CSP结晶器内钢液面动态失稳现象的水模型实验

D01:10.13374.isml00103x.2009.2.010 第31卷第2期 北京科技大学学报 Vol.31 No.2 2009年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Fb.2009 CSP结晶器内钢液面动态失稳现象的水模型实验 王现辉王新华 张焖明景财痕 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要利用11的水力学模型对双侧孔水口下CSP结晶器内部流场流动进行了瞬态研究.结果表明.液面波动具有明显的 周期性加剧现象.称之为“液面动态失稳”.讨论了不同工艺参数下液面动态失稳的规律，用示踪实验法研究了流场内部的流 动特征，分析了“液面动态失稳”与内部流场运动关系.液面的动态失稳现象主要是结晶器内的湍动能由下而上聚集并迅速耗 散引起. 关键词CSP结晶器：水模型：液面波动：流动特征 分类号TF777.1 Water modeling study on the meniscus dynamic distortion of molten steel level in a CSP thin slab casting mould WANG Xian-hui,WANG Xin-hua,ZHANG Jiong-ming,JING Cai-liang S chool of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Techmology Beijing Beijing 100083,China ABSTRACT Ful-scale water modeing experiments were carried out to investigate the transient fluid flow in a CSP funnel-shaped mould under a bilateral hole submerged entry nozzle (SEN).The results show that molten steel level is unsteady and the level fluctua- tion has a periodical exacerbation.w hich is called meniscus dy namic distortion (MDD).The relationship between process parameters and MDD was discussed.Tracer experiments were used to study the flow characteristic of molten steel in the mold.It is concluded that the turbulent kinetic energy assembling and rapid dissipating from bottom to meniscus cause the MDD. KEY WORDS CSP mould;water modeling:level fluctuation;flow characteristic 结晶器内部的钢液流动行为是影响铸坯质量的 型对CSP漏斗型结晶器流场进行了研究，发现了液 重要因素.CSP(compact strip production)薄板坯结 面波动有周期性的变化，其利用数学模拟做出解释， 晶器漏斗型结构复杂、宽厚比大而内腔狭小，这些特 认为造成液面周期性变化的原因是上回流流股对水 点致使结晶器内钢液的流动行为比传统板坯复杂得 口出口射流的冲击及水口下部存在的高密度梯度的 多一).流动越复杂，造成流场不稳定的几率就越 湍动能和Reynolds剪应力共同作用的结果.同时， 高。因此，对薄板坯结晶器内流股的瞬态运动研究 Shen等o利用水模型研究了双底孔出口水口下的 显得尤为重要. 流场，发现流场周期性左右不对称，认为这种现象与 Gpta等9利用水模型研究发现板坯结晶器内 漩涡涡心高度变化有关.以上研究发现并描述了结 流场具有不稳定性.Yuan等和Sivaramakrishnan 晶器内流场的不稳定现象，但对产生此现象的机理 等q利用数值模拟也发现了此现象.Morales等) 研究还比较欠缺，而且对本实验使用的双侧孔结构 利用数字式粒子图像测速技术对11比例CSP结 水口研究还未见报道. 晶器水模型进行了研究，发现四孔水口下流场有偏 本研究的主要目的是通过水力学模型，对国内 流现象；Ramos-banderas等9利用水模型发现结晶 外CSP连铸常用的双侧孔水口条件下结晶器内流 器内流场具有随机摆动性，他们认为是射流的不稳 场瞬态特征进行模拟研究，更直观准确地揭示流场 定性造成的.最近，Torres-alonso等列利用11水模 液面特征与流股运动的关系，并探究其内部流场及 收稿日期：200803-21 作者简介：王现辉(1979一)，男，博士研究生；王新华(1952一)，男，教授，博士生导师，E-mail:w angxinhua(©p.ohu.mm

