。768 北京科技大学学报 第31卷 分居在水口两侧，涡心部位具有的能量较低，一小部 滴的几率达最大值.所以，结晶器内液渣的捕获程 分沿结晶器窄面上升的液渣滴在运动过程中被“吸” 度最大的时间在MDD高潮后1~2s;液面进入稳态 入涡心，并随涡心流股一起旋转，如图8()中4：向 后，渣滴卷入停止，卷入结晶器内的渣滴逐渐上浮去 上运动的渣滴到达液面后一部分被液面渣层吸附， 除，铸坯对液渣的捕获率开始降低. 如图8(a)中6，另一部分继续随主流股进行下一轮 的运动，如图8()中7.此过程中，液态渣滴运动主 要集中在结晶器内水口主流股的上部和结晶器窄面 附近，很少有液渣运动到达水口底端下部的I区. (a) 液面失稳态结束后，液面恢复平静，液面卷渣基 本停止，结晶器内液渣滴的运动特征如图8(b)所 Tis 示.此时，流股的冲击深度很深，窄面附近的上回流 (b) 股很弱，残留在结晶器上半部的渣滴在向上流股和 浮力的作用下，开始逐渐上浮去除（如图8(b)中2）， 012.54.5 Tis 被图8(a)中下回流带入结晶器底部的较少量渣滴 图9液渣捕获示意图.(a)某MDD周期内表面流速变化：(b) 随下流股向水口中心线方向聚集并上升（如图8(b) 对应周期内液渣的捕获 中3)，一部分随流股下侧漩涡运动（如图8(b)中 Fig.9 Schematic of slag-capturing (a)su face velocity in an M DD 6,一部分向水口底端运动，过程中遇到主流股又将 period;(b)slag-capturing corresponding to the period 被带回，只有很少渣滴可以随中心上升流运动到液 2.5铸坯中的大型夹杂物 面A处去除（如8(b)中5）.由此可见，在图8(a)过 珠江钢铁公司利用电炉一CSP流程生产普板 程中被带入结晶器底部的渣滴很难上浮到液面 ZJ330B.铸坯宽度1200mm,厚度56mm,拉速 去除. 5.0mmin1,采用双侧孔水口浇铸.生产稳态时. 2.4液渣滴的捕获 取铸坯样利用大样电解手段进行大型夹杂物分析. 由以上研究可知，液渣在结晶器内的运动可分 以上研究可知，拉速5.0m°mim时，MDD平 成两部分：图8()表示保护渣的卷入及失稳态时运 均周期约21.5s,一个MDD周期内生产的铸坯长度 动：图8(b)表示液面稳定态时保护渣的上浮运动. 约1.8m.在铸坯宽度的1/4处、拉坯方向间隔 液渣滴在运动过程中被凝固前沿所捕获，才会真正 1000mm的位置取三个电解试样，依次为1”、2和 进入铸坯内.分析一个周期内的保护渣被凝固坯壳 3.试样电解每10kg出夹杂物量分别为3.33， 捕获趋势如图9，假设液面开始发生卷渣行为的时 19.4,6.1mg,平均9.61mg.夹杂多为球型或者类 刻为0.图8(a)中液渣滴由1到2过程，渣滴大，较 球型，能谱分析可知其主要来源于液面卷渣：1#、2# 密集，与结晶器宽面的接触面积很小，甚至接触不到 和3位置大型夹杂物数量分布差距较大：1”处电 宽面，再加上此处结晶器由于漏斗形结构相对较厚， 解出最大的夹杂物尺寸约350m,2处所得最大夹 所以这个过程液渣滴很少与结晶器壁接触.根据实 杂物尺寸约500严m,3处电解出最大的夹杂物尺寸 验观察及数值模拟计算可知，常规拉速下(4.2~ 约380m.以上实验结果也可以由双侧孔水口下 5.0mmim-)、水口浸入深度250mm时，被卷入的 CS结晶器内卷渣的瞬态特征解释：液面失稳态时， 液渣滴由1到2过程时间约为1s,因此从液面卷渣 卷渣剧烈，卷入渣滴大，未来得及上浮的大渣滴被凝 开始到1s之间结晶器内液渣滴很少被捕获，如图9 固前沿捕获形成大直径的夹杂物：液面稳态时，液面 中0~1s:被卷入的液渣滴遇到水口主流股后经约 基本不会发生卷渣，且尺寸较大夹杂物多数己经上 1s随流股运动到达结晶器窄面，此过程中大的液渣 浮，因此这时形成的铸坯内夹杂物少，粒径相对 滴被流股破碎成细小渣滴并迅速扩散，与结晶器铸 较小 坯凝固前沿的接触面积迅速增加（尤其是与结晶器 3结论 宽面凝固前沿的接触面积增加更显著)，被凝固坯壳 捕获的几率迅速增大：液面失稳高潮时液渣滴的卷 (I)由于双侧孔水口下CSP结晶器内液面的动 入速度最大，但MDD高潮卷入的渣滴运动到 态失稳现象，导致其液面卷渣呈周期性；常规拉速 图8(a)位置2以后，结晶器主流股上半部分流场内 下，液面稳定态时基本不会发生卷渣：液面失稳态时 渣滴的扩散密度达最大值，此时铸坯捕获保护渣液 会发生连续剪切卷渣，且此时在水口附近易出现卷分居在水口两侧, 涡心部位具有的能量较低, 一小部 分沿结晶器窄面上升的液渣滴在运动过程中被“吸” 入涡心, 并随涡心流股一起旋转, 如图 8( a) 中 4 ;向 上运动的渣滴到达液面后一部分被液面渣层吸附, 如图 8( a) 中 6, 另一部分继续随主流股进行下一轮 的运动, 如图 8( a) 中 7 .