·1248· 北京科技大学学报 第36卷 铝镇静钢(LCAK)、超低碳铝镇静钢(ULCAK)等. 式中：d为凝固坯壳的厚度，mm;K为凝固系数， 因此，大尺寸保护渣夹杂物的卷入是限制冷轧薄板 mm.min-o.s;L为距弯月面的距离，m;V为拉速， 类钢种高拉速生产的重要原因. m·min.根据现场数学模型的计算结果，K取值 结晶器内液面卷渣的机理归纳起来主要有： 为l9 mm-min-o.5,实验中把结晶器出口处的凝固 (1)结晶器内流场的偏流与不对称导致浸入式水口 坯壳厚度设定为拉速为l.8m·min1时所对应的 (SEN)卡门涡的形成，这些漩涡有可能将保护渣颗 厚度(d=l3mm),假定出结晶器后的凝固坯壳以 粒吸入钢液之中[4)：(2)钢液上回流与保护渣层的 与结晶器内相同的生长速率继续生长.第(2)种 高速剪切应力将保护渣带人钢液之中51；(3)吹人 结晶器的示意图如图2所示.由于实验还模拟了 钢液的氩气泡会扰动保护渣/钢液界面，导致保护渣 不同拉速与水口浸入深度条件下结晶器内的流场 的卷入[6).以上现象都与结晶器内的流场密切相 与液面特征，因此对本实验中模拟坯壳的工况作 关.因此，优化结晶器内的流场以减少卷渣的发生 如下假设： 是连铸研究的热点之一， (1)忽略拉速和水口浸人深度的变化对凝固坯 前人利用水模型5-61和数值模拟？-]的方法 壳厚度的影响； 对结晶器内流场进行了大量的优化工作，其中包 (2)认为宽面和窄面的坯壳生长速率相等，所 括改变浸入式水口的结构、水口浸入深度、中包钢 以在同一个截面上，宽面和窄面的坯壳厚度相等； 水液位、吹气量等.而浸人式水口结构又包括水口 (3)忽略结晶器锥度对结晶器内钢液体积的 出口角度[)、水口出口面积81、水口壁厚)、水口 影响； 底部形状[1等.关于水口结构与其他工艺参数对 (4)忽略糊状区对结晶器内钢液体积的影响. 结晶器流场的影响可详见Zhang和Thomas「]的综 注水口 塞棒 述.大部分的水模型实验没有考虑凝固坯壳的作 用，而实际的连铸过程结晶器内有一定的坯壳厚 液位监视窗 流量计 度，在拉速方向上液态钢液的流动空间是不断缩 阀门 浸入式水口 小的，因此为了缩小模型与实际结晶器的差别，有 波高仪 表面流速仪 必要考虑凝固坯壳的影响.近年来，Jin等2-3]考 流速数据 波动数据 采集仪 虑了凝固坯壳的作用并对比研究了有/无凝固坯 采集仪 结晶器 壳的情况，但他们使用的是比例为1：0.55的水模 缓流槽 阀门 型.相关文献指出1)：在研究流体间力与状态的 溢流管 水泵 相似问题上，最好采用全比例的水模型，使其可以 同时满足模型的Re与Fr准数与原型相等，基于 三一①超声波流量计 此，本文通过1：1的水模型研究了在高拉速情况下 有/无凝固坯壳对结晶器内流场与液面特征的 图1水模型实验装置图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup 影响 1实验设计 1050mm 公 247mm 1.1实验装置 本次水模型设备在保证模型与原型的R准数 和Fr准数相等的前提下采用1：1的比例制作.结晶 221m 凝固坯壳 器采用有机玻璃制成，其厚度为20mm.整个实验装 置的示意图如图1所示.本实验模拟两种结晶器： (1)不考虑凝固坯壳的结晶器：(2)考虑凝固坯壳的 任工出 结晶器.第(2)种结晶器是在第(1)种结晶器的基 础上黏上凝固坯壳制作而成.其中，凝固坯壳由有 图2水模型实验中带有凝同坯壳的结晶器的示意图以及尺寸： 机玻璃制成，坯壳在拉速方向上的厚度按照经典的 (a)主视图：(b)侧视图 平方根定律来计算 Fig.2 Schematic illustration and dimensions of the mold with solidi- d=K(L/V)i2. (1) fied shell in water modeling:(a)front view;(b)side view北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 铝镇静钢 （ 、 超 低 碳 铝 镇 静 钢 （ 等 式 中 乂 为 凝 固 坯 壳 的 厚 度 ， ； 为 凝 固 系 数 ， 因 此 ， 大尺寸保护 渣 夹 杂 物 的 卷入是 限 制 冷 轧 薄 板 为 距 弯 月 面 的 距 离 ， 为 拉 速 ， 类钢 种 高拉速生产 的 重要原 因 根据 