CSP 结晶器内钢液面动态失稳现象的水模型实验 王现辉 王新华 张炯明 景财良 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 摘 要 利用 1∶1 的水力学模型对双侧孔水口下CSP 结晶器内部流场流动进行了瞬态研究.结果表明, 液面波动具有明显的 周期性加剧现象, 称之为“ 液面动态失稳” .讨论了不同工艺参数下液面动态失稳的规律, 用示踪实验法研究了流场内部的流 动特征, 分析了“ 液面动态失稳”与内部流场运动关系.液面的动态失稳现象主要是结晶器内的湍动能由下而上聚集并迅速耗 散引起. 关键词 CSP 结晶器;水模型;液面波动;流动特征 分类号 TF777.1 Water modeling study on the meniscus dynamic distortion of molten steel level in a CSP thin slab casting mould WANG Xian-hui, WANG Xin-hua , ZHANG Jiong-ming, JING Cai-liang S chool of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, C hina ABSTRACT Full-scale w ater modeling experiments w ere carried out to investigate the transient fluid flow in a CSP funnel-shaped mould under a bilateral hole submerged entry no zzle ( SEN) .The results show that mo lten steel level is unsteady and the level fluctua￾tio n has a periodical exacerbation, w hich is called meniscus dy namic distortion ( MDD) .The relationship between process parameters and MDD w as discussed .Tracer experiments were used to study the flow characteristic o f mo lten steel in the mold .It is concluded that the turbulent kine tic energy assembling and rapid dissipating from bottom to meniscus cause the MDD. KEY WORDS CSP mould ;water modeling;level fluctuation ;flow characteristic 收稿日期:2008-03-21 作者简介:王现辉( 1979—) , 男, 博士研究生;王新华( 1952—) , 男, 教授, 博士生导师, E-mail:w angxinhua@vip.sohu.com 结晶器内部的钢液流动行为是影响铸坯质量的 重要因素 .CSP ( compact strip production) 薄板坯结 晶器漏斗型结构复杂 、宽厚比大而内腔狭小, 这些特 点致使结晶器内钢液的流动行为比传统板坯复杂得 多[ 1-3] .流动越复杂, 造成流场不稳定的几率就越 高.因此, 对薄板坯结晶器内流股的瞬态运动研究 显得尤为重要. Gupta 等 [ 4] 利用水模型研究发现板坯结晶器内 流场具有不稳定性.Yuan 等[ 5] 和 Sivaramakrishnan 等[ 6] 利用数值模拟也发现了此现象 .Morales 等[ 7] 利用数字式粒子图像测速技术对 1∶1 比例 CSP 结 晶器水模型进行了研究, 发现四孔水口下流场有偏 流现象;Ramos-banderas 等[ 8] 利用水模型发现结晶 器内流场具有随机摆动性, 他们认为是射流的不稳 定性造成的.最近, To rres-alonso 等[ 9] 利用 1∶1 水模 型对 CSP 漏斗型结晶器流场进行了研究, 发现了液 面波动有周期性的变化, 其利用数学模拟做出解释, 认为造成液面周期性变化的原因是上回流流股对水 口出口射流的冲击及水口下部存在的高密度梯度的 湍动能和 Reynolds 剪应力共同作用的结果 .同时, Shen 等[ 10] 利用水模型研究了双底孔出口水口下的 流场, 发现流场周期性左右不对称, 认为这种现象与 漩涡涡心高度变化有关 .以上研究发现并描述了结 晶器内流场的不稳定现象, 但对产生此现象的机理 研究还比较欠缺, 而且对本实验使用的双侧孔结构 水口研究还未见报道. 本研究的主要目的是通过水力学模型, 对国内 外 CSP 连铸常用的双侧孔水口条件下结晶器内流 场瞬态特征进行模拟研究, 更直观准确地揭示流场 液面特征与流股运动的关系, 并探究其内部流场及 第 31 卷 第 2 期 2009 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.2 Feb.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.02.010

第2期 王现辉等：CSP结晶器内钢液面动态失稳现象的水模型实验 ·235· 液面的非稳态行为产生的机理. 为4.2~6.0mmin1,选取多个拉速 1实验方法 根据相似原理，实验采用Re数和Fr数为相似 准数，建立11全比例水模型进行实验研究.结晶 器和水口采用高强度有机玻璃材料制成.图】为 CSP结晶器水力模拟实验装置及设备示意图.实验 结晶器模型厚度60mm,漏斗区最大开度180mm, 漏斗区长度800mm,结晶器模型长2000mm,最大 宽度1350mm:浸入式水口为目前典型的双侧孔结 构，如图2所示.为了更精确的模拟现场状况，模型 采用了带有挡墙的中间包和塞棒控流技术，塞棒升 图2实验的水口结构（单位：mm) 降采用电子控制系统，控制方便，精度高，同时实验 Fig.2 Structure of a SEN for experiment urit:mm) 还设计了通过塞棒向结晶器添加示踪剂和吹气装 2实验结果及讨论 置，方便流场的观测.实验通过电子调频器控制水 泵转速来控制结晶器出口的水流量，达到控制拉速 2.1结晶器液面运动特征 目的，利用塞棒升降控制上水口的水流量，调节液位 实验先对现场常用浇铸参数进行模拟研究.浇 平衡.距结晶器底部300mm处的缓流槽装置可消 铸参数：拉速5.0m·min1,结晶器宽度1200mm, 除水泵及管道流对结晶器内部流场的影响.