此过程中, 液态渣滴运动主 要集中在结晶器内水口主流股的上部和结晶器窄面 附近, 很少有液渣运动到达水口底端下部的Ⅰ区. 液面失稳态结束后, 液面恢复平静, 液面卷渣基 本停止, 结晶器内液渣滴的运动特征如图 8( b) 所 示.此时, 流股的冲击深度很深, 窄面附近的上回流 股很弱, 残留在结晶器上半部的渣滴在向上流股和 浮力的作用下, 开始逐渐上浮去除( 如图 8( b) 中 2) , 被图 8( a) 中下回流带入结晶器底部的较少量渣滴 随下流股向水口中心线方向聚集并上升( 如图 8( b) 中3) , 一部分随流股下侧漩涡运动( 如图 8 ( b) 中 6) , 一部分向水口底端运动, 过程中遇到主流股又将 被带回, 只有很少渣滴可以随中心上升流运动到液 面A 处去除( 如 8( b) 中 5) .由此可见, 在图 8( a) 过 程中被带入结晶器底部的渣滴很难上浮到液面 去除 . 2.4 液渣滴的捕获 由以上研究可知, 液渣在结晶器内的运动可分 成两部分:图 8( a) 表示保护渣的卷入及失稳态时运 动;图 8( b) 表示液面稳定态时保护渣的上浮运动 . 液渣滴在运动过程中被凝固前沿所捕获, 才会真正 进入铸坯内.分析一个周期内的保护渣被凝固坯壳 捕获趋势如图 9, 假设液面开始发生卷渣行为的时 刻为 0 .图 8( a) 中液渣滴由 1 到 2 过程, 渣滴大, 较 密集, 与结晶器宽面的接触面积很小, 甚至接触不到 宽面, 再加上此处结晶器由于漏斗形结构相对较厚, 所以这个过程液渣滴很少与结晶器壁接触.根据实 验观察及数值模拟计算可知, 常规拉速下( 4.2 ～ 5.0 m·min -1 ) 、水口浸入深度 250 mm 时, 被卷入的 液渣滴由 1 到 2 过程时间约为 1 s, 因此从液面卷渣 开始到 1 s 之间结晶器内液渣滴很少被捕获, 如图 9 中 0 ～ 1 s ;被卷入的液渣滴遇到水口主流股后经约 1 s随流股运动到达结晶器窄面, 此过程中大的液渣 滴被流股破碎成细小渣滴并迅速扩散, 与结晶器铸 坯凝固前沿的接触面积迅速增加( 尤其是与结晶器 宽面凝固前沿的接触面积增加更显著) , 被凝固坯壳 捕获的几率迅速增大;液面失稳高潮时液渣滴的卷 入速 度最大, 但 M DD 高潮卷 入的渣 滴运动 到 图 8( a) 位置 2 以后, 结晶器主流股上半部分流场内 渣滴的扩散密度达最大值, 此时铸坯捕获保护渣液 滴的几率达最大值 .所以, 结晶器内液渣的捕获程 度最大的时间在 MDD 高潮后 1 ～ 2 s ;液面进入稳态 后, 渣滴卷入停止, 卷入结晶器内的渣滴逐渐上浮去 除, 铸坯对液渣的捕获率开始降低. 图 9 液渣捕获示意图.( a) 某 MDD 周期内表面流速变化;( b) 对应周期内液渣的捕获 Fig.9 S chematic of slag-capturing:( a) su rf ace velocity in an M DD period;( b) slag-capturing corresponding to the period 2.5 铸坯中的大型夹杂物 珠江钢铁公司利用电炉-CSP 流程生产普板 ZJ330B, 铸坯 宽度 1 200 mm, 厚度 56 mm, 拉速 5.0 m·min -1 , 采用双侧孔水口浇铸.生产稳态时, 取铸坯样利用大样电解手段进行大型夹杂物分析. 以上研究可知, 拉速 5.0 m·min -1时, M DD 平 均周期约 21.5 s, 一个 MDD 周期内生产的铸坯长度 约 1.8 m .在铸坯宽度的 1/4 处 、拉坯方向间隔 1 000 mm的位置取三个电解试样, 依次为 1 # 、2 #和 3 # .试样电解每 10 kg 出夹杂物量分别为 3.33, 19.4, 6.1 mg , 平均 9.61 mg .夹杂多为球型或者类 球型, 能谱分析可知其主要来源于液面卷渣 ;1 # 、2 # 和 3 #位置大型夹杂物数量分布差距较大 ;1 #处电 解出最大的夹杂物尺寸约 350 μm, 2 #处所得最大夹 杂物尺寸约 500μm, 3 #处电解出最大的夹杂物尺寸 约 380 μm .以上实验结果也可以由双侧孔水口下 CSP 结晶器内卷渣的瞬态特征解释:液面失稳态时, 卷渣剧烈, 卷入渣滴大, 未来得及上浮的大渣滴被凝 固前沿捕获形成大直径的夹杂物 ;液面稳态时, 液面 基本不会发生卷渣, 且尺寸较大夹杂物多数已经上 浮, 因此这时形成的铸坯内夹杂物少, 粒径相对 较小. 3 结论 ( 1) 由于双侧孔水口下 CSP 结晶器内液面的动 态失稳现象, 导致其液面卷渣呈周期性 ;常规拉速 下, 液面稳定态时基本不会发生卷渣 ;液面失稳态时 会发生连续剪切卷渣, 且此时在水口附近易出现卷 · 768 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