·1068· 工程科学学报，第40卷，第9期 深度223mm e.p Rne二入 (5) P. 温度℃ 式中：pac,p为夹杂物的密度，3500kg·m-3:pc,m是漂 ■1324 珠粒子的密度，750kgm-3p.是水的密度，1000kg· (b) 1523 m3.根据上式计算，该模型模拟的真实夹杂物的粒 1525 径约为350μm. 1527 塞棒 1531 533 拟的 固钩 1535 a 1555 图4数值模拟结果与漏钢坯壳对比.()坯壳上部的温度分布： (b)典型的连铸坯表层钩状坯壳的金相特征：()典型漏钢坯壳 顶端的金相特征 Fig.4 Comparison between the present numerical results and results of previous studies:(a)temperature distribution on the upper part of the shell:(b)typical metallographic characteristics of shell with hook:(c)typical metallographic characteristics on the top of the 1090mm breakout shell 凝固的钢壳，与原有坯壳的凝固组织呈明显的分层 状态.除去重熔部分，可以明显的看出，坯壳厚度在 图3物理模型装置示意图 初始凝固钩过程中是不均匀的，在其内部呈现周期 Fig.3 Schematic diagram of water model 性的隆起.这种隆起的位置与坯壳外部的振痕位置 对应，即为凝固钩在离开弯月面向下运行过程中的 2初始凝固过程中的钩状坯壳 形貌.对比图4(a)的计算结果和图4(c)可见，两种 2.1温度分布计算结果与验证 形貌极为相似，证明本模型对初始凝固过程中的坯 壳内腔形貌的预测更为合理. 坯壳上部的温度分布如图4(a)所示.由图可 见，钩状坯壳在弯月面初始凝固过程中形成，随着坯 为了验证模型计算坯壳厚度的可靠性，将坯壳 壳的下行，逐步湮没在坯壳中，最终形成了图4(b) 计算结果与文献16,19]进行对比，结果如图5所 示.由图可见，本模型无凝固钩区域的坯壳厚度与 金相实验中观测到的凝固钩形貌.由于计算条件和 模型建立方法的不同，本模型计算的坯壳内腔结构 另外两个文献的计算结果较为吻合.此外，图5还 给出了凝固钩深度的预测结果.由图可见，在弯月 与传统的连铸坯传热计算结果明显不同.在传统的 结晶器传热模型计算结果中，由于忽略了结晶器往 面以下大约50mm范围内，凝固钩的深度明显高于 复振动过程中弯月面区域传热行为的周期性变化， 坯壳厚度.这就形成了凝固钩深入到弯月面以内的 坯壳厚度变化多为由上到下均匀增加趋势，难以反 钩状结构.随着坯壳下行，两者差异越来越小，最终 映出坯壳初始凝固过程中内腔形状的变化特征. 达到一致，此时形成的凝固钩深度为2.5mm,该尺 为验证模型计算得到的初生坯壳内腔形状的合 寸与图4(b)中测量到的凝固钩深度较为接近，也与 理性，将某钢厂生产低碳钢发生漏钢事故后残留在 文献4-15]实测的钩状坯壳深度相吻合 结晶器内的坯壳进行了金相分析，如图4(c)所示. 2.2钩状坯壳的形成与演变过程 由于漏钢事故发生过程中钢液流动复杂，一部分坯 图6给出了在浇注温度1555℃、拉速1.3m· 壳被后续凝固的冷钢覆盖，但是可以通过金相观察 min'的情况下，初生坯壳在3个振动周期内的坯壳 排除.将漏钢后的坯壳磨平、抛光后酸浸腐蚀后，可 形貌，据此可以形象地观察到初生坯壳在脱离弯月 以大致推测出漏钢前坯壳的形貌.由图4可见，由 面以后的演变过程.由图可见，凝固钩在弯月面中 于漏钢发生时钢液流动，坯壳内部存在一部分重新 初始形成后，不会直接湮没进坯壳内，而是要经历熔工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 Ｒinc，m Ｒinc，p = λ     ( 0. 