实验设 水口浸入深度220mm.实验开始先调节系统平衡， 备及仪器经过严格调整和调试，以确保误差最小， 系统稳定10min后开始检测液面.目测发现液面波 动不稳定，并有明显的周期性.主要表现为：液面先 示踪剂 平稳波动，约15s后突然运动加剧，这种状态持续 5~6s,然后液面又恢复平静，整个周期约21s.这种 入流管 阀门 阀门 周期性短时间液面波动加剧现象本文称之为“液面 气体 动态失稳”，液面动态失稳前和动态失稳过程中状 流量计 中间包 态比较如图3所示.观察发现液面动态失稳开始前 挡墙 液面波动和表面流速很小，有时几乎达静止状态（如 ■● 波高 图3(a):液面动态失稳时在窄面附近的液面被上 空气压缩机 传感器 升流冲击“顶起”，在距窄面约100mm的位置1形 成一个凸顶，凸顶右侧表面流速刷剧增，流向水口中 旋桨测速仪 心，并在漏斗开口区约距水口中心线350mm的位 火■ 2 置2形成“冲击凹坑”，此处表面流速达最大值（如 计算机数据 a 水口一 采集系统 结晶器 液面波动激光 缓流槽 检测系统 流量计阀门水泵 图1水模型实验装置示意图 Fig I Schematic of the water modeling experimental setup 实验设备主要包括：DJ800波高仪检测水口左 侧五个点的液面波动传感器分布：PH80A激光传感 器及装置检测水口右侧窄面附近的液面波动情况： 图3液面动态失稳前与动态失稳最大时的液面。（动态失稳 型旋桨式流速计检测结晶器内的表面流速.本次研 过程开始前5s时刻：(b)动态失稳开始后3s时刻 究共设计了两个结晶器宽度1200mm和1350mm: Fig.3 Fluid levels befor and after meniscus dynamic distortion 两个水口浸入深度分别为220mm和310mm;拉速 (MDD):(a)5s before MDD:(b)3s after M DD

液面的非稳态行为产生的机理 . 1 实验方法 根据相似原理, 实验采用 Re 数和Fr 数为相似 准数, 建立 1∶1 全比例水模型进行实验研究.结晶 器和水口采用高强度有机玻璃材料制成.图 1 为 CSP 结晶器水力模拟实验装置及设备示意图 .实验 结晶器模型厚度 60 mm, 漏斗区最大开度 180 mm, 漏斗区长度 800 mm, 结晶器模型长 2 000 mm, 最大 宽度 1 350 mm ;浸入式水口为目前典型的双侧孔结 构, 如图 2 所示 .为了更精确的模拟现场状况, 模型 采用了带有挡墙的中间包和塞棒控流技术, 塞棒升 降采用电子控制系统, 控制方便, 精度高, 同时实验 还设计了通过塞棒向结晶器添加示踪剂和吹气装 置, 方便流场的观测 .实验通过电子调频器控制水 泵转速来控制结晶器出口的水流量, 达到控制拉速 目的, 利用塞棒升降控制上水口的水流量, 调节液位 平衡.距结晶器底部 300 mm 处的缓流槽装置可消 除水泵及管道流对结晶器内部流场的影响.实验设 备及仪器经过严格调整和调试, 以确保误差最小. 图 1 水模型实验装置示意图 Fig.1 Schematic of the w at er m odeling experiment al setup 实验设备主要包括:DJ800 波高仪检测水口左 侧五个点的液面波动传感器分布;PH80A 激光传感 器及装置检测水口右侧窄面附近的液面波动情况 ; 型旋桨式流速计检测结晶器内的表面流速.本次研 究共设计了两个结晶器宽度 1 200 mm 和 1 350 mm ; 两个水口浸入深度分别为 220 mm 和 310 mm ;拉速 为 4.2 ～ 6.0 m·min -1 , 选取多个拉速 . 图 2 实验的水口结构( 单位:mm) Fig.2 Structure of a SEN f or experiment ( unit:mm) 2 实验结果及讨论 图 3 液面动态失稳前与动态失稳最大时的液面.( a) 动态失稳 过程开始前 5 s 时刻;( b) 动态失稳开始后 3 s 时刻 Fig.3 Fluid levels before and after meniscus dynamic dist ortion ( MDD) :( a) 5 s bef ore MDD;( b) 3 s aft er M DD 2.1 结晶器液面运动特征 实验先对现场常用浇铸参数进行模拟研究.浇 铸参数 :拉速 5.0 m·min -1 , 结晶器宽度 1 200 mm, 水口浸入深度 220 mm .实验开始先调节系统平衡, 系统稳定10min 后开始检测液面 .目测发现液面波 动不稳定, 并有明显的周期性.主要表现为:液面先 平稳波动, 约 15 s 后突然运动加剧, 这种状态持续 5 ～ 6 s, 然后液面又恢复平静, 整个周期约21 s .这种 周期性短时间液面波动加剧现象本文称之为“液面 动态失稳” .液面动态失稳前和动态失稳过程中状 态比较如图 3 所示 .观察发现液面动态失稳开始前 液面波动和表面流速很小, 有时几乎达静止状态( 如 图 3( a) ) ;液面动态失稳时在窄面附近的液面被上 升流冲击“顶起”, 在距窄面约 100 mm 的位置 1 形 成一个凸顶, 凸顶右侧表面流速剧增, 流向水口中 心, 并在漏斗开口区约距水口中心线 350 mm 的位 置 2 形成“冲击凹坑”, 此处表面流速达最大值( 如 第 2 期 王现辉等:CSP 结晶器内钢液面动态失稳现象的水模型实验 · 235 ·