现 场 数学 模 型 的 计算 结 果 ， 尺 取 值 结 晶 器 内 液 面 卷 渣 的 机 理 归 纳 起 来 主 要 有 ： 为 实 验 中 把 结 晶 器 出 口 处 的 凝 固 结 晶 器 内 流场 的偏 流 与 不对称 导致 浸 入式水 口 坯壳 厚度 设 定 为 拉 速 为 … 时 所 对 应 的 卡 门 涡 的 形 成 这 些漩 涡 有 可 能 将保护 渣 颗 厚度 二 假 定 出 结 晶 器 后 的 凝 固 坯壳 以 粒吸人钢 液 之 中 ； 钢 液 上 回 流 与 保 护 渣 层 的 与 结 晶 器 内 相 同 的 生 长 速 率 继 续 生 长 第 （ 种 高 速剪切 应 力 将 保 护 渣 带 入 钢 液之 中 ； 吹 入 结 晶 器 的 示 意 图 如 图 所 示 由 于 实 验 还 模 拟 了 钢 液 的 氩气泡会扰 动保护渣 钢 液界面 ’ 导致保护渣 不 同 拉速 与 水 口 浸 入 深 度 条 件 下 结 晶 器 内 的 流 场 的 卷入 以 上 现 象 都 与 结 晶 器 内 的 流 场 密 切 相 与 液 面 特 征 ， 因 此 对 本 实 验 中 模 拟 坯 壳 的 工 况 作 关 因 此 优化结 晶 器 内 的 流 场 以 减 少 卷渣 的 发 生 如 下 假设 ： 是连铸研究 的 热点 之一 （ 忽 略拉速和 水 口 浸入深度 的 变化对凝 固 坯 前人利 用 水 模 型 和 数 值 模 拟 的 方 法 壳厚度 的 影 响 ； 对结 晶 器 内 流 场 进 行 了 大 量 的 优 化 工 作 ， 其 中 包 （ 认为 宽面 和 窄 面 的 坯 壳 生 长 速 率相 等 ， 所 括改 变浸人式 水 口 的 结 构 、 水 口 浸 入 深 度 、 中 包 钢 以 在 同 一 个截 面上 ， 宽 面 和 窄 面 的 坯壳厚度 相 等 ； 水液 位 、 吹 气量 等 而 浸 入式水 口 结构 又 包 括 水 口 （ 忽 略 结 晶 器 锥 度 对 结 晶 器 内 钢 液 体 积 的 出 口 角 度 、 水 口 出 口 面 积 、 水 口 壁 厚 、 水 口 影 响 ； 底部形 状 等 关 于 水 口 结 构 与 其 他 工 艺 参 数 对 （ 忽 略糊状 区 对结 晶 器 内 钢 液体积的 影 响 结 晶 器 流场 的 影 响 可 详 见 和 的综 塞棒 述 大 部 分 的 水 模 型 实 验 没 有 考 虑 凝 固 坯 壳 的 作 用 ， 而 实 际 的 连 铸 过 程 结 晶 器 内 有 一 定 的 坯 壳 厚 流量计 液位监视窗 度 ， 在 拉 速 方 向 上 液 态 钢 液 的 流 动 空 间 是 不 断 缩 阀 门 一工 浸人式水 小 的 ， 因 此 为 了 缩 小 模 型 与 实 际 结 晶 器 的 差 别 ， 有 丨 麵流速 仪 必要 考 虑凝 固 坯壳 的 影 响 近 年 来 ， 等 考 据 波 珅 鞒据 — 本 呆 集仅 虑 了 凝 固 坯 壳 的 作 用 并 对 比 研 究 了 有 无 凝 固 坯 議 壳 的 情 况 但他们 使 用 的 是 比 例 为 的 水 模 缓 流槽 阀 门 型 相 关文 献 指 出 在 研 究 流 体 间 力 与 状 态 的 避 二 相 似 问 题上 ’ 最好 采 用 全 比 例 的 水 模 型 使 其可 以 同 时 满 足模 型 的 与 准 数 与 原 型 相 等 基 于 超声波流量计 此 ， 本文 通 过 的 水模 型研究 了 在 高 拉 速 情 况 下 有 无凝 固 坯 壳 对 结 晶 器 内 流 场 与 液 面 特 征 的 影 啊 实 验设计 ⑷ 丨 丨 … 实 验装 置 目 本次水模 型设备 在保证模 型 与 原 型 的 办 准数 和 准数相等 的 前提下采用 的 比 例制 作 结 晶 器采用有机玻璃制 成 其厚度 为 整 个实验装 ￡ 置 的 示意 图 如 图 所 示 本 实 验模 拟 两 种 结 晶 器 ： 不考虑凝 固 坯壳 的 结 晶 器 （ 考虑凝 固 坯壳 的 目 结 晶 器 第 （ 种 结 晶 器 是 在 第 （ 种 结 晶 器 的 基 ！ 础 上 點上凝 固 述 壳 制 作 而 成 其 中 ’ 凝 壳 ， 图 水 麵实 验 中 带有 凝 固 述 壳 的结 晶 器 的 示 意 图 以 及 尺 寸 ： 机玻璃制 成 坯壳 在 拉 速方 向 上 的 厚度 按 照 经典 的 （ ± 平方根定律来计算 ： ；