·346· 工程科学学报，第38卷，第3期 后钢水中大尺寸夹杂物数量很少，但仍会残留少量大 力和浮力的作用从湍流区进入到凝固前沿的边界层区 尺寸夹杂物.浇注过程中受二次氧化的影响，簇群状 域，夹杂物在边界层的受力决定了此处夹杂物的运动 氧化铝夹杂物的数量增多，并且不断碰撞长大，从而形 行为，而夹杂物在凝固前沿的运动又会影响到夹杂物 成此类大尺寸夹杂物.此外，在浇注过程中，残余的 被凝固坯壳的推动/捕获.Miyake等圆在考虑钢液流 氧化铝夹杂不断地在浸入式水口堆积，在水口表面堆 动的情况下计算出结晶器中浓度边界层的大小.一般 积的簇群状氧化铝夹杂物受到强烈的钢液湍流剪切力 条件下，浓度边界层的厚度约为20μm:在使用电磁搅 的作用，周期性地从水口表面脱落，而进入到结晶器 拌(M-EMS)的情况下，钢液流速变大，此时浓度边界 中四.这些大尺寸的簇群状氧化铝夹杂物进入到结 层的厚度约为l0um.Toh等研究发现钢液流速也 晶器后很容易上浮去除，但是也容易被钩状坯壳捕获 会影响到速度边界层的厚度，一般情况下速度边界层 进而在铸坯表层聚集 的厚度为3mm,当钢液流速较大时速度边界层的厚度 文献D2]报道，危害深冲冷轧薄板表面质量的夹 将减小到1mm.Lee等计算发现，结晶器中温度边 杂物主要处于铸坯皮下10~20mm以内，也就是说铸 界层的厚度约为速度边界层的2倍.因此，到达凝固 坯皮下20mm以内的大尺寸夹杂物都有可能造成低碳 前沿的夹杂物首先由湍流区进入到凝固前沿的温度边 铝镇静钢深冲冷轧板的表面缺陷，但是受钩状坯壳的 界层，之后依次进入到速度边界层和浓度边界层，如图 影响，大尺寸夹杂物主要在位于铸坯表层附近网.当 l1所示.图中F,为夹杂物所受的温度Marangoni力， 拉速为l.8m'min时，钩状坯壳的深度和长度较大， F,为夹杂物所受的Saffman力，Fe为夹杂物所受的浓 所以很容易捕获到大于300um的夹杂物：而当拉速大 度Marangoni力. 于2m'min后，钩状坯壳变得不是很发达，因此在铸 坯表层没有发现尺寸在200μm以上的夹杂物.研究 发现，图9所示的大尺寸夹杂物的位置和钩状坯壳的 夹杂物 位置有很好的对应关系，这进一步证明Awajiya、Deng 等-0的研究结果 2.4凝固前沿夹杂物的受力情况 图10是铸坯拉速与表层夹杂物数量密度的关系. 除拉速为2.3m"minl的铸坯外，随着拉速的增加，铸 坯表层夹杂物的数量呈线性减小的趋势.由于钩状坯 壳只对捕获大于200m的夹杂物作用明显，因此这些 小于200um的夹杂物的数量密度是受凝固坯壳捕获 夹杂物的能力所决定的，而凝固坯壳对夹杂物的捕获 是由凝固前沿夹杂物的受力情况所决定 04 03 农度速度 温度 边界尽边界层边界层 图11凝固前沿夹杂物捕获的示意图 Fig.11 Schematic illustration of inclusion entrapment at the solidi- fied front 文献6-18]报道，凝固前沿的浓度梯度和温度 梯度均会引起表面张力的变化，此时处于边界层的夹 171.8 1.9 2.02.1222.3 2.4252.6 杂物会受到由表面张力梯度所引起的Marangoni力. 拉速(m·m) 此外，处于速度边界层的夹杂物还会受到由速度梯度 图10拉速与夹杂物数量密度的关系 所引起的Safman力s.1-0.图12为夹杂物在凝固前 Fig.10 Relationship between casting speed and inclusion number 沿的受力示意图.相对于竖直方向上的浮力来说，水 density 平方向上的Marangoni力和Saffman力会直接影响到夹 在结晶器凝固界面的前沿同时存在着浓度边界 杂物的捕获行为. 层、速度边界层和温度边界层，夹杂物或气泡受流股推 为了定量地分析夹杂物在凝固前沿所受的Ma-工程科学学报，第 38 卷，第 3 期 后钢水中大尺寸夹杂物数量很少，但仍会残留少量大 尺寸夹杂物． 