工程科学学报.第43卷，第7期：925-934.2021年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.7:925-934,July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.001;http://cje.ustb.edu.cn 浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂 物运动行为的影响 华承健)，王敏四，张孟昀，郑瑞轩2)，包燕平) 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学冶金与生态工程学院.北京100083 ☒通信作者，E-mail:wangmin(@ustb.edu.cn 摘要铝镇静钢液浇注过程中，浸入式水口耐材内壁特征受到钢液侵蚀和夹杂物聚集影响，从近光滑壁面逐渐向多孔耐火 材料壁面和含结瘤物的粗糙结瘤壁面转变，壁面形貌的变化影响边界层流场结构和氧化铝夹杂物的输运.采用物理模拟的 方法在浸入式水口模型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物耐材壁面结构，结合粒子图像测速技术研究不同特征壁面附 近流场边界层.使用MATLAB耦合流场测速结果和氧化铝夹杂物运动数学模型，研究了不同特征壁面的流场边界层中氧化 铝夹杂物的运动轨迹.使用象限分析法确定了浸入式水口边界层流场存在上抛和下扫事件.氧化铝夹杂物位于下扫事件区 域时，朝向壁面运动，粒径为1m的氧化铝夹杂物在下扫事件中运动轨迹更接近壁面，增加了沉积的可能性：氧化铝夹杂物 位于上抛事件区域时，远离璧面运动.多孔耐火材料壁面和结瘤壁面边界层内氧化铝夹杂物运动幅度大于光滑壁面边界层 流场内氧化铝夹杂物运动幅度.壁面状态由近光滑壁面转变为多孔耐火材料和结瘤壁面时，流场边界层中下扫事件平面占 比由10.17%增加到39.77%，上抛事件平面占比由32.96%减小到9.24%：同时，流场边界层中下扫事件发生的概率由 25.83%增加到2824%，这将加速氧化铝夹杂物在多孔耐火材料和结瘤壁面的沉积进程. 关键词浸入式水口结瘤：粒子图像测速：边界层：上抛事件；下扫事件：夹杂物运动轨迹 分类号0357.4 Effect of submerged entry nozzle wall surface morphologies on boundary layer structure and alumina inclusions transport HUA Cheng-jian,WANG Min,ZHANG Meng-yun.ZHENG Rui-xuan.BAO Yan-ping 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wangmin@ustb.edu.cn ABSTRACT During the Al-killed steel continuous casting process,the molten steel corrosion and the accumulation of alumina inclusion deposits affect the submerged entry nozzle(SEN)wall surface,including the surface morphologies of the smooth wall,porous refractory wall,and clogged wall.The SEN wall surface morphology affects the boundary layer structure and alumina inclusions transport.In this study,a physical modeling method was adopted,and the surface morphologies simulation was realized by filling up the natural porous refractory material and inserting the real clog material in the polymethyl methacrylate SEN model.The velocity in the boundary layer was measured using the particle image velocimetry (PIV)technology,and the alumina inclusions transport path in the boundary layer was calculated by MATLAB software.The MATLAB codes combined the velocity data from the PIV measurement results and the inclusion transport equation.The four-quadrant analysis showed that sweep and ejection events existed in the boundary 收稿日期：2020-05-05 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51774031)：钢铁治金新技术国家重点实验室基金资助项目(41619018)：内蒙古自治区科技成果转 化下划资金项目(NM2019BTO01)浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂 物运动行为的影响 华承健1)，王    敏1) 苣，张孟昀1)，郑瑞轩2)，包燕平1) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083    2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 苣通信作者，E-mail：wangmin@ustb.edu.cn 摘    要    铝镇静钢液浇注过程中，浸入式水口耐材内壁特征受到钢液侵蚀和夹杂物聚集影响，从近光滑壁面逐渐向多孔耐火 材料壁面和含结瘤物的粗糙结瘤壁面转变，壁面形貌的变化影响边界层流场结构和氧化铝夹杂物的输运. 采用物理模拟的 方法在浸入式水口模型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物耐材壁面结构，结合粒子图像测速技术研究不同特征壁面附 近流场边界层. 使用 MATLAB 耦合流场测速结果和氧化铝夹杂物运动数学模型，研究了不同特征壁面的流场边界层中氧化 铝夹杂物的运动轨迹. 使用象限分析法确定了浸入式水口边界层流场存在上抛和下扫事件. 氧化铝夹杂物位于下扫事件区 域时，朝向壁面运动，粒径为 1 μm 的氧化铝夹杂物在下扫事件中运动轨迹更接近壁面，增加了沉积的可能性；氧化铝夹杂物 位于上抛事件区域时，远离壁面运动. 多孔耐火材料壁面和结瘤壁面边界层内氧化铝夹杂物运动幅度大于光滑壁面边界层 流场内氧化铝夹杂物运动幅度. 壁面状态由近光滑壁面转变为多孔耐火材料和结瘤壁面时，流场边界层中下扫事件平面占 比由 10.17% 增加到 39.77%，上抛事件平面占比由 32.96% 减小到 9.24%；同时 ，流场边界层中下扫事件发生的概率由 25.83% 增加到 28.24%，这将加速氧化铝夹杂物在多孔耐火材料和结瘤壁面的沉积进程. 关键词    浸入式水口结瘤；粒子图像测速；边界层；上抛事件；下扫事件；夹杂物运动轨迹 分类号    O357.4 Effect  of  submerged  entry  nozzle  wall  surface  morphologies  on  boundary  layer structure and alumina inclusions transport HUA Cheng-jian1) ，WANG Min1) 苣 ，ZHANG Meng-yun1) ，ZHENG Rui-xuan2) ，BAO Yan-ping1) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: wangmin@ustb.edu.cn ABSTRACT    During  the  Al-killed  steel  continuous  casting  process,  the  molten  steel  corrosion  and  the  accumulation  of  alumina inclusion deposits affect the submerged entry nozzle (SEN) wall surface, including the surface morphologies of the smooth wall, porous refractory  wall,  and  clogged  wall.  The  SEN  wall  surface  morphology  affects  the  boundary  layer  structure  and  alumina  inclusions transport. In this study, a physical modeling method was adopted, and the surface morphologies simulation was realized by filling up the natural porous refractory material and inserting the real clog material in the polymethyl methacrylate SEN model. The velocity in the boundary layer was measured using the particle image velocimetry (PIV) technology, and the alumina inclusions transport path in the boundary  layer  was  calculated  by  MATLAB  software.  The  MATLAB  codes  combined  the  velocity  data  from  the  PIV  measurement results and the inclusion transport equation. The four-quadrant analysis showed that sweep and ejection events existed in the boundary 收稿日期: 2020−05−05 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51774031）；钢铁冶金新技术国家重点实验室基金资助项目（41619018）；内蒙古自治区科技成果转 化下划资金项目（NM2019BT001） 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期：925−934，2021 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 7: 925−934, July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.001; http://cje.ustb.edu.cn