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第7期 沈丙振等：薄板坯连铸工艺因素对结晶器非稳定流场特征参数的影响 .801, 均特征参数进行研究，考虑时间与空间因素可以更 好地反映流场非稳定变化的特征行为 包燕平等山利用水模型研究了薄板坯连铸不 同工艺参数对结晶器内流场的影响，从而分析了流 场非稳定性与卷渣机理，蔡开科等)采用结晶器内 不同位置的液面波动作为平均波高，并采用粒子示 踪法研究了不同工艺因素对板坯连铸结晶器内回流 图1粒子示踪法显示的结晶器流场 区中心深度及波高的影响.李宝宽等]采用水模型 Fig.1 Flow pattern in mould shown with the particle trajectory 方法研究了薄板坯连铸结晶器液面的涡流现象.王 method 新华等山发现瞬时波高随时间变化，并研究了工艺 参数对板坯连铸结晶器内波差的影响，钱忠东等可] 2实验结果 采用大涡模拟对板坯结晶器流场的研究结果表明： 结晶器内时均流场对于中心线左右对称，然而不同 2.1结晶器内流场的非稳定现象 时刻的流场及湍动涡随时间变化.Robertson等[o] 图2为水口浸入深度为295mm、出口角度为 最早发现板坯结晶器内流场存在非对称性且流场上 45°、拉坯速度为4.79mmin条件下测得的液面 下持续摆动.Gupta等]发现弯月面持续波动且 波动.图中虚线表示假设液体静止时的液位，粗实 相对结晶器中心并不一直对称，但是弯月面的波形 线表示平均液面波形，包围平均波形的两条细实线 是时均对称的·结晶器内流场以不确定周期相对结 表示液面波动的最高和最低位置，液面波动的平均 晶器中心摆动，并且结晶器出口流体的非均匀流出 范围约为28.4mm,平均波高为9.0mm,另外，图2 与非对称的流场有直接关系[8].Miranda等[在1：3 还给出了测量位置处液面波动的概率分布，可见， 的水力学模型中研究了液面波动，并且发现液面波 平均液面处的概率较大，最高和最低位置处的概率 动具有非稳定的行为，Ramos Banderas等o利用 最小 粒子成像测速技术(PIV)研究了板坯连铸结晶器内 40 测点液位波动 液位波动 的概率分布平均波形 最高位置 水的流动，也发现流场是非对称的，射流角度和撞 20 击到结晶器窄面的位置随时间变化，射流的垂直摆 ” 动导致了流场随时间变化] 回 室器-20 可以看出，在结晶器流场非稳定性方面已经取 液位波动最低位置 得了很多研究成果，本文基于结晶器流场非稳定性 00 400 0 400 800 研究工艺参数对薄板坯流场特征参数的影响. 相对结品器中轴的横向坐标/mm 图2液面波动及其概率分布 1实验方法 Fig.2 Level fluctuation and its probability 建立与实际连铸结晶器、水口相同尺寸的水力 图3为与图2相同工艺条件下实验测得的结晶 学模型，结晶器为CSP漏斗形，宽度1600mm,出口 器中心线两侧波高(WL,WR)、回流区中心深度 厚度为70mm.在结晶器宽面上画出50mm× (HL,HR)和射流撞击深度(DL,DR)·由于测量参 50mm的网格，采用粒子示踪法显示结晶器内流场 数的一致性与重复性，图中仅显示测量时间内140s (图1)，以假设液体静止时的液位为基准，确定结晶 的结果.由图可以看出，这些流场特征参数随时间 器中心线两侧上回流区中心深度(H,HR)及水口 变化，并且具有一定的周期性，其周期(T)约为 射流在结晶器窄面的撞击深度(DL,D)·利用波 25.5s,对于结晶器某一侧，射流撞击深度(D)、回 高仪及一组波高传感器测量液面波动，从而得出瞬 流区中心深度(H)和波高(W)的变化基本同步.随 时液面波形及结晶器两侧的波高(WL,WR)·液面 着射流撞击点上升，回流区中心上升，波高增加；反 波动与流场记录时间同步，间隔为0.25s·通过改变 之亦然，此外，由图3还可看出结晶器左右两侧射 拉速(Vat)、水口浸入深度(DsEN)及出口角度 流撞击深度、回流区中心深度及波高分别相差1/2 (aE、),研究其对薄板坯连俦结晶器流场特征参数 个周期，即结晶器左侧撞击点、回流区中心及波高上 的影响 升时，结晶器右侧撞击点、回流区中心及波高下降.