·1306 北京科技大学学报 第35卷 差)2-13，结果如图4所示.由图4(a)可以看出， 15 当拉速从1.4mmin-1增加到2.0mmin-1时，平 mm 15 mm 均波差（所有测点波差的平均值）从2.6mm增加 5 到4.6mm.由图4(b)可以看出，表面流速随距水 口中心距离的增加呈现先增加后减小的趋势，且在 128imm 128mm (b) 结晶器宽面1/4处时达到最大，下文如不作特殊说 (a) 明，表面流速均指的是最大的表面流速.当拉速从 40° 1.4mmin-1增加到2.0mmin-1时，自由液面的表 mm 面流速从0.3ms-1增加到0.43ms-1.可见结晶器 159 液面波动与表面流速会随着拉速的增加而增加.文 献报道最佳的表面流速范围为0.2~0.4ms-1叫， 128mm 所以B型水口并不适合高拉速浇注，需要进一步对 (c) (d) 四种水口下结晶器液面波动的绝对值和流速的绝对 图2浸入式水口结构示意图.(a)A型水口：(b)B型水 值进行分析，以确定适合高拉速浇注的水口 口：(c)C型水口：(d)D型水口 2.2浸入深度对液面波动和表面流速的影响 Fig.2 Schematic diagram of submerged entry nozzles 图5为B型水口在高拉速1.8mmin-1时，不同 (SENs):(a)Type A SEN;(b)Type B SEN;(c)Type C SEN; 浸入深度对结晶器液面波动与表面流速的影响.由 (d)Type D SEN 图可以发现浸入深度对液面特征的影响远没有拉速 9#8#7#6#5#4#3#2#1# 3# 5'# 7'# 9# 影响那么明显.当浸入深度从110mm增加到190 mm时，平均波差从4.6mm变到3.53mm,表面流 速从0.36ms-1变化到0.39ms-1.文献报道增加 水口浸入深度可以减轻上回流的强度，进而减小液 60606060606060606011011012012012012060 面波动和钢渣界面的不稳定性4.但是，Miranda 液面波动测点 表面流速测点 等【3]通过水模型与数值模拟发现增加浸入深度 图3液面波动和表面流速测点示意图（单位：mm) 会使上回流充分发展，反而会增加液面的表面流 Fig.3 Schematic diagram of testing points for level fluctua- tion and surface velocity (unit:mm) 速.Hoffken等14认为水口的浸入深度存在一个最 佳的范围，在这个范围内板坯的纵裂发生率最小 表1水模型实验模拟的参数 从本实验结果来看，浸入深度对液面波动和表面流 Table 1 Casting parameters of water model experiment 速的影响均不明显 尺寸参数 结品器原型 水模型 水口底部形状（凹凸型）对自由液面特 结晶器宽度/mm 1300 1300 结品器厚度/mm 247 247 征的影响 结晶器高度/mm 900 2000 水口内径/mm 78 78 3.1水口底部形状对液面波动的影响 模拟工艺参数 取值 水口类型 为了研究水口底部形状（凹凸型）对结晶器液 拉速/(mmin-1) 1.4,1.6.1.8,2.0 A,B,C.D 面特征的影响，本文应选取A型（凹型）和B型（凸 水口浸入深度/mm 110,130.150,170.190 型)或者使用C型（凹型）和D型（凸型）进行对比 现场工艺参数对结晶器自由液面特征 研究.由于选取A、B型或者C、D型对液面波动的 影响趋势一致，所以本文仅选取C型（凹型）和D 的影响 型（凸型）水口进行液面波动对比研究.与图4和图 2.1拉速对液面波动和表面流速的影响 5选取的“波差”不同，本节采用瞬时波高来表征结 研究发现，拉速与浸入深度对四种水口条件下 晶器液面的瞬态波动.瞬时液面波动表征了自由液 自由液面特征的影响变化趋势一致.