
工程科学学报，第 40 卷，第 6 期 图 10 不同浸入式水口条件下的 F 数 Fig． 10 F value with different SENs SEN 附近易随机产生漩涡，最大旋转速度为 0. 65 m·s － 1 ． ( 2) 增大 SEN 出口角度和浸入深度扩大了上回 旋区范围，进而降低结晶器液面流速与波动幅度; 本 试验中出口角度 25°条件下结晶器液面弯月面速度 和剪切速度最小，分别为 0. 31 m·s － 1和 0. 17 m·s － 1 ; 凹底 SEN 也有相似效果，但影响较小． ( 3) 液面波动幅度与 F 数都随着 SEN 出口角度 和浸入深度的增大而减小，而底部结构对其影响较 小; 本试验条件下，出口角度 15°、20° 和浸入深度 135 mm、145 mm 时波动幅度为 ± 3 mm，F 数值在 3 ～ 5 之间，有利于连铸坯表面质量控制． 参 考 文 献 ［1］ Gupta D，Lahiri A K． Water-modeling study of the surface disturbances in continuous slab caster． Metall Mater Trans B，1994， 25( 2) : 227 ［2］ Najjar F M，Thomas B G，Hershey D E，et al． Numerical study of steady turbulent flow through bifurcated nozzles in continuous casting． Metall Mater Trans B，1995，26( 4) : 749 ［3］ Calderon-Ｒamos I，Morales Ｒ D． Influence of turbulent flows in the nozzle on melt flow within a slab mold and stability of the metal-flux interface． Metall Mater Trans B，2016，47( 3) : 1866 ［4］ Peixoto J J M，Gabriel W V，Ｒibeiro L Q，et al． Computational and physical simulation of fluid flow inside a beam blank continuous casting mold． J Mater Process Technol，2016，233: 89 ［5］ Li B K，Liu Z Q，Qi F S，et al． Large eddy simulation for unsteady turbulent flow in thin slab continuous casting mold． Acta Metall Sin，2012，48( 1) : 23 ( 李宝宽，刘中秋，齐凤升，等． 薄板连铸坯结晶器非稳态湍 流大涡模拟研究． 金属学报，2012，48( 1) : 23) ［6］ Liu Z Q，Li B K． Experimental studies on asymmetrical flow and vortex slag entrapment in continuous casting mold． J Northeast Univ Nat Sci，2017，38( 5) : 666 ( 刘中秋，李宝宽． 连铸结晶器内偏流及漩涡卷渣的实验研 究． 东北大学学报( 自然科学版) ，2017，38( 5) : 666) ［7］ Liu Z Q，Li L M，Qi F S，et al． Population balance modeling of polydispersed bubbly flow in continuous-casting using multiplesize-group approach． Metall Mater Trans B，2015，46( 1) : 406 ［8］ Liu Z Q，Li B K，Jiang M F． Transient asymmetric flow and bubble transport inside a slab continuous-casting mold． Metall Mater Trans B，2014，45( 2) : 675 ［9］ Gutierrez-Montiel Y S，Morales Ｒ D． Control of meniscus stability in medium thickness-straight walls slab mould． ISIJ Int，2013，53 ( 2) : 230 ［10］ Jeon Y J，Sung H J，Lee S． Flow oscillations and meniscus fluctuations in a funnel-type water mold model． Metall Mater Trans B，2010，41( 1) : 121 ［11］ Cai K K． Quality Control of Continuous Casting Slab． Beijing: Metallurgical Industry Press，2010 ( 蔡开科． 连铸坯质量控制． 北京: 冶金工业出版社，2010) ［12］ Teshima T，Kubota J，Suzuki M，et al． Influence of casting conditions on molten steel flow in continuous casting mold at high speed casting of slabs． Testu-to-Hagane，1993，79( 5) : 576 ［13］ Ｒen L，Zhang L F，Wang Q Q，et al． Study on fluid flow in a continuous casting slab mold using particle image velocimetry． Chin J Eng，2016，38( 10) : 1393 ( 任磊，张立峰，王强强，等． 基于 PIV 技术的板坯连铸结晶 器内钢水流动行为研究． 工程科学学报，2016，38 ( 10 ) : 1393) ［14］ Lee J Y，Kim Y T，Yi K W． Analysis of the origin of periodic oscillatory flow in the continuous casting mold． Met Mater Int， 2015，21( 2) : 295 ［15］ Cui H，Liu Y，Li D X，et al． PIV measurement of flow field in a water model of a continuous slab casting mold / / The 6th International Congress on the Science and Technology of Steelmaking． Beijing，2015: 633 ［16］ 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 ［17］ Lu Q T，Wang X H，Yu H X，et al． The calculation of F value and its relationship with slag entrapment in a slab continuous casting mold． J Univ Sci Technol Beijing，2007，29( 8) : 811 · 207 ·