连铸结晶器液面波动的模拟

D0I:10.13374斤.issnl00103x.1998.B.027 第20卷第3期 北京科技大学学报 Vol.20 No.3 1998年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.1998 连铸结晶器液面波动的模拟* 李冀英” 韩传基” 蔡开科) 杨素波 严学模 1)北京科技大学冶金学院，北京100心832)攀枝花钢铁研究院 摘要基于？相似特征数，通过相似比例为0.6的水模型实验，系统地研究了拉速、浸入深 度.吹气量、水口直径和侧孔倾角对结品器液面波动的影响结果表明：结晶器液面波动是由于气 泡的逸出，流股对液面的直接冲击和驻波综合作用造成的，结晶器液面波随吹气量的增加而增 大，拉速、浸人式水口的浸入深度、直径及侧孔倾角对液面波动的影响具有双重性 关键词连铸：水模型，结品器液面波动 分类号TF777 结晶器液面波动对铸坯质量具有重要的影响，研究表明、当结晶器液面波动为 5~9mm时铸坯质量最好.本文研究采用水模拟研究方法，结合某厂板坯连铸机，系统地 研究了浸人式水口结构参数及拉速、塞棒吹气量和浸入深度对结晶器液面波动的影响，为提 高铸坯质量提供参考， 1试验装置 为了保证模型结晶器内的流场及液面波动同原型结晶器相似，根据相似原理，应保证惯 性力及表面张力相似，因此试验选用Fr-特征数模型，即保证Fr数和e数相等而使Re数 处于同一自模化区.为满足Fr数相等，则： Ii/gLm=/gL。或1=Lm/L (1) 其中，下角标m表示模型，p表示原型 定义 Vm/y。=Lm/L=L 则要满足Fr数相等，应有 片=： (2) 为满足形数相等，则 阮m=ep/=(pp/pm)·(L/L)·(/dp)小 所以要使？m=化。，则 =01p·L) (3) 若要同时满足H?和Fr数相等，应有 L,=0·p, (4) 据20℃水和1600℃钢液的热物性参数可得：L,=(73/1600)2·(1/7.08)-1=0.568, 同时满足He数同F数相等的相似比例应取0.6.此时模型同原型的速度、时间和流量的比分 别为：=L=0.775,1=0.775,2=L·=0279. 试验装置如图1所示，其中结晶器、塞棒、浸入式水口和中间包均由有机玻璃制成，为避 1997-0-15收稿李冀英月，26岁.硕士 国家“九五攻关项日

DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 03. 027

·230· 北京科技大学学报 1998年第3期 免模型结晶器出口对流场的影响，模型结晶 器高度取1200mm.结晶器液面波动数据采 集系统由波高传感器(9,10,11)，SG60水工 试验由数据采集器和计算机组成.采用塞棒 吹N,气.原型结晶器截面尺寸为200m× 900mm 2试验方法 6 2.1试验方案 影响结晶器液面波动的因素是浸入式水 口的结构参数，包括：水口直径、侧孔倾角和 侧孔总面积同水口截面积的比值；工艺操作 10 参数有拉速、浸人深度和塞棒吹气量.各因素 所取的水平如表1所示.选用L,(5)正交试 图1试验装置示意图 验表， 1氧气瓶，2微压传感器，3中间包，4波高传感器 5流量计，6数据采集系统，7计算机，8水泵，9结 晶器，10水槽 表1试验因素及水平表 因 水平 素 w/(m.min) L/mm 吹气量(m3.h)侧孔倾角（°）水口直径mm 面积比 1.0 40 0.0 5 30 1.50 2 1.2 70 0.3 0 35 1.73 3 1.4 100 0.6 -5 40 2.00 4 1.6 130 0.9 -15 45 2.27 5 1.8 160 1.2 -25 50 2.50 2.2结晶器液面波动的测量 用SG60水工试验数据采集系统测定了结晶器内窄面处、1/4处和水口四周3个点的液面 波动，在中间包及结晶器液面稳定5min后采集数据，结晶器液面波动数据处理结果见表2. 对表中的9号测点在采集时间内共有76个波，1/10大波波高就是前8个(76/10)最大波高的 平均值.13大波波高的定义与之相同，而平均波高则是指采集到的所有波的平均波高.由于 结晶器保护渣的卷入主要同大波有关，因此以110大波波高作为衡量结晶器液面波动剧烈 程度的标准.每组试验测量3次，取其平均值做为该组试验的波动值， 表2结晶器液面波动数据处理结果 测点号 最大波高/1/10大波波13大波波平均波高/平均周期/ 1/10大波 1/3大波 波数/个 mm 高/mm 高/mm mm 周期/s 周期/s 9 76 7.0 5.7 4.7 3.2 0.78 2.40 1.45 10 80 8.6 6.6 5.4 3.7 0.92 2.24 1.71 11 104 12.6 1.0 9.0 5.6 0.69 1.20 0.94

