·516 北京科技大学学报 第36卷 坯表层夹杂物的数量和分布与结晶器内钢液的流场 域.邓小旋等)和Yuan等研究了适合薄板坯的 和自由液面特征密切相关.因此，优化结晶器内钢 三孔水口条件下结晶器内的流场特征.关于不同凹 液的流场和液面特征对于高拉速生产优质冷轧类钢 底井深对结晶器液面特征的影响鲜有报道，且不同 板非常关键 水口底部形状在钢厂的应用实践报道也较少.基于 文献报道)，通过优化浸入式水口(submerged 此，本文利用水力学模型与工业试验相结合的方法 entry nozzle,.SEN)结构得到合理的钢液流场和自由 研究了在高拉速条件下不同水口底部形状与凹底水 液面特征是一种既经济又高效的途径.水口结构设 口井深对结晶器液面特征的影响，同时简要分析了 计不合理会导致结晶器内钢液流场出现不对称和不 其对液面特征影响的机理 稳定的现象：不对称的流场会影响凝固坯壳的均 匀生长，进而容易产生裂纹缺陷：不稳定的流场容易 1实验过程 使液面产生周期性波动.不合理的水口结构也 1.1水力学模型实验 会引起液面剧烈波动，导致保护渣的卷入，形成夹渣 本次水模型设备在保证模型与原型的R准数 缺陷，影响铸坯和后续轧板的表面质量.此外，不合 和F,准数相等的前提下采用1：1的比例制作.结晶 理的水口结构还会影响结品器液面的表面流速.表 器采用有机玻璃制成，其厚度为20mm.整个实验的 面流速过大可能导致液态或固态保护渣剪切卷入到 装置示意图如图1所示.首先，本水模型实验先模 钢液中，这些保护渣颗粒尺寸较大（一般大于100 拟了三种常用的水口底部形状对结晶器内流场与液 μm)会引起最终轧板的线条状缺陷(sliver defects). 面特征的影响.这三种常用的水口分别为凹底、凸 然而，最大表面流速过小，导致结晶器弯月面处的温 底和平底水口，其示意图分别如图2(a)、2(b)和 度过低，会影响保护渣的熔化进而影响保护渣在铜 2(c)所示.此外，本实验还研究了不同井深(0、10 板和坯壳间的润滑效果.更重要的是，对超低碳钢 和20mm)的凹底水口对结晶器内流场与液面特征 来说较小的表面流速还会导致弯月面Hook组织的 的影响.井深的定义如图2(a)中标示.井深为0mm 过度生长6-)，加重其捕捉上浮夹杂物、气泡和卷渣 的水口即为平底水口，如图2(c)所示，井深为10mm 的能力，导致铸坯表层洁净度的恶化.文献]报 的凹底水口（见图2(d)),井深为20mm的水口如 道，合理的表面流速范围是0.2~0.4m·s1.因此， 图2(a)所示.如不作特殊说明，本文中提到的“凹 优化水口结构得到合理的流场对铸坯的表层洁净度 底水口”均指的是井深为20mm的凹底水口.“凹 和后续的冷轧板表面质量极其重要 底-10水口”均指的是井深为10mm的凹底水口. 许多学者利用水模型和数值模拟进行了大量的 此外，为了消除结晶器下部出口的水流对结晶器 研究-.水口结构主要包括水口内径、水口出口 内部流场的影响，结晶器的长度加长到2000mm, 角度、水口出口形状、水口底部形状、水口出口孔的 且在距结晶器底部300mm的地方安装了缓流槽， 数量（双孔或者多孔）等.Gupta和Lahiri图研究了 缓流槽为密布的直径为l0mm的小孔.为了较为 水口内径与水口出口角度对出口流股特征的影响， ① 认为水口内径和水口出口角度都会改变出口流股的 状态，包括旋转流股(spinning jet)和光滑流股 ①)示踪染料 (smooth jet),而光滑流股比旋转流股更有利于凝固 ②模拟中间包 坯壳的均匀生长.Bai和Thomas回用数值模拟与水 (3塞棒 模型相结合的方法研究了不同水口出口形状（正方 (④)转子流速仪 D 形、狭长形和长方形)对出口流股角度的影响：结果 ⑤浸人式水口 3 (6缓流槽 表明正方形出口的射流角度比水口设计角度往上 0 (4 (⑦泵 倾，长方形出口的射流角度与设计角度基本相当，而 ⑤ (8超声波流量计 狭长形出口的射流角度却比设计角度下倾.包燕平 (6 (⑨数据采集系统 等@利用水模型研究了三种水口底部形状对薄板 ⑦ (10波高仪 ①硅油 坯连铸结晶器内流场和液面特征的影响.王翠娜 ②氩气装置 等和张乔英等网利用数值模拟的方法研究了水 8) 口底部形状对板坯连铸结晶器内钢液温度场与流场 图1水模型实验装置图 的影响.多孔水口的研究多集中在薄板坯连铸领 Fig.1 Schematic diagram of the water modeling experimental setup北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 坯表层夹杂物的数量和分布与结晶器内钢液的流场 和自由液面特征密切相关． 