。236 北京科技大学学报 第31卷 图3(b)所示)，经6s后又回到原来状态（图3(a)). 和（©所示，可以明显看到液面波动有周期性变化， 利用液面波动检测系统对液面进行监测，并设 平均周期约21s,失稳过程中窄面附近液面形成凸 置为每隔0.01s采集一次液面波高数据，采集总时 起，在液面中心测点3位置由于较大表面流速冲击 间1min.数据结果分析如图4.从图4a)可以看 液面而形成的凹坑.水口左右两侧窄面附近的对应 到，水口附近测点5位置液面波动频率高，波幅相对 测点1和1液面波动对比如图4(。和4(c),发现 较大，平均波高3.5mm,液位较平稳，周期性变化不 水口右侧液面波动与左侧相似，但水口左右两侧液 明显.测点3和1位置液面波动规律分别如图4(b) 面的动态失稳过程并非完全对称. 10 a 30 60 时间/s 12 30 60 时间/s 时间/s 10 30 60 时间s 图4液面波动.(a)测点5(b)测点3(c)测点1：(c)测点1· Fig 4 Characteristic leve fluctuation:(a)testing position marked 5;(b)testing position marked 3;(c)testing position marked 1;(c")testing position marked 1' 图5为三个周期内距水口中心350mm位置冲 击凹坑位置2（如图1）的表面流速变化情况.可以 0.7 看出：液面动态失稳开始前表面流速较小，基本都在 0.6 0.1ms1左右，最小时速度几乎为零，液面动态失 稳开始后表面流速迅速增大，最大值可达到 03 0.61ms,平稳期液面的表面流速与动态失稳过 程的表面流速相差很大，这就造成了在动态失稳过 0.2 程易形成漩涡，容易卷渣：整个周期内的平均表面流 0 速为029ms1. 30 40 50 时间s 改变水口浸入深度、拉速和结晶器宽度，液面均 有周期性动态失稳现象.研究发现：液面动态失稳 图5MDD过程中位置2'的表面流速变化 的周期与拉速关系较大，拉速越大，其周期越短（如 Fig 5 Charge in surface velocity at point 2'du ting MDD 图6：相同工艺参数下结晶器宽度1350mm时液面

图 3( b) 所示) , 经 6 s 后又回到原来状态( 图 3( a) ) . 利用液面波动检测系统对液面进行监测, 并设 置为每隔 0.01 s 采集一次液面波高数据, 采集总时 间1 min .数据结果分析如图 4 .从图 4( a) 可以看 到, 水口附近测点 5 位置液面波动频率高, 波幅相对 较大, 平均波高 3.5 mm, 液位较平稳, 周期性变化不 明显 .测点 3 和 1 位置液面波动规律分别如图 4( b) 和( c) 所示, 可以明显看到液面波动有周期性变化, 平均周期约 21 s, 失稳过程中窄面附近液面形成凸 起, 在液面中心测点 3 位置由于较大表面流速冲击 液面而形成的凹坑 .水口左右两侧窄面附近的对应 测点 1 和 1 ＊液面波动对比如图 4( c) 和 4( c ＊ ) , 发现 水口右侧液面波动与左侧相似, 但水口左右两侧液 面的动态失稳过程并非完全对称 . 图 4 液面波动.( a) 测点 5;( b) 测点 3;( c) 测点 1;( c ＊) 测点 1 ＊ Fig.4 Characteristic level fluctuati on:( a) testing position marked 5;( b) testing position marked 3;( c) testing positi on marked 1;( c ＊) t esting position marked 1 ＊ 图5 MDD 过程中位置 2 ＊的表面流速变化 Fig.5 Change in surf ace velocity at point 2 ＊ du ring MDD 图 5 为三个周期内距水口中心 350 mm 位置冲 击凹坑位置 2 ＊( 如图 1) 的表面流速变化情况.可以 看出:液面动态失稳开始前表面流速较小, 基本都在 0.1m·s -1左右, 最小时速度几乎为零, 液面动态失 稳开 始后 表 面流 速迅 速 增大, 最大 值 可达 到 0.61 m·s -1 , 平稳期液面的表面流速与动态失稳过 程的表面流速相差很大, 这就造成了在动态失稳过 程易形成漩涡, 容易卷渣;整个周期内的平均表面流 速为 0.29 m·s -1 . 改变水口浸入深度 、拉速和结晶器宽度, 液面均 有周期性动态失稳现象 .研究发现 :液面动态失稳 的周期与拉速关系较大, 拉速越大, 其周期越短( 如 图 6) ;相同工艺参数下结晶器宽度 1350mm 时液面 · 236 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第2期 王现辉等：CSP结晶器内钢液面动态失稳现象的水模型实验 ·237· 动态失稳周期比结晶器宽度1200mm时小，水口浸 常规拉速下液面在动态失稳前表面流速和液面波动 入深度对其周期的影响不明显 偏小，液面不够活跃，对保护渣熔化不利，而动态失 由以上研究发现：使用的双侧孔水口时CSP在 稳过程液面过于活跃，容易造成周期性卷渣：同时， 28 这种现象容易造成结晶器弯月面处传热不均，从而 水口浸人深度：250mm 使铸坯产生裂纹等缺陷. 26 结品器宽度：1200mm 2.2结晶器内部流动特征 24 nl 液面动态失稳现象主要跟结晶器内部的流场运 动状况有关，因此实验分别利用红墨水和微气泡做 20 示踪剂对结晶器内部的流场特征进行了探究. 目测观察，当上一个液面动态失稳过程结束后 4.5 5.0 5.5 6.0 拉速(mmin) 10s,也就是第二次液面动态失稳前5s开始注入红 墨水示踪剂，并用数码相机记录示踪剂运动的过程， 图6液面动态失稳周期与拉速关系 Fig.6 Relationship betw een MDD period and casting speed 录像截图如图7所示. (a) 面 图7红墨水示踪动态失稳前流场形态.