25 1 － ρinc，p ρ ) ( s 1 － ρinc，m ρ )     w 0. 5 ( 5) 式中: ρinc，p为夹杂物的密度，3500 kg·m － 3 ; ρinc，m是漂 珠粒子的密度，750 kg·m － 3 ; ρw是水的密度，1000 kg· m － 3 ． 根据上式计算，该模型模拟的真实夹杂物的粒 径约为 350 μm． 图 3 物理模型装置示意图 Fig． 3 Schematic diagram of water model 2 初始凝固过程中的钩状坯壳 2. 1 温度分布计算结果与验证 坯壳上部的温度分布如图 4( a) 所示． 由图可 见，钩状坯壳在弯月面初始凝固过程中形成，随着坯 壳的下行，逐步湮没在坯壳中，最终形成了图 4( b) 金相实验中观测到的凝固钩形貌． 由于计算条件和 模型建立方法的不同，本模型计算的坯壳内腔结构 与传统的连铸坯传热计算结果明显不同． 在传统的 结晶器传热模型计算结果中，由于忽略了结晶器往 复振动过程中弯月面区域传热行为的周期性变化， 坯壳厚度变化多为由上到下均匀增加趋势，难以反 映出坯壳初始凝固过程中内腔形状的变化特征． 为验证模型计算得到的初生坯壳内腔形状的合 理性，将某钢厂生产低碳钢发生漏钢事故后残留在 结晶器内的坯壳进行了金相分析，如图 4( c) 所示． 由于漏钢事故发生过程中钢液流动复杂，一部分坯 壳被后续凝固的冷钢覆盖，但是可以通过金相观察 排除． 将漏钢后的坯壳磨平、抛光后酸浸腐蚀后，可 以大致推测出漏钢前坯壳的形貌． 由图 4 可见，由 于漏钢发生时钢液流动，坯壳内部存在一部分重新 图 4 数值模拟结果与漏钢坯壳对比 . ( a) 坯壳上部的温度分布; ( b) 典型的连铸坯表层钩状坯壳的金相特征; ( c) 典型漏钢坯壳 顶端的金相特征 Fig． 4 Comparison between the present numerical results and results of previous studies: ( a) temperature distribution on the upper part of the shell; ( b ) typical metallographic characteristics of shell with hook; ( c) typical metallographic characteristics on the top of the breakout shell 凝固的钢壳，与原有坯壳的凝固组织呈明显的分层 状态． 除去重熔部分，可以明显的看出，坯壳厚度在 初始凝固钩过程中是不均匀的，在其内部呈现周期 性的隆起． 这种隆起的位置与坯壳外部的振痕位置 对应，即为凝固钩在离开弯月面向下运行过程中的 形貌． 对比图 4( a) 的计算结果和图 4( c) 可见，两种 形貌极为相似，证明本模型对初始凝固过程中的坯 壳内腔形貌的预测更为合理． 为了验证模型计算坯壳厚度的可靠性，将坯壳 计算结果与文献［16，19］进行对比，结果如图 5 所 示． 由图可见，本模型无凝固钩区域的坯壳厚度与 另外两个文献的计算结果较为吻合． 此外，图 5 还 给出了凝固钩深度的预测结果． 由图可见，在弯月 面以下大约 50 mm 范围内，凝固钩的深度明显高于 坯壳厚度． 这就形成了凝固钩深入到弯月面以内的 钩状结构． 随着坯壳下行，两者差异越来越小，最终 达到一致，此时形成的凝固钩深度为 2. 5 mm，该尺 寸与图 4( b) 中测量到的凝固钩深度较为接近，也与 文献［14--15］实测的钩状坯壳深度相吻合． 2. 2 钩状坯壳的形成与演变过程 图 6 给出了在浇注温度 1555 ℃、拉速 1. 3 m· min － 1的情况下，初生坯壳在 3 个振动周期内的坯壳 形貌，据此可以形象地观察到初生坯壳在脱离弯月 面以后的演变过程． 由图可见，凝固钩在弯月面中 初始形成后，不会直接湮没进坯壳内，而是要经历熔 · 8601 ·