均特征参数进行研究．考虑时间与空间因素可以更 好地反映流场非稳定变化的特征行为． 包燕平等［1］ 利用水模型研究了薄板坯连铸不 同工艺参数对结晶器内流场的影响从而分析了流 场非稳定性与卷渣机理．蔡开科等［2］采用结晶器内 不同位置的液面波动作为平均波高并采用粒子示 踪法研究了不同工艺因素对板坯连铸结晶器内回流 区中心深度及波高的影响．李宝宽等［3］采用水模型 方法研究了薄板坯连铸结晶器液面的涡流现象．王 新华等［4］发现瞬时波高随时间变化并研究了工艺 参数对板坯连铸结晶器内波差的影响．钱忠东等［5］ 采用大涡模拟对板坯结晶器流场的研究结果表明： 结晶器内时均流场对于中心线左右对称然而不同 时刻的流场及湍动涡随时间变化．Robertson 等［6］ 最早发现板坯结晶器内流场存在非对称性且流场上 下持续摆动．Gupta 等［7—8］发现弯月面持续波动且 相对结晶器中心并不一直对称但是弯月面的波形 是时均对称的．结晶器内流场以不确定周期相对结 晶器中心摆动并且结晶器出口流体的非均匀流出 与非对称的流场有直接关系［8］．Miranda 等［9］在1∶3 的水力学模型中研究了液面波动并且发现液面波 动具有非稳定的行为．Ramos—Banderas 等［10］利用 粒子成像测速技术（PIV）研究了板坯连铸结晶器内 水的流动也发现流场是非对称的．射流角度和撞 击到结晶器窄面的位置随时间变化射流的垂直摆 动导致了流场随时间变化［10］． 可以看出在结晶器流场非稳定性方面已经取 得了很多研究成果．本文基于结晶器流场非稳定性 研究工艺参数对薄板坯流场特征参数的影响． 1 实验方法 建立与实际连铸结晶器、水口相同尺寸的水力 学模型．结晶器为 CSP 漏斗形宽度1600mm出口 厚度为 70mm．在结晶器宽面上画出 50mm × 50mm的网格．采用粒子示踪法显示结晶器内流场 （图1）．以假设液体静止时的液位为基准确定结晶 器中心线两侧上回流区中心深度（ HLHR）及水口 射流在结晶器窄面的撞击深度（ DLDR）．利用波 高仪及一组波高传感器测量液面波动从而得出瞬 时液面波形及结晶器两侧的波高（ WLWR）．液面 波动与流场记录时间同步间隔为0∙25s．通过改变 拉速 （ V cast ）、水口浸入深度 （ DSEN ） 及出口角度 （αSEN）研究其对薄板坯连铸结晶器流场特征参数 的影响． 图1 粒子示踪法显示的结晶器流场 Fig．1 Flow pattern in mould shown with the particle trajectory method 2 实验结果 2∙1 结晶器内流场的非稳定现象 图2为水口浸入深度为295mm、出口角度为 45°、拉坯速度为4∙79m·min —1条件下测得的液面 波动．图中虚线表示假设液体静止时的液位粗实 线表示平均液面波形包围平均波形的两条细实线 表示液面波动的最高和最低位置．液面波动的平均 范围约为28∙4mm平均波高为9∙0mm．另外图2 还给出了测量位置处液面波动的概率分布．可见 平均液面处的概率较大最高和最低位置处的概率 最小． 图2 液面波动及其概率分布 Fig．2 Level fluctuation and its probability 图3为与图2相同工艺条件下实验测得的结晶 器中心线两侧波高（ WLWR）、回流区中心深度 （ HLHR）和射流撞击深度（ DLDR）．由于测量参 数的一致性与重复性图中仅显示测量时间内140s 的结果．由图可以看出这些流场特征参数随时间 变化并且具有一定的周期性其周期（ T ） 约为 25∙5s．对于结晶器某一侧射流撞击深度（ D）、回 流区中心深度（ H）和波高（ W）的变化基本同步．随 着射流撞击点上升回流区中心上升波高增加；反 之亦然．此外由图3还可看出结晶器左右两侧射 流撞击深度、回流区中心深度及波高分别相差1／2 个周期即结晶器左侧撞击点、回流区中心及波高上 升时结晶器右侧撞击点、回流区中心及波高下降． 第7期 沈丙振等： 薄板坯连铸工艺因素对结晶器非稳定流场特征参数的影响 ·801·