(a03s(b)16s(d26(d)36s(e)52s(060s Fig.7 Mixing patterns of red ink tracer before MDD:(a)0.3s (b)1.6s;(c)2 6s (d)3.6s;(e)5.2s;(f)6.0s 如图7()，示踪显示流股从水口流出0.3s时3.6s时右流股向上弯曲流向水口底部，如图7(d中 两流股运动方向基本是关于水口中心线对称的：随 位置2所示，左流股的下部继续向右弯曲，如 着流股向下运动，1.6s时，右流股冲击到右侧窄面， 图7（山）中位置3所示，同时左上流股向左弯曲，冲 左侧流股并未冲击左窄面，而是开始向右弯曲，运动 向结晶器左边窄面，如图7(d)中位置4所示，此时 方向发生较大变化，流股的扩散速度也不同，左右两 两流股流迹形成双“S”形状；5.2s时左右两射流开 流股变得不对称，如图7(b)所示，说明此时流场不 始由水口下部的位置5分向左右两侧窄面，同时在 是对称的，两流股在流场内受力是不同的；26s时 两流股的上侧分别形成两股较大的上回流，如 右流股方向也开始发生改变，流股上半部分向左偏图7（中位置6、位置6，此时液面的运动开始加 移，如图7（©）中位置2，同时左流股到中心线运动方 剧，动态失稳过程开始：6.0s时右侧上升流先到达 向向上弯曲并与右流股相接，如图7（©中位置1： 液面，此时水口右侧液面动态失稳先于左侧达到高

动态失稳周期比结晶器宽度 1 200 mm 时小, 水口浸 入深度对其周期的影响不明显 . 由以上研究发现 :使用的双侧孔水口时 CSP 在 图 6 液面动态失稳周期与拉速关系 Fig.6 Relationship betw een MDD period and casting speed 常规拉速下液面在动态失稳前表面流速和液面波动 偏小, 液面不够活跃, 对保护渣熔化不利, 而动态失 稳过程液面过于活跃, 容易造成周期性卷渣;同时, 这种现象容易造成结晶器弯月面处传热不均, 从而 使铸坯产生裂纹等缺陷 . 2.2 结晶器内部流动特征 液面动态失稳现象主要跟结晶器内部的流场运 动状况有关, 因此实验分别利用红墨水和微气泡做 示踪剂对结晶器内部的流场特征进行了探究. 目测观察, 当上一个液面动态失稳过程结束后 10 s, 也就是第二次液面动态失稳前 5 s 开始注入红 墨水示踪剂, 并用数码相机记录示踪剂运动的过程, 录像截图如图 7 所示. 图 7 红墨水示踪动态失稳前流场形态.( a) 0.3 s;( b) 1.6 s;( c) 2.6 s;( d) 3.6 s;( e) 5.2 s;( f) 6.0 s Fig.7 Mi xing patterns of red ink tracer bef ore MDD :( a) 0.3 s;( b) 1.6 s;( c) 2.6 s;( d) 3.6 s;( e) 5.2 s;( f) 6.0 s 如图 7( a) , 示踪显示流股从水口流出 0.3 s 时 两流股运动方向基本是关于水口中心线对称的 ;随 着流股向下运动, 1.6 s 时, 右流股冲击到右侧窄面, 左侧流股并未冲击左窄面, 而是开始向右弯曲, 运动 方向发生较大变化, 流股的扩散速度也不同, 左右两 流股变得不对称, 如图 7( b) 所示, 说明此时流场不 是对称的, 两流股在流场内受力是不同的 ;2.6 s 时 右流股方向也开始发生改变, 流股上半部分向左偏 移, 如图 7( c) 中位置 2, 同时左流股到中心线运动方 向向上弯曲并与右流股相接, 如图 7( c) 中位置 1 ; 3.6s 时右流股向上弯曲流向水口底部, 如图 7( d) 中 位置 2 所示, 左流股的下 部继续向 右弯曲, 如 图 7( d) 中位置 3 所示, 同时左上流股向左弯曲, 冲 向结晶器左边窄面, 如图 7( d) 中位置 4 所示, 此时 两流股流迹形成双“S”形状;5.2 s 时左右两射流开 始由水口下部的位置 5 分向左右两侧窄面, 同时在 两流股的上侧分别形成两股较大的上回流, 如 图 7( e) 中位置 6 、位置 6 ＊ , 此时液面的运动开始加 剧, 动态失稳过程开始;6.0 s 时右侧上升流先到达 液面, 此时水口右侧液面动态失稳先于左侧达到高 第 2 期 王现辉等:CSP 结晶器内钢液面动态失稳现象的水模型实验 · 237 ·

。238 北京科技大学学报 第31卷 峰期，如图7().在以上实验工况下流场完全染色 究结晶器内流场运动不如染色示踪剂精确，但是它 时间约7s左右. 能在很高程度上反映流场内流股运动的基本特征， 进一步观察发现，液面动态失稳现象并不是关 用气泡作示踪能够较清晰地显示流场，且有利于较 于水口完全对称的，开始时间并非完全相同，液面的 长时间内观测流场的变化过程.为了研究液面动态 畸变程度也不完全相同.为了进一步探究液面动态 失稳的形成机理，本实验利用少量微气泡作示踪剂 失稳产生的机理，需对其内流场流股的运动进行进 记录了某一个液面变化周期内结晶器内流股运动的 一步的研究. 过程，如图8所示. 向结晶器流场内吹入少量的微气泡作示踪剂研 d 图8液面动态失稳周期内结晶器流场的运动.(2(b)12(c)15$()16(165(0185s Fig 8 Fluid flow process during a w hole MDD period:(a)2ss (b)12s;(c)15s:(d)16s;(e)16.5s (f)18.5s 图8()显示了一个动态失稳过程刚结束2s时 Rey nolds剪切应力.由较大Rey nolds剪切应力的作 刻结晶器内部流场的状态.可以看出此时从双侧孔 用下结晶器下端大漩涡被破坏，分解成细小的漩涡， 水口流出的两流股相对于水口中心线对称，冲击深 湍动能快速耗散（如图8(d),水口下部的位置4变 度很低约900mm,与窄面的冲击夹角较小，所以流 得紊乱，此过程产生的剪切应力引起水口两射流流 股撞击窄面后形成很强的下回流股如图8(a)位置1 股向结晶器窄面弯曲如图7(d中位置5所示，并以 所示，并在流股内侧形成两个漩涡，如图8()位置2 较大的角度冲击窄面，产生很强的上回流股（如 所示，出水口的两射流股的高速运动会在流股周围 图8()位置6、位置6*)，此时液面突然活跃起来， 形成负压区，如图8()位置3，此时水口下方的两流 动态失稳过程开始：与此同时，在射流流股的上侧形 股之间动能较低.流场中的漩涡是湍动能的载体， 成漩涡，如图8（位置8、位置8*所示，在射流流股 漩涡越大携带的动能也越大，而漩涡心部动能最小. 上侧负压的作用下，漩涡沿射流股上移，并逐渐扩 两个下漩涡心沿着水口射流流股的内侧向上移动且 大，这就使得射流流股向上弯曲，冲击窄面的位置上 互相靠近，12s时的流场状态如图8(b),此时两个漩 移，冲击深度开始减小，与窄面冲击夹角增大，上回 涡相接并在位置4形成较强的上回流.两下漩涡快 流流股更强，湍动能向液面方向快速耗散，导致液面 速上移、靠近，15s时相叠在水口下方，如图8(c)所 动态失稳程度迅速加剧.18.5s时流场如图8()所 示，此时在水口正下方的位置4聚集了很大的动能， 示，此时，液面的动态失稳程度达到最大状态，上漩 产生高密度梯度的湍动能k、湍动能耗散率ε和 涡携带的动能在流股上方耗散完毕后水口射流流股