Vol.20 No.3 李冀英等：连铸结晶器液面波动的模拟 ·231· 3试验结果及讨论 对试验结果进行方差分析，比较级差可得：在试验所取的水平内，各因素对结晶器内3个 测点液面波动的影响程度并不相同，即吹气量对液面波动的影响程度最大，其次为拉速、水口 直径，侧孔倾角和浸人深度：而侧孔面积同水口截面积的比值的影响不显著. 3.1吹气量和拉速对结晶器液面波动的影响 吹气量对结晶器液面波动的影响如图2所示.从图可见：当不吹气时由于流股对液面的 冲击，靠近窄面处的液面波动要大于结晶器1/4处(10号点)和水口四周的液面波动；而在吹 气状态时，由于气体在浸人式水口内同水进行混合并聚合长大为许多气泡，当这些气泡从水 口喷出并上浮到结晶器液面破裂时，引起结晶器液面的波动，气泡越多、越大则液面波动就越 大；另外，吹气也可改变结晶器内的流场，使流股从侧孔喷出后向上偏转从而增加了流股对液 面的冲击.因此，结晶器液面波动随吹气量的增加而急剧增大，并且在吹气时由于水口内形成 的大气泡要在水口的四周浮出，由于水口到结晶器窄面气泡逐渐减少，从而使水口四周液面 波动要大于14处和窄面处的液面波动， 拉速对液面波动的影响如图3所示.当拉速小于1.4m/min时，随拉速的增加结晶器液面 波动减小，当拉速大于1.4/min以后液面波动随拉速的增加而增大.造成这种现象的原因同 结晶器液面上驻波的形成及气体在结晶器内的2种流态有关.当拉速较低时，从侧孔喷出流 股的速度较小从而造成结晶器内流态不稳定，出现循环的不对称流态，相应的在结 晶器液面上也形成了驻波，造成液面波动在拉速较低反而较大；当拉速大于 14m/in,流股的出口速度较大，在结晶器内形成了稳定的四旋涡式流场，在结晶器液面上 没有驻波形成，这时的液面波动是由于流股的冲击和气泡造成的，所以随拉速的增加液面波 动加大.另外，拉速对结晶器液面波动的影响还同气体在结晶器内的流态有关.气体在结晶器 内可分为气液分离和气液不分离2种流态，2种流态的转换同流股的速度有关.当拉速小于 1.4m时，气体呈现气液分离流态，气泡集中在水口壁处浮出，造成整个水口壁处液面波动 较大；而当拉速大于1.4min以后，气液为不分离状态，气泡在整个结晶器液面较均匀浮出， 对整个液面波动影响较小，因此，大于I.4m/min的液面波动要小于拉速较小时的波动. ·窄面处液面波动 ·窄面处液面波动 20.1/4处液面波动 。1/4处液面波动 0水口壁处液面波动 0水口壁处液面波动 6 坦 12 鼍 柔 0.0 0.30.60.91.2 1.0 1.21.41.61.8 吹气量/(m.h) /(m.min) 图2吹气量对结晶器液面波动的影响 图3拉速对结晶器液面波动的影响 :32浸入深度对结晶器液面波动的影响 浸入深度对结晶器液面波动的影响如图4所示.当浸入深度由40mm增大到100mm(弯

