·698 工程科学学报，第40卷，第6期 KEY WORDS mold;submerged entry nozzle;fluid low;surface fluctuation:particle image velocimetry 铸坯表面缺陷的形成很大程度上与结晶器液面 的水模型液体流动状态均已处在第二自模化区，即 波动密切相关，液面波动程度取决于结晶器内钢水 模型与原型中的R不相等也能保证速度分布相似， 流动模式.连铸结晶器内的钢液流动是一个复杂的 故只要保证弗罗德数F相等即可.图1为结晶器 三维湍流流动，Gupta等O、Najjar等回以及Cal- 水模拟实验装置示意图，包括中间包（水箱）、浸入 deron-Ramos等同对此研究较早，认为浸入式水口 式水口和结晶器等，其中原型SEN水口倾角为向下 (SEN)的内部结构、插入深度以及与结晶器对中情 15°，底部结构为尖底，浸入深度135mm.为了分析 况直接影响结晶内钢流分布，进而影响自由液面波 不同水口倾角、底部结构以及浸入深度对结晶器流 动和液面卷渣.Peixoto等发现SEN附近出现卡 场的影响规律，设计全因素对比试验，如表1所示： 门漩涡，且漩涡数量与强度与SEN的出口数量与出 其中0为某厂现用浸入式水口条件；0、A1、A2和 口结构有关.李宝宽等可和刘中秋等6则认为由 A3的变量为水口倾角；0和S1的变量为底部结构： 于结晶器内湍流分布的不对称，偏流必然产生，同时 0和D1、D2和D3的变量为浸入深度.水模型与原 导致弯月面较强的波动.Gutierrez-Montiel等回、 型具体参数如表2所示 Jeon等o的研究表明当拉速一定时，将进入结晶器 的钢液进行分流，能够充分发挥结晶器上回旋区的 水箱 缓冲作用，获得稳定的弯月面，对减弱自由液面波动 波高仪 的效果明显.但如果液面波动过弱，说明上辊流束 弱，保护渣熔化条件恶化，对结晶器传热和润滑不 利，也会对连铸操作的顺行和铸坯质量产生严重影 响W.Teshima等园提出了液面波动指数(F数)， 并认为当F数在3~5时铸坯表面缺陷率最低.然 浸人式水口 而，F数的计算需获得精确的流速、冲击深度和冲击 角度等参数.任磊等、Lee等使用粒子图像测 速法(particle image velocimetry,PIV)对板坯连铸结 晶器内钢液流动状态进行监测，获得了精确的流速 与流动形态 本文以国内某钢厂板坯连铸结晶器为原型，根 图1水模型试验装置示意图 据相似性原理建立相似比为0.6的水模型，利用 Fig.1 Schematic of physical mold model PIV技术对比不同SEN出口倾角、浸入深度和底部 结构条件下结晶器内的流场流速，同时对液面波动 表1试验用浸入式水口类型 Table 1 Types of SEN for experiments 振幅进行监测，结合F数分析各SEN条件对结晶器 内钢液流动特征，包括射流的冲击深度、冲击角度、 编号 底部结构 水口倾角/()浸入深度/mm 窄面冲击强度、弯月面稳定性、自由液面漩涡等的影 0 尖 15 135 响规律. 尖 10 135 A2 尖 20 135 1试验 A3 尖 25 135 1.1物理模拟试验方法 S1 西 15 135 本试验建立的水模型按照某厂目前的结晶器原 DI 尖 15 125 型，选取几何相似比0.6进行相关试验.根据相似 D2 尖 15 145 原理，对于不可压缩粘性流体的稳定等温流动，应保 D3 15 155 证模型与原型中的雷诺数Re和弗罗德数Fr相等 在本试验中：结晶器内钢液流动的Re=(1.4~ 1.2PIV粒子测速系统及F数计算 2.81)×104>(103~104):水模型中Re=(1.33~ PIV(particle image velocimetry),又称粒子图像 2.67)×10>（103~10),因此实际结晶器和所选 测速法，其原理为在流场中散播示踪粒子，用脉冲激工程科学学报，第 40 卷，第 6 期 KEY WOＲDS mold; submerged entry nozzle; fluid low; surface fluctuation; particle image velocimetry 铸坯表面缺陷的形成很大程度上与结晶器液面 波动密切相关，液面波动程度取决于结晶器内钢水 流动模式． 