·204· 工程科学学报，第41卷，第2期 0 0.58 058 0.58 9 液相分率 021 0.80 0.4- 0.75 0.70 0.5 0.5 0.65 液相线 0.60 0.6 息06- 等温线 号0.59- 号0.591 号0.59 0.55 050 0 0.7 0.45 0.8 08 0.9 周相线 等温线 0.9 固相线 等润线 0.20 1.0- 1.0- 0.15 0.10 1.1- 0.05 1.2 0.60 0.60- 0.60 01001 1.2 -0.100.1 0.1230.1260.129 0.1230.1260.129 0.1230.1260.129 Yim Y/m Yim Y/m Y/m (a) b (e) 图3不同糊状区系数下结品器宽面中心对称面上的糊状区示意图.(a)1×10kg·m3·s1:(b)1×10°kg·m3·s1:(c)1×10?kg m-3.s-1;(d)1x108 kg.m-3.s-1;(e)5x10 kg.m-3.s-1 Fig.3 Diagrams of mushy zone on central symmetry plane of strand under different cases:(a)1 x 105 kg'm3.s;(b)1x106 kgm3.s; (c)1x107 kg-m-3.s-1;(d)1x108 kg.m-3.s-1;(e)5x108 kg.m-3.s-1 窄的趋势：对于方案C、D和E,糊状区宽度分别约 所示.图8给出了采用不同糊状区系数时，自由液 为8、5和4.5mm.同时，图5给出了结晶器出口处 面处的钢液温度在宽面中心线上的分布情况，为使 液相分率在宽面中心线上的变化曲线.由图可知， 数据清晰直观，去掉了凝固坯壳附近温度过低的节 随着糊状区系数的增大，同一位置处的液相分率增 点.由图可知，自由液面处的钢液温度随着糊状区 加，说明凝固变迟缓.其中，方案A液相分率大部分 系数的增加而提高.其中，仅有方案D与方案E,钢 低于1，说明糊状区占较大比例：而其余方案除靠近 液在自由液面处有一定的过热度：对于方案A、B和 铸坯边部外，液相分率都为1，也就是说结晶器中间 C,液面温度均低于液相线温度，与实际不符.此外， 绝大部分为纯液相.综上，采用过小的糊状区系数 当糊状区系数为1×103kg·m3·s1时，自由液面处 会不切实际地加快钢液在结晶器范围内的冷却速 的钢液过冷度约为7K,反映了小的糊状区系数会导 率，且扩大糊状区范围. 致结晶器上部区域钢液冷却速率过快 图6为不同糊状系数下结品器中心线上的钢液 图9给出了采用不同的糊状区系数时，铸坯宽 温度沿拉坯方向的分布，反映了糊状区系数对钢液 面中心处的坯壳厚度沿拉坯方向的变化情况，其中 过热耗散的影响.从图中可以看出，随着糊状区系 以液相分率0.3处作为凝固前沿.从图中可以看 数的增加，同一位置处的钢液温度变高，说明糊状区 出，在自由液面至其下约0.6m范围，糊状区系数越 系数越小，钢液冷却越快.其中，当糊状区系数为1 小，凝固坯壳越厚.这是由于采用较小的糊状区系 ×10kg·m3·s-1时，钢液过热在结晶器出口处已 数时，结晶器上部区域的钢液冷却过快，加速了初生 经完全耗散，出结晶器后将没有液相存在：对于方案 坯壳的凝固.然而，距自由液面0.6m以下，凝固坯 B、C、D和E,结晶器出口处钢液仍有一定的过热 壳厚度随着糊状区系数的增大而增加.这是因为采 度，分别为3.70、9.41、11.00和11.53K. 用大的糊状区系数时，凝固前沿的速度梯度比较大， 图7显示了采用不同糊状区系数时，宽面中心 在液相凝固时钢液的速度快速变为拉速：而糊状区 弯月面处的钢液流线图与液相分率分布.从图中可 系数较小时，钢液速度在凝固前沿下降变慢，加强了 以看出，对于方案A与方案B,钢液在弯月面区域没 对凝固坯壳的冲刷，如图10所示：其中当糊状区系 有形成上循环区，这是由于弯月面附近处于糊状区， 数为1×10kgm3·s时，凝固坯壳出现了重熔现 钢液流动不够活跃；当糊状区系数增加到1×10'kg 象，与王强强[]得出的结果相符.图10显示了糊 ·m3·s1后，弯月面附近完全为液相，形成了清晰 状区系数分别为1×105kgm-3s1与5×108kg· 的上循环区.也就是说，随着糊状区系数的增加，钢 m3s'时，宽面中心上钢液主循环区处的钢液流 液在弯月面处的流动更加活跃.钢液在弯月面处的 线图与液相分率分布.