浇注过程中受二次氧化的影响，簇群状 氧化铝夹杂物的数量增多，并且不断碰撞长大，从而形 成此类大尺寸夹杂物［1］． 此外，在浇注过程中，残余的 氧化铝夹杂不断地在浸入式水口堆积，在水口表面堆 积的簇群状氧化铝夹杂物受到强烈的钢液湍流剪切力 的作用，周期性地从水口表面脱落，而进入到结晶器 中［11］． 这些大尺寸的簇群状氧化铝夹杂物进入到结 晶器后很容易上浮去除，但是也容易被钩状坯壳捕获 进而在铸坯表层聚集［9］． 文献［12］报道，危害深冲冷轧薄板表面质量的夹 杂物主要处于铸坯皮下 10 ～ 20 mm 以内，也就是说铸 坯皮下 20 mm 以内的大尺寸夹杂物都有可能造成低碳 铝镇静钢深冲冷轧板的表面缺陷，但是受钩状坯壳的 影响，大尺寸夹杂物主要在位于铸坯表层附近［9］． 当 拉速为 1. 8 m·min － 1 时，钩状坯壳的深度和长度较大， 所以很容易捕获到大于 300 μm 的夹杂物; 而当拉速大 于 2 m·min － 1 后，钩状坯壳变得不是很发达，因此在铸 坯表层没有发现尺寸在 200 μm 以上的夹杂物． 研究 发现，图 9 所示的大尺寸夹杂物的位置和钩状坯壳的 位置有很好的对应关系，这进一步证明 Awajiya、Deng 等［9--10］的研究结果． 2. 4 凝固前沿夹杂物的受力情况 图 10 是铸坯拉速与表层夹杂物数量密度的关系． 除拉速为 2. 3 m·min － 1 的铸坯外，随着拉速的增加，铸 坯表层夹杂物的数量呈线性减小的趋势． 由于钩状坯 壳只对捕获大于 200 μm 的夹杂物作用明显，因此这些 小于 200 μm 的夹杂物的数量密度是受凝固坯壳捕获 夹杂物的能力所决定的，而凝固坯壳对夹杂物的捕获 是由凝固前沿夹杂物的受力情况所决定． 图 10 拉速与夹杂物数量密度的关系 Fig． 10 Ｒelationship between casting speed and inclusion number density 在结晶器凝固界面的前沿同时存在着浓度边界 层、速度边界层和温度边界层，夹杂物或气泡受流股推 力和浮力的作用从湍流区进入到凝固前沿的边界层区 域，夹杂物在边界层的受力决定了此处夹杂物的运动 行为，而夹杂物在凝固前沿的运动又会影响到夹杂物 被凝固坯壳的推动/捕获． Miyake 等［13］在考虑钢液流 动的情况下计算出结晶器中浓度边界层的大小． 一般 条件下，浓度边界层的厚度约为 20 μm; 在使用电磁搅 拌( M--EMS) 的情况下，钢液流速变大，此时浓度边界 层的厚度约为 10 μm． Toh 等［14］研究发现钢液流速也 会影响到速度边界层的厚度，一般情况下速度边界层 的厚度为 3 mm，当钢液流速较大时速度边界层的厚度 将减小到 1 mm． Lee 等［15］计算发现，结晶器中温度边 界层的厚度约为速度边界层的 2 倍． 因此，到达凝固 前沿的夹杂物首先由湍流区进入到凝固前沿的温度边 界层，之后依次进入到速度边界层和浓度边界层，如图 11 所示． 图中 FT为夹杂物所受的温度 Marangoni 力， FU为夹杂物所受的 Saffman 力，FC为夹杂物所受的浓 度 Marangoni 力． 图 11 凝固前沿夹杂物捕获的示意图 Fig． 11 Schematic illustration of inclusion entrapment at the solidi￾fied front 文献［16--18］报道，凝固前沿的浓度梯度和温度 梯度均会引起表面张力的变化，此时处于边界层的夹 杂物会受到由表面张力梯度所引起的 Marangoni 力． 此外，处于速度边界层的夹杂物还会受到由速度梯度 所引起的 Saffman 力［13，18--20］． 图 12 为夹杂物在凝固前 沿的受力示意图． 相对于竖直方向上的浮力来说，水 平方向上的 Marangoni 力和 Saffman 力会直接影响到夹 杂物的捕获行为． 为了定量地分析夹杂物在凝固前沿所受的 Ma- ·346·