峰期, 如图 7( f) .在以上实验工况下流场完全染色 时间约 7 s 左右. 进一步观察发现, 液面动态失稳现象并不是关 于水口完全对称的, 开始时间并非完全相同, 液面的 畸变程度也不完全相同.为了进一步探究液面动态 失稳产生的机理, 需对其内流场流股的运动进行进 一步的研究. 向结晶器流场内吹入少量的微气泡作示踪剂研 究结晶器内流场运动不如染色示踪剂精确, 但是它 能在很高程度上反映流场内流股运动的基本特征, 用气泡作示踪能够较清晰地显示流场, 且有利于较 长时间内观测流场的变化过程.为了研究液面动态 失稳的形成机理, 本实验利用少量微气泡作示踪剂 记录了某一个液面变化周期内结晶器内流股运动的 过程, 如图 8 所示 . 图 8 液面动态失稳周期内结晶器流场的运动.( a) 2 s;( b) 12 s;( c) 15 s;( d) 16 s;( e) 16.5 s;( f) 18.5 s Fig.8 Fluid flow process during a w hole MDD period:( a) 2 s;( b) 12 s;( c) 15 s;( d) 16 s;( e) 16.5 s;( f) 18.5 s 图 8( a) 显示了一个动态失稳过程刚结束 2 s 时 刻结晶器内部流场的状态 .可以看出此时从双侧孔 水口流出的两流股相对于水口中心线对称, 冲击深 度很低约 900 mm, 与窄面的冲击夹角较小, 所以流 股撞击窄面后形成很强的下回流股如图 8( a) 位置 1 所示, 并在流股内侧形成两个漩涡, 如图 8( a) 位置 2 所示, 出水口的两射流股的高速运动会在流股周围 形成负压区, 如图 8( a) 位置 3, 此时水口下方的两流 股之间动能较低 .流场中的漩涡是湍动能的载体, 漩涡越大携带的动能也越大, 而漩涡心部动能最小 . 两个下漩涡心沿着水口射流流股的内侧向上移动且 互相靠近, 12 s 时的流场状态如图 8( b) , 此时两个漩 涡相接并在位置 4 形成较强的上回流 .两下漩涡快 速上移 、靠近, 15 s 时相叠在水口下方, 如图 8( c) 所 示, 此时在水口正下方的位置 4 聚集了很大的动能, 产生高密度梯度的湍动能 k 、湍动能耗散率 ε和 Rey nolds 剪切应力.由较大 Rey nolds 剪切应力的作 用下结晶器下端大漩涡被破坏, 分解成细小的漩涡, 湍动能快速耗散( 如图 8( d) ) , 水口下部的位置 4 变 得紊乱, 此过程产生的剪切应力引起水口两射流流 股向结晶器窄面弯曲如图 7( d) 中位置 5 所示, 并以 较大的角度冲击窄面, 产生很强的上回流股( 如 图 8( e) 位置 6 、位置 6 ＊) , 此时液面突然活跃起来, 动态失稳过程开始 ;与此同时, 在射流流股的上侧形 成漩涡, 如图 8( e) 位置 8 、位置 8 ＊所示, 在射流流股 上侧负压的作用下, 漩涡沿射流股上移, 并逐渐扩 大, 这就使得射流流股向上弯曲, 冲击窄面的位置上 移, 冲击深度开始减小, 与窄面冲击夹角增大, 上回 流流股更强, 湍动能向液面方向快速耗散, 导致液面 动态失稳程度迅速加剧 .18.5 s 时流场如图 8( f) 所 示, 此时, 液面的动态失稳程度达到最大状态, 上漩 涡携带的动能在流股上方耗散完毕后水口射流流股 · 238 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第2期 王现辉等：CS结晶器内钢液面动态失稳现象的水模型实验 ·239。 开始下移，动态失稳过程结束，液面开始趋于平稳， 部附近位置时，在高梯度的湍动能k、湍动能耗散率 3s后流场恢复到与图8()相似状态. e和Rey nolds剪应力作用下大漩涡被破碎，湍动能 薄板坯结晶器内腔狭小，在较高拉速下流场内 迅速向两侧和液面方向释放引起液面的动态失稳. 部运动较复杂，Torres-Alonso等y研究发现水口射 (3)拉速越大动态失稳的周期越短，常规拉速 流的周围、上回流及水口底端以下附近部位的流体 下(4.5~5.5mmim)液面动态失稳周期范围是 存在着大梯度的k、e和Rey nolds剪应力，认为上回 24~20s. 流股产生的高Rey nolds应力及其对水口出口附近 的射流冲击是引起流场不稳定的主要根源.但是本 参考文献 次实验研究的双侧孔水口在结品器液面相对稳定状 [I]Bao Y P.Zhu SS.Tian N Y,et al Watermodelling study of 态时流场的上回流很弱，加上其动能在漏斗的开口 fluid flow in thin-slab continuous casting moul.Spec Steel, 区扩散，很难对水口射流流股造成较显著的影响 1998.19(2):7 (包燕平，祝三胜，田乃媛，等.薄板坯连铸结品器水模实验研 笔者认为，液面动态失稳现象形成的原因是强大的 究.特殊钢，1998.192)：7) 下流股在结晶器下部形成携带能量的漩涡，两漩涡 【召Liu X M,FagY.Water Model重g experiments of the moulds 在射流产生负压区沿射流向上移动并长大，漩涡长 for CSP ad ISP.Baoseel Technd,1997,3:11 大同时其携带的能量也逐渐增加，最后在水口底端 (刘小梅.