因此，优化结晶器内钢 液的流场和液面特征对于高拉速生产优质冷轧类钢 板非常关键． 文献报道［3］，通过优化浸入式水口( submerged entry nozzle，SEN) 结构得到合理的钢液流场和自由 液面特征是一种既经济又高效的途径． 水口结构设 计不合理会导致结晶器内钢液流场出现不对称和不 稳定的现象［4］: 不对称的流场会影响凝固坯壳的均 匀生长，进而容易产生裂纹缺陷; 不稳定的流场容易 使液面产生周期性波动［4--5］． 不合理的水口结构也 会引起液面剧烈波动，导致保护渣的卷入，形成夹渣 缺陷，影响铸坯和后续轧板的表面质量． 此外，不合 理的水口结构还会影响结晶器液面的表面流速． 表 面流速过大可能导致液态或固态保护渣剪切卷入到 钢液中，这些保护渣颗粒尺寸较大( 一般大于 100 μm) 会引起最终轧板的线条状缺陷( sliver defects) ． 然而，最大表面流速过小，导致结晶器弯月面处的温 度过低，会影响保护渣的熔化进而影响保护渣在铜 板和坯壳间的润滑效果． 更重要的是，对超低碳钢 来说较小的表面流速还会导致弯月面 Hook 组织的 过度生长［6--7］，加重其捕捉上浮夹杂物、气泡和卷渣 的能力，导致铸坯表层洁净度的恶化． 文献［1］报 道，合理的表面流速范围是 0. 2 ～ 0. 4 m·s － 1 ． 因此， 优化水口结构得到合理的流场对铸坯的表层洁净度 和后续的冷轧板表面质量极其重要． 许多学者利用水模型和数值模拟进行了大量的 研究［8--14］． 水口结构主要包括水口内径、水口出口 角度、水口出口形状、水口底部形状、水口出口孔的 数量( 双孔或者多孔) 等． Gupta 和 Lahiri ［8］研究了 水口内径与水口出口角度对出口流股特征的影响， 认为水口内径和水口出口角度都会改变出口流股的 状态，包 括 旋 转 流 股 ( spinning jet) 和 光 滑 流 股 ( smooth jet) ，而光滑流股比旋转流股更有利于凝固 坯壳的均匀生长． Bai 和 Thomas ［9］用数值模拟与水 模型相结合的方法研究了不同水口出口形状( 正方 形、狭长形和长方形) 对出口流股角度的影响; 结果 表明正方形出口的射流角度比水口设计角度往上 倾，长方形出口的射流角度与设计角度基本相当，而 狭长形出口的射流角度却比设计角度下倾． 包燕平 等［10］利用水模型研究了三种水口底部形状对薄板 坯连铸结晶器内流场和液面特征的影响． 王翠娜 等［11］和张乔英等［12］利用数值模拟的方法研究了水 口底部形状对板坯连铸结晶器内钢液温度场与流场 的影响． 多孔水口的研究多集中在薄板坯连铸领 域． 邓小旋等［13］和 Yuan 等［14］研究了适合薄板坯的 三孔水口条件下结晶器内的流场特征． 关于不同凹 底井深对结晶器液面特征的影响鲜有报道，且不同 水口底部形状在钢厂的应用实践报道也较少． 基于 此，本文利用水力学模型与工业试验相结合的方法 研究了在高拉速条件下不同水口底部形状与凹底水 口井深对结晶器液面特征的影响，同时简要分析了 其对液面特征影响的机理． 1 实验过程 图 1 水模型实验装置图 Fig． 1 Schematic diagram of the water modeling experimental setup 1. 1 水力学模型实验 本次水模型设备在保证模型与原型的 Ｒe 准数 和 Fr 准数相等的前提下采用 1∶ 1的比例制作． 结晶 器采用有机玻璃制成，其厚度为20 mm． 整个实验的 装置示意图如图 1 所示． 首先，本水模型实验先模 拟了三种常用的水口底部形状对结晶器内流场与液 面特征的影响． 这三种常用的水口分别为凹底、凸 底和平底水口，其示意图分别如图 2 ( a) 、2 ( b) 和 2( c) 所示． 此外，本实验还研究了不同井深 ( 0、10 和 20 mm) 的凹底水口对结晶器内流场与液面特征 的影响． 井深的定义如图2( a) 中标示． 井深为0 mm 的水口即为平底水口，如图 2( c) 所示，井深为10 mm 的凹底水口( 见图 2( d) ) ，井深为 20 mm 的水口如 图 2( a) 所示． 如不作特殊说明，本文中提到的“凹 底水口”均指的是井深为 20 mm 的凹底水口． “凹 底--10 水口”均指的是井深为 10 mm 的凹底水口． 此外，为了消除结晶器下部出口的水流对结晶器 内部流场的影响，结晶器的长度加长到 2000 mm， 且在距结晶器底部 300 mm 的地方安装了缓流槽， 缓流槽为密布的直径为 10 mm 的小孔． 为了较为 ·516·