张开天等：浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响 ·701· 液射流在SEN内部便受到一定的缓冲作用，因此钢 较小 液较为分散的流出SEN出口，液面剪切速度和弯月 浸人深度：135mm出口角度：15 面速度均有所下降.SEN浸入深度由125增加到 窄面附近一14宽面处一SEN附近 155mm,扩大了上回旋区范围，钢液需经过更长的 尖底 路径到达结品器液面，因此动能损失更多，剪切速度 和弯月面速度下降；同时更大的上辊流回旋半径使 液面流线曲率降低，垂直方向的速度矢量减小，剪切 卷渣机率降低 四底 0.7浸人深度：135m浸人深度：35mm 出口角度：15° Q6底部结构：尖底 出口角度：15° 底部结构：尖底 0102030405060708090100110120 0.5 时间s 。剪切速度 剪切速度 ▲剪切速度 图8不同底部结构时的结品器液面波幅 一4 Fig.8 Mold flow level with different SEN bottoms 03 4 出口角度：15°底部结构：尖底 0.2 弯月面速度。 李月而速度。 0.t 弯月面速度· 10152025 尖底凹底 125135145155 SEN出口角度) SEN底部结构 SEN侵入深度mm 135mm 图6不同浸入式水口条件下的剪切速度和弯月面速度 Fig.6 Shear velocity and meniscus velocity with different SENs 125 mm 2.3液面波动采集与F数的计算 图7~9为不同SEN条件下在结晶器液面的窄 0102030405060708090100110120 面附近、1/4宽面处和SEN附近采集的连续120s内 时间/s 波动幅度.所有试验工况下的液面波动幅度基本在 图9不同浸入深度时的结晶器液面波幅 Fig.9 Mold flow level with different SEN submerged depths ±5mm以内：1/4宽面处位于上回旋区涡心上方附 近，因此液位较高，波动幅度最大；SEN附近波动幅 Teshima等提出F数，来评价结晶器液面波动 度最小.增加SEN出口角度和浸入深度能显著减弱 情况：F数越大，表明流股对窄面冲击动量越大，液 结晶器液面波动幅度，浸入深度为155mm时最小， 面流速和液面波动越大，容易发生卷渣；F数过小， 大约±1.5mm;出口角度20°和浸入深度145mm时 表明结晶器内向上流股分量太弱，保护渣熔化不好， 的液面波动在±3mm左右，最为合理.相比于尖底 夹杂物易被前沿捕捉.研究叨表明对于普碳钢而 SEN,凹底SEN条件下的液面波动有所减小，但效果 言，F数在3~5时，结晶器卷渣最不容易发生，铸坯 浸入深度：135mm底部结构：尖底 及冷轧板的表面缺陷最小.图10为各SEN条件下 一窄面附近一14宽面处一SEN附近 25 的F数值.增大SEN的出口倾角、浸入深度以及将 尖底变为凹底都会降低F数，从而减弱液面波动. 20° SEN出口角度保持在15°、20°，浸入深度135mm、 145mm条件下计算得到的F数在3~5之间，使液 15 面波动处于合理范围内，与液面波动实际监测结果 一致. 10 3结论 0102030405060708090100110120 (1)通过PV技术获得结晶器水模型流场，发 时间/s 图7不同出口角度时的结品器液面波幅 现结晶器液面1/4宽面附近流线出现明显的下行趋 Fig.7 Mold flow level with different SEN angles 势，最大剪切流速达0.458ms1,易发生剪切卷渣；张开天等: 浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响 液射流在 SEN 内部便受到一定的缓冲作用，因此钢 液较为分散的流出 SEN 出口，液面剪切速度和弯月 面速度均有所下降． SEN 浸入深度由 125 增加到 155 mm，扩大了上回旋区范围，钢液需经过更长的 路径到达结晶器液面，因此动能损失更多，剪切速度 和弯月面速度下降; 同时更大的上辊流回旋半径使 液面流线曲率降低，垂直方向的速度矢量减小，剪切 卷渣机率降低． 图 6 不同浸入式水口条件下的剪切速度和弯月面速度 Fig． 6 Shear velocity and meniscus velocity with different SENs 2. 3 液面波动采集与 F 数的计算 图 7 ～ 9 为不同 SEN 条件下在结晶器液面的窄 图 7 不同出口角度时的结晶器液面波幅 Fig． 7 Mold flow level with different SEN angles 面附近、1 /4 宽面处和 SEN 附近采集的连续 120 s 内 波动幅度． 所有试验工况下的液面波动幅度基本在 ± 5 mm 以内; 1 /4 宽面处位于上回旋区涡心上方附 近，因此液位较高，波动幅度最大; SEN 附近波动幅 度最小． 增加 SEN 出口角度和浸入深度能显著减弱 结晶器液面波动幅度，浸入深度为 155 mm 时最小， 大约 ± 1. 5 mm; 出口角度 20°和浸入深度 145 mm 时 的液面波动在 ± 3 mm 左右，最为合理． 相比于尖底 SEN，凹底 SEN 条件下的液面波动有所减小，但效果 较小． 图 8 不同底部结构时的结晶器液面波幅 Fig． 8 Mold flow level with different SEN bottoms 图 9 不同浸入深度时的结晶器液面波幅 Fig． 9 Mold flow level with different SEN submerged depths Teshima 等提出 F 数，来评价结晶器液面波动 情况: F 数越大，表明流股对窄面冲击动量越大，液 面流速和液面波动越大，容易发生卷渣; F 数过小， 表明结晶器内向上流股分量太弱，保护渣熔化不好， 夹杂物易被前沿捕捉． 研究［17］表明对于普碳钢而 言，F 数在 3 ～ 5 时，结晶器卷渣最不容易发生，铸坯 及冷轧板的表面缺陷最小． 图 10 为各 SEN 条件下 的 F 数值． 增大 SEN 的出口倾角、浸入深度以及将 尖底变为凹底都会降低 F 数，从而减弱液面波动． SEN 出口角度保持在 15°、20°，浸入深度 135 mm、 145 mm 条件下计算得到的 F 数在 3 ～ 5 之间，使液 面波动处于合理范围内，与液面波动实际监测结果 一致． 3 结论 ( 1) 通过 PIV 技术获得结晶器水模型流场，发 现结晶器液面 1 /4 宽面附近流线出现明显的下行趋 势，最大剪切流速达 0. 458 m·s － 1，易发生剪切卷渣; · 107 ·