方园.CSP和ISP结品器水模实验研究.宝钢技术. 的下方在高Reynolo山s应力作用下，湍动能的迅速耗 1997.3:11) 3 Zhang H,Zhao L G,Tao H B,et al.Numerical simulation on 散导致上回流的迅速增大所致.以上研究发现，拉 fuid flow and heat transfer behaviors in mould of CSP thin sab 速增大液面动态失稳的周期减小，而且液面动态失 cte.Ion Stal,.2006.41(5):24 稳高峰时刻液面的畸变也越大，液面波动变化程度 (张慧，赵连刚，红标，等。薄板坯连铸结品器内流动传热行 加剧，因此液面动态失稳受结晶器内流股强度影响 为的研究.钢铁，2006,41(5)：24 较大.水口浸入深度增加，水口底端距液面距离增 [4 Gupta D,Chakraborty S.Lahiri A K.Asymmetry and oscillation 大，结晶器内流股的运动对液面的影响减小，所以此 of the fluid flow pattern in a continuous casting mould:a water model study.ISI Int,1997.37(7):654 时液面动态失稳的程度会相应减小，但周期不变， [5 Yun Q,Sivaramakrishnan S,Vanka S P,et al.Com putational 形成液面动态失稳的原因主要是结晶器厚度较薄内 and experimental study of turbulent flow in a Q 4-scale water 腔狭小，水口流股强度较大、冲击较深.湍涡形成的 model of a continuous steel caster.Metall Mater Trans B,2004, 随机性导致液面动态失稳现象具有一定的不对称 35(10):967 性.液面动态失稳现象的产生与结晶器及水口的结 [6 Sivaramakrishnan S.Thomas B G,Vanka S P.Large EMDDY simuation of tu rbulent flow in continuous casting of steel,mater- 构有关，连铸工艺参数的变化可以改变液面动态失 als processing in the computer age Ill//Voler V,Hencin H,eds. 稳的周期及强度，但不会消除此现象 TMS Annual Meeting.Nash ville,2000:189 [7]Momles R D,Palafox-Ramos J,GarciaDemedices L et al.A 3结论 DPIV study of liquid steel fbw in a wide thin slab caster using four ports submerged entry nozzles IS Int,2004,44(8): (I)双侧孔水口下CSP流场不稳定，液面运动 1384 有周期性变化，这种液面的动态失稳现象的存在跟 [8 Ramos Banderas A.Snchez-Perez R.Mathemat ical simulation 浇铸工艺参数无关，工艺参数变化只能改变其周期 and physical modeling of unsteady fluid flowsin a water model of a 大小 slab mold.Metall Mater Trans B.2004,6(35):449 (2)形成液面动态失稳现象的主要原因是：在 [9 TorresAlonso E.Morales R D.Demedices L G.et al.Flow dy- 双侧孔水口下流股冲击结晶器窄面后形成较强的下 namics in thin slab molds driven by sustaimable oscillatin jets from the feeding SEN.ISI/Int,2007,47(5):679 流股，下流股在结晶器下部形成漩涡携带湍动能在 [10 Shen B Z.Shen H F.Liu B C.Instabili ty of fluid fbw and level 水口射流形成的负压作用下由结晶器下部沿着射流 fluctuation in continuous thin slab casting mold /SI Int,2007. 流股下侧向上移动，并逐渐长大，到达水口底端的下 47(3):427

开始下移, 动态失稳过程结束, 液面开始趋于平稳, 3 s 后流场恢复到与图 8( a) 相似状态 . 薄板坯结晶器内腔狭小, 在较高拉速下流场内 部运动较复杂, To rres-Alonso 等[ 9] 研究发现水口射 流的周围、上回流及水口底端以下附近部位的流体 存在着大梯度的 k 、ε和 Rey nolds 剪应力, 认为上回 流股产生的高 Rey nolds 应力及其对水口出口附近 的射流冲击是引起流场不稳定的主要根源.但是本 次实验研究的双侧孔水口在结晶器液面相对稳定状 态时流场的上回流很弱, 加上其动能在漏斗的开口 区扩散, 很难对水口射流流股造成较显著的影响 . 笔者认为, 液面动态失稳现象形成的原因是强大的 下流股在结晶器下部形成携带能量的漩涡, 两漩涡 在射流产生负压区沿射流向上移动并长大, 漩涡长 大同时其携带的能量也逐渐增加, 最后在水口底端 的下方在高 Reynolds 应力作用下, 湍动能的迅速耗 散导致上回流的迅速增大所致.以上研究发现, 拉 速增大液面动态失稳的周期减小, 而且液面动态失 稳高峰时刻液面的畸变也越大, 液面波动变化程度 加剧, 因此液面动态失稳受结晶器内流股强度影响 较大.