所以本文仅选 面的瞬时特征，更能表征液面的波动情况 取B型水口，水口浸入深度固定为150mm,研究 图6为两种拉速下水口底部形状对瞬时液面波 拉速对结品器液面波动与表面流速的影响，液面波 动的影响，选取两种水口浸入深度150mm和170 动选取60s内波动对液面波动平均值的标准差（波 mm,液面波动的测点为图3中5#测点，其中液位· 1306 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 图 2 浸入式水口结构示意图. (a) A 型水口；(b) B 型水 口；(c) C 型水口；(d) D 型水口 Fig.2 Schematic diagram of submerged entry nozzles (SENs): (a) Type A SEN; (b) Type B SEN; (c) Type C SEN; (d) Type D SEN 图 3 液面波动和表面流速测点示意图 (单位：mm) Fig.3 Schematic diagram of testing points for level fluctua￾tion and surface velocity (unit: mm) 表 1 水模型实验模拟的参数 Table 1 Casting parameters of water model experiment 尺寸参数 结晶器原型 水模型 结晶器宽度/mm 1300 1300 结晶器厚度/mm 247 247 结晶器高度/mm 900 2000 水口内径/mm 78 78 模拟工艺参数 取值 水口类型 拉速/(m·min−1 ) 1.4, 1.6, 1.8, 2.0 A, B, C, D 水口浸入深度/mm 110, 130, 150, 170, 190 2 现场工艺参数对结晶器自由液面特征 的影响 2.1 拉速对液面波动和表面流速的影响 研究发现，拉速与浸入深度对四种水口条件下 自由液面特征的影响变化趋势一致. 所以本文仅选 取 B 型水口，水口浸入深度固定为 150 mm，研究 拉速对结晶器液面波动与表面流速的影响，液面波 动选取 60 s 内波动对液面波动平均值的标准差 (波 差) [12−13]，结果如图 4 所示. 由图 4(a) 可以看出， 当拉速从 1.4 m·min−1 增加到 2.0 m·min−1 时，平 均波差 (所有测点波差的平均值) 从 2.6 mm 增加 到 4.6 mm. 由图 4(b) 可以看出，表面流速随距水 口中心距离的增加呈现先增加后减小的趋势，且在 结晶器宽面 1/4 处时达到最大，下文如不作特殊说 明，表面流速均指的是最大的表面流速. 当拉速从 1.4 m·min−1 增加到 2.0 m·min−1 时，自由液面的表 面流速从 0.3 m·s −1 增加到 0.43 m·s −1 . 可见结晶器 液面波动与表面流速会随着拉速的增加而增加. 文 献报道最佳的表面流速范围为 0.2 ～ 0.4 m·s −1[1]， 所以 B 型水口并不适合高拉速浇注，需要进一步对 四种水口下结晶器液面波动的绝对值和流速的绝对 值进行分析，以确定适合高拉速浇注的水口. 2.2 浸入深度对液面波动和表面流速的影响 图 5 为 B 型水口在高拉速 1.8 m·min−1 时，不同 浸入深度对结晶器液面波动与表面流速的影响. 由 图可以发现浸入深度对液面特征的影响远没有拉速 影响那么明显. 当浸入深度从 110 mm 增加到 190 mm 时，平均波差从 4.6 mm 变到 3.53 mm，表面流 速从 0.36 m·s −1 变化到 0.39 m·s −1 . 文献报道增加 水口浸入深度可以减轻上回流的强度，进而减小液 面波动和钢渣界面的不稳定性 [14] . 但是，Miranda 等 [13] 通过水模型与数值模拟发现增加浸入深度 会使上回流充分发展，反而会增加液面的表面流 速.Hoffken 等 [14] 认为水口的浸入深度存在一个最 佳的范围，在这个范围内板坯的纵裂发生率最小. 从本实验结果来看，浸入深度对液面波动和表面流 速的影响均不明显. 3 水口底部形状 (凹凸型) 对自由液面特 征的影响 3.1 水口底部形状对液面波动的影响 为了研究水口底部形状 (凹凸型) 对结晶器液 面特征的影响，本文应选取 A 型 (凹型) 和 B 型 (凸 型) 或者使用 C 型 (凹型) 和 D 型 (凸型) 进行对比 研究. 由于选取 A、B 型或者 C、D 型对液面波动的 影响趋势一致，所以本文仅选取 C 型 (凹型) 和 D 型 (凸型) 水口进行液面波动对比研究. 与图 4 和图 5 选取的 “波差” 不同，本节采用瞬时波高来表征结 晶器液面的瞬态波动. 瞬时液面波动表征了自由液 面的瞬时特征，更能表征液面的波动情况. 图 6 为两种拉速下水口底部形状对瞬时液面波 动的影响，选取两种水口浸入深度 150 mm 和 170 mm，液面波动的测点为图 3 中 5#测点，其中液位