从图中可以看出，当糊状区 流动形态会直接影响弯月面处的温度分布，如图8 系数为5×103kgm-3s时，凝固坯壳厚度随着距工程科学学报,第 41 卷,第 2 期 图 3 不同糊状区系数下结晶器宽面中心对称面上的糊状区示意图 郾 (a) 1 伊 10 5 kg·m - 3·s - 1 ; (b) 1 伊 10 6 kg·m - 3·s - 1 ; ( c) 1 伊 10 7 kg· m - 3·s - 1 ; (d) 1 伊 10 8 kg·m - 3·s - 1 ; (e) 5 伊 10 8 kg·m - 3·s - 1 Fig. 3 Diagrams of mushy zone on central symmetry plane of strand under different cases: (a) 1 伊 10 5 kg·m - 3·s - 1 ; ( b) 1 伊 10 6 kg·m - 3·s - 1 ; (c) 1 伊 10 7 kg·m - 3·s - 1 ; (d) 1 伊 10 8 kg·m - 3·s - 1 ; (e) 5 伊 10 8 kg·m - 3·s - 1 窄的趋势;对于方案 C、D 和 E,糊状区宽度分别约 为 8、5 和 4郾 5 mm. 同时,图 5 给出了结晶器出口处 液相分率在宽面中心线上的变化曲线. 由图可知, 随着糊状区系数的增大,同一位置处的液相分率增 加,说明凝固变迟缓. 其中,方案 A 液相分率大部分 低于 1,说明糊状区占较大比例;而其余方案除靠近 铸坯边部外,液相分率都为 1,也就是说结晶器中间 绝大部分为纯液相. 综上,采用过小的糊状区系数 会不切实际地加快钢液在结晶器范围内的冷却速 率,且扩大糊状区范围. 图 6 为不同糊状系数下结晶器中心线上的钢液 温度沿拉坯方向的分布,反映了糊状区系数对钢液 过热耗散的影响. 从图中可以看出,随着糊状区系 数的增加,同一位置处的钢液温度变高,说明糊状区 系数越小,钢液冷却越快. 其中,当糊状区系数为 1 伊 10 5 kg·m - 3·s - 1时,钢液过热在结晶器出口处已 经完全耗散,出结晶器后将没有液相存在;对于方案 B、C、D 和 E,结晶器出口处钢液仍有一定的过热 度,分别为 3郾 70、9郾 41、11郾 00 和 11郾 53 K. 图 7 显示了采用不同糊状区系数时,宽面中心 弯月面处的钢液流线图与液相分率分布. 从图中可 以看出,对于方案 A 与方案 B,钢液在弯月面区域没 有形成上循环区,这是由于弯月面附近处于糊状区, 钢液流动不够活跃;当糊状区系数增加到 1 伊 10 7 kg ·m - 3·s - 1 后,弯月面附近完全为液相,形成了清晰 的上循环区. 也就是说,随着糊状区系数的增加,钢 液在弯月面处的流动更加活跃. 钢液在弯月面处的 流动形态会直接影响弯月面处的温度分布,如图 8 所示. 图 8 给出了采用不同糊状区系数时,自由液 面处的钢液温度在宽面中心线上的分布情况,为使 数据清晰直观,去掉了凝固坯壳附近温度过低的节 点. 由图可知,自由液面处的钢液温度随着糊状区 系数的增加而提高. 其中,仅有方案 D 与方案 E,钢 液在自由液面处有一定的过热度;对于方案 A、B 和 C,液面温度均低于液相线温度,与实际不符. 此外, 当糊状区系数为 1 伊 10 5 kg·m - 3·s - 1时,自由液面处 的钢液过冷度约为 7 K,反映了小的糊状区系数会导 致结晶器上部区域钢液冷却速率过快. 图 9 给出了采用不同的糊状区系数时,铸坯宽 面中心处的坯壳厚度沿拉坯方向的变化情况,其中 以液相分率 0郾 3 处作为凝固前沿. 从图中可以看 出,在自由液面至其下约 0郾 6 m 范围,糊状区系数越 小,凝固坯壳越厚. 这是由于采用较小的糊状区系 数时,结晶器上部区域的钢液冷却过快,加速了初生 坯壳的凝固. 然而,距自由液面 0郾 6 m 以下,凝固坯 壳厚度随着糊状区系数的增大而增加. 这是因为采 用大的糊状区系数时,凝固前沿的速度梯度比较大, 在液相凝固时钢液的速度快速变为拉速;而糊状区 系数较小时,钢液速度在凝固前沿下降变慢,加强了 对凝固坯壳的冲刷,如图 10 所示;其中当糊状区系 数为 1 伊 10 5 kg·m - 3·s - 1时,凝固坯壳出现了重熔现 象,与王强强[17] 得出的结果相符. 图 10 显示了糊 状区系数分别为 1 伊 10 5 kg·m - 3·s - 1与 5 伊 10 8 kg· m - 3·s - 1时,宽面中心上钢液主循环区处的钢液流 线图与液相分率分布. 从图中可以看出,当糊状区 系数为 5 伊 10 8 kg·m - 3·s - 1时,凝固坯壳厚度随着距 ·204·