·232· 北京科技大学学报 1998年第3期 月面为70mm)时，结晶器液面波动随浸人深度的增加而减小，但当浸人深度再由100增大到 160mn时液面波动反而随浸人深度的增加而增大.该现象同文献[4]中的结论一致.可认为 这是由于流股对结晶器液面的冲击和驻波的综合作用造成的.当浸入深度较小时，结晶器上 部的2个旋涡消失，流股从侧孔喷出后，有部分流体直接到达液面，对液面冲击大使结晶器液 面波动较大，然后沿液面向窄面流动，到达窄面后沿窄面向下流动，从而只形成了结晶器下部 的2个大的旋涡.当浸入深度增大到70~100m后，结晶器内形成了稳定的四旋涡式流场， 流股不对结晶器液面直接冲击并且驻波没有出现，所以此时液面波动最小；当浸人深度进一 步增加，由于同窄面碰撞后的向上流股到达结晶器液面的距离大，使液面的能量低，结品器液 面上出现了驻波，造成液面波动增大.因此浸人深度应有一个最佳范围， 3.3侧孔倾角和水口直径对结晶器液面波动影响 侧孔倾角对结晶器液面波动的影响如图5所示.从图可见，侧孔倾角对结晶器液面波动 的影响也有一个最佳范围，当侧孔倾角从+5°变化到-5°时结晶器液面波动逐渐减小，而 当侧孔倾角由一5°变化到-25°时结晶器液面波动反而增大.导致这种现象的原因也是由 于流股对液面冲击和驻波的综合作用.当侧孔倾角向上时，流股从侧孔喷出后会直接冲击液 面，从而造成液面波动较大；而随侧孔倾角向下变化流股也向下倾斜，当侧孔倾角为 一5°时，结晶器内形成了稳定的四旋涡式流场，并且没有循环流态的出现，也没有液面驻波， 液面波动最小.当侧孔倾角再向下变化流股也继续向下倾斜，结晶器内的循环速度减小，液 面能量降低，在整个液面上形成了驻波，从而使结晶器液面波动增大，从图可见当侧孔倾角为 -5°~-15°时整个液面的波动较小， 14。窄而处液面被动 ·窄面处液面波动 ·1/4处液面被动 12.1/4处液面波动 12上。水口壁处液面波动 ·水口壁处液面波动 10 10 60 90120150 -5-10-15-20-25 浸入深度/mm 侧孔倾角/（°） 图4浸入深度对结晶器液面波动的影响 图5侧孔倾角对结晶器液面波动的影响 水口直径对结晶器液面波动的影响（如图6所 ·窄面处液面波动 示).由图可看到结晶器液面波动随水口直径的增 。1/4处液面波动 大而减小，在本实验中浸入式水口总是达到气液充 0水口壁处液面波动 满状态，气液为泡沫流，水口直径增大则流股的出 10 口速度减小，对液面的冲刷也减小，造成结晶器液 面波动减小.但在生产中如果使用的水口直径较 大，则水口壁同结晶器宽面间的距离变小，流股从 侧孔喷出后会冲刷宽面的初生坯壳，因此水口直径 30 3540 45 50 选取应同时考虑流量和结晶器宽面间的距离， 水口直径/mm 图6水口直径对结晶器液面波动的影响

Vol.20 No.3 李冀英等：连铸结晶器液面波动的模拟 ·233 4 结论 (1)在吹气的情况下，结晶器水口四周的液面波动最大，其后是结晶器1/4处，弯月面处的 液面波动最小， (2)结晶器液面波动随吹气量的增加而增大，而拉速、浸人深度、水口直径和侧孔倾角对 结晶器液面波动的影响都具有两重性.因此在生产上为控制结晶器液面波动，在浸入式水口 和拉速一定的条件下要注意浸人深度和吹气量的优化配合， (3)结晶器液面波动中存在驻波.液面波动是由流股对液面的冲击、气泡和驻波的综合作 用所致 参考文献 1 Kubota Jun.Okimoto K.Suzuki M.Mechanism of Level Fluctuation and Mold Powder Catching.In: Proceeding of Sixth International Iron and Steel Congress.Nagoya:The Iron and Steel Institute of Janan.1990.356 2 Teshima T.Osame M.Okimoto K.Nimura Y.Improvement of Surface Property of Steel at High Casting Speed.In:Steelmaking Conference Proceeding.1988.111 3 Gupta D.Lahiri A K.A Water Model Study of the Flow Asymmetry Inside a Continuous Slab Cast- ing Mold.Meatallurgical and Materials Transactions,1996.27(10):757 4 Honeyands T,Lucas J.Rliminary Modelling of Steel Delivery to Thin Slab Caster Moulds.In:Steel- making Conference Proceeding.1992.451 Water Model Study of Level Flunction in Continuous Casting Mold Li Jiving Han Chuanji Cui Kaike Yang Subo Yan Xuemo 1)Metallurgy School.UST Beijing.Beijing 100083,China 2)Iron and Steel Reasearch Institute of Panzhihua ABSTRACT Using 0.6-scale water modelling based on Fr-We number similitude criteria, the influences of the submerged entry nozzle configuration and operating practices on the level fluctuation in the mold which caused surface defects and mold power catching, were studied.It was found that the level flunction was resulted from gas injection,impact. ing of the stream and standing wave.The level turblence raises with the incresing of the gas injection.however the casting rate,immersion depth and jet angel of SEN have a dual influenc on the level fluctuation. KEY WORD continuous casting;water model;level fluctuation