连铸结晶器内的钢液流动是一个复杂的 三维 湍 流 流 动，Gupta 等［1］、Najjar 等［2］ 以及 Cal￾deron-Ｒamos 等［3］对此研究较早，认为浸入式水口 ( SEN) 的内部结构、插入深度以及与结晶器对中情 况直接影响结晶内钢流分布，进而影响自由液面波 动和液面卷渣． Peixoto 等［4］发现 SEN 附近出现卡 门漩涡，且漩涡数量与强度与 SEN 的出口数量与出 口结构有关． 李宝宽等［5］和刘中秋等［6--8］则认为由 于结晶器内湍流分布的不对称，偏流必然产生，同时 导致 弯 月 面 较 强 的 波 动． Gutierrez-Montiel 等［9］、 Jeon 等［10］的研究表明当拉速一定时，将进入结晶器 的钢液进行分流，能够充分发挥结晶器上回旋区的 缓冲作用，获得稳定的弯月面，对减弱自由液面波动 的效果明显． 但如果液面波动过弱，说明上辊流束 弱，保护渣熔化条件恶化，对结晶器传热和润滑不 利，也会对连铸操作的顺行和铸坯质量产生严重影 响［11］． Teshima 等［12］提出了液面波动指数( F 数) ， 并认为当 F 数在 3 ～ 5 时铸坯表面缺陷率最低． 然 而，F 数的计算需获得精确的流速、冲击深度和冲击 角度等参数． 任磊等［13］、Lee 等［14］使用粒子图像测 速法( particle image velocimetry，PIV) 对板坯连铸结 晶器内钢液流动状态进行监测，获得了精确的流速 与流动形态． 本文以国内某钢厂板坯连铸结晶器为原型，根 据相似性原理建立相似比为 0. 6 的水模型，利用 PIV 技术对比不同 SEN 出口倾角、浸入深度和底部 结构条件下结晶器内的流场流速，同时对液面波动 振幅进行监测，结合 F 数分析各 SEN 条件对结晶器 内钢液流动特征，包括射流的冲击深度、冲击角度、 窄面冲击强度、弯月面稳定性、自由液面漩涡等的影 响规律． 1 试验 1. 1 物理模拟试验方法 本试验建立的水模型按照某厂目前的结晶器原 型，选取几何相似比 0. 6 进行相关试验． 根据相似 原理，对于不可压缩粘性流体的稳定等温流动，应保 证模型与原型中的雷诺数 Ｒe 和弗罗德数 Fr 相等． 在本试 验 中: 结晶器内钢液流动的 Ｒe = ( 1. 4 ～ 2. 81) × 104 ＞ ( 103 ～ 104 ) ; 水模型中 Ｒe = ( 1. 33 ～ 2. 67) × 104 ＞ ( 103 ～ 104 ) ，因此实际结晶器和所选 的水模型液体流动状态均已处在第二自模化区，即 模型与原型中的 Ｒe 不相等也能保证速度分布相似， 故只要保证弗罗德数 Fr 相等即可． 图 1 为结晶器 水模拟实验装置示意图，包括中间包( 水箱) 、浸入 式水口和结晶器等，其中原型 SEN 水口倾角为向下 15°，底部结构为尖底，浸入深度 135 mm． 为了分析 不同水口倾角、底部结构以及浸入深度对结晶器流 场的影响规律，设计全因素对比试验，如表 1 所示: 其中 O 为某厂现用浸入式水口条件; O、A1、A2 和 A3 的变量为水口倾角; O 和 S1 的变量为底部结构; O 和 D1、D2 和 D3 的变量为浸入深度． 水模型与原 型具体参数如表 2 所示． 图 1 水模型试验装置示意图 Fig． 1 Schematic of physical mold model 表 1 试验用浸入式水口类型 Table 1 Types of SEN for experiments 编号 底部结构 水口倾角/( °) 浸入深度/mm O 尖 15 135 A1 尖 10 135 A2 尖 20 135 A3 尖 25 135 S1 凹 15 135 D1 尖 15 125 D2 尖 15 145 D3 尖 15 155 1. 2 PIV 粒子测速系统及 F 数计算 PIV( particle image velocimetry) ，又称粒子图像 测速法，其原理为在流场中散播示踪粒子，用脉冲激 · 896 ·