水口浸入深度增加, 水口底端距液面距离增 大, 结晶器内流股的运动对液面的影响减小, 所以此 时液面动态失稳的程度会相应减小, 但周期不变 . 形成液面动态失稳的原因主要是结晶器厚度较薄内 腔狭小, 水口流股强度较大 、冲击较深 .湍涡形成的 随机性导致液面动态失稳现象具有一定的不对称 性.液面动态失稳现象的产生与结晶器及水口的结 构有关, 连铸工艺参数的变化可以改变液面动态失 稳的周期及强度, 但不会消除此现象. 3 结论 ( 1) 双侧孔水口下 CSP 流场不稳定, 液面运动 有周期性变化, 这种液面的动态失稳现象的存在跟 浇铸工艺参数无关, 工艺参数变化只能改变其周期 大小 . (2) 形成液面动态失稳现象的主要原因是 :在 双侧孔水口下流股冲击结晶器窄面后形成较强的下 流股, 下流股在结晶器下部形成漩涡携带湍动能在 水口射流形成的负压作用下由结晶器下部沿着射流 流股下侧向上移动, 并逐渐长大, 到达水口底端的下 部附近位置时, 在高梯度的湍动能 k 、湍动能耗散率 ε和 Rey nolds 剪应力作用下大漩涡被破碎, 湍动能 迅速向两侧和液面方向释放引起液面的动态失稳. ( 3) 拉速越大动态失稳的周期越短, 常规拉速 下( 4.5 ～ 5.5 m·min -1 ) 液面动态失稳周期范围是 24 ～ 20 s . 参 考 文 献 [ 1] Bao Y P, Zhu S S , Tian N Y, et al.Wat er-modelling study of fluid flow in thin-slab continuous casting mould.Spec Steel, 1998, 19( 2) :7 ( 包燕平, 祝三胜, 田乃媛, 等.薄板坯连铸结晶器水模实验研 究.特殊钢, 1998, 19( 2) :7) [ 2] Liu X M, Fang Y .Water Modelling experiments of the moulds for CS P and ISP .Baost eel Technol, 1997, 3:11 ( 刘小梅, 方园.CSP 和 ISP 结晶器水模实验研究.宝钢技术, 1997, 3:11) [ 3] Zhang H, Zhao L G, Tao H B, et al.Numerical simulation on fluid flow and heat transfer behaviors in mould of CS P thin slab cast er .Iron St eel, 2006, 41( 5) :24 ( 张慧, 赵连刚, 陶红标, 等.薄板坯连铸结晶器内流动传热行 为的研究.钢铁, 2006, 41( 5) :24) [ 4] Gupt a D, C hakraborty S, Lahiri A K .Asymmetry and oscillation of the fluid flow pattern in a continuous casting mould:a water model study .ISIJ Int, 1997, 37( 7) :654 [ 5] Yuan Q, S ivaramakrishnan S , Vanka S P, et al.Com put ational and experimental study of turbulent flow in a 0.4-scale water model of a continuous steel cast er .Meta ll Mater Trans B, 2004, 35( 10) :967 [ 6] Sivaramakrishnan S, T homas B G, Vanka S P.Large EMDDY simulation of tu rbulent flow in continuous casting of steel, materi￾als processing in the computer age Ⅲ ∥Voller V, Henein H, eds. TMS Annua l Meeting .Nash ville, 2000:189 [ 7] Morales R D, Palafox-Ramos J, Garci a-Demedices L, et al.A DPIV study of liquid steel flow in a w ide thin slab caster using four ports submerged entry nozzles.IS IJ Int, 2004, 44 ( 8 ) : 1384 [ 8] Ramos-Banderas A, Sá nchez-Pérez R.Mathematical simulation and physical modeling of unsteady fluid flow sin a w at er model of a slab mold.Metall Mater Trans B , 2004, 6( 35) :449 [ 9] Torres-Alonso E, Morales R D, Demedices L G, et al.Flow dy￾namics in thin slab molds driven by sustainable oscillating jets from the feeding SEN .IS IJ Int, 2007, 47( 5) :679 [ 10] Shen B Z, S hen H F, Liu B C .Inst ability of fluid flow and level fluctuation in continuous thin slab casting mold.IS IJ Int , 2007, 47( 3) :427 第 2 期 王现辉等:CSP 结晶器内钢液面动态失稳现象的水模型实验 · 239 ·