·520 北京科技大学学报 第36卷 0.4 a ■193▲5米V74◆9 0.5b) ■1”●3a▲5eV74◆9 04 : 02 ◆ ◆ ■ 0拉速：l.4mmin 浸人深度：150mm 0叶拉速：1.8m:mim浸人深度：150mm 0 5101520 0 5101520 凹底水口井深mm 凹底水口并深/mm 图8不同拉速时凹底水口井深对表面流速的影响.(a)1.4mmin:(b)1.8mmin1 Fig.8 Effect of well depth on the meniscus velocity at different casting speeds:(a)1.4mmin;(b)1.8m"min 流场进行了数值模拟.他们指出，对于凸底水口来 特征的影响.他们认为流股分成光滑流股(smooth 说，流股撞击水口底部后被其尖端分成两股，由于流 jet)和旋转流股(spinning jet),且结晶器出口的旋转 股速度分布的随机性，两股流股的速度极易出现不 流股是导致整个结晶器内钢液流场不对称的根本原 对称的现象.这也与本文中图4(c)的示踪结果吻 因，流场的不对称会影响到凝固坯壳的生长的均匀 合.对凹底水口来说，由于流股达到底部之后会与 性和自由液面波动的周期性加剧0，所以得到水口 水口底部发生碰撞，流股动能损耗大，水口出口流股 出口处的光滑流股是保证结晶器内流场对称的前 的动能变小.平底水口几何形状介于凸底和凹底水 提.图9(a)、(b)和(c)分别为拉速为l.8mmin, 口之间，流股撞击底部之后损失的动能也介于凸底 浸入深度为150mm时井深为0、10和20mm的凹底 和凹底水口之间.综合以上论述，正是由于三种水 水口的出口流股的示踪图片.尽管平底（井深为 口条件的出口流股特征不一致导致了它们液面特征 0mm)和凹底水口（井深为20mm)的流股已经较为 的差别. 对称，但是其对称性都不如凹底-10水口.正是由 2.5.2凹底水口井深影响的机理分析 于凹底-10水口条件下的光滑流股导致了结晶器 文献关于凹底水口井深对液面特征的影响报道 内的流场非常对称，最终使得其液面特征比平底和 的较少，Gupta和Lahiri圆利用水力学模型研究了凹 凹底水口平稳 底水口井深、水口倾角和水口出口形状对出口流股 a 02m 0.2m 0.2m 图9拉速为1.8m"min1,浸入深度为150mm条件下不同井深的凹底水口条件下流股的示踪图案.(a)0mm:(b)10mm:(c)20mm Fig.9 Jet characteristics by using nozzles with different well depths at the casting speed of 1.8 mmin-and the immersion depth of 150 mm:(a)0 mm:(b)10mm:(c）20mm 底水口下结晶器的液面波动和表面流速均大于凹底 3工业试验结果分析 水口.图10(a)和图10(c)分别为结晶器宽度为 工业试验中仅对比了凹底（见图2(a))和凸底 1300和1050mm,浇铸钢种为SPHC时现场记录的 (见图2(b))的使用效果.工业试验的水口形状与 液面波动数据.图10(b)和图10(d)分别是 水模型中模拟的水口尺寸一致.前文讨论的水力学 图10(a)和图10(c)所示的液面波动的功率谱分 模型的结论是：凸底水口由于出口流股流速较大且 析.功率谱分析是一种信号处理的方法，它把时间 流速分布有随机性，流场易产生不对称的现象，且凸 序列看成不同频率分量的叠加，利用傅里叶变换等北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 8 不同拉速时凹底水口井深对表面流速的影响． ( a) 1. 4 m·min － 1 ; ( b) 1. 8 m·min － 1 Fig． 8 Effect of well depth on the meniscus velocity at different casting speeds: ( a) 1. 4 m·min － 1 ; ( b) 1. 8 m·min － 1 流场进行了数值模拟． 他们指出，对于凸底水口来 说，流股撞击水口底部后被其尖端分成两股，由于流 股速度分布的随机性，两股流股的速度极易出现不 对称的现象． 这也与本文中图 4( c) 的示踪结果吻 合． 对凹底水口来说，由于流股达到底部之后会与 水口底部发生碰撞，流股动能损耗大，水口出口流股 的动能变小． 平底水口几何形状介于凸底和凹底水 口之间，流股撞击底部之后损失的动能也介于凸底 和凹底水口之间． 综合以上论述，正是由于三种水 口条件的出口流股特征不一致导致了它们液面特征 的差别． 2. 5. 2 凹底水口井深影响的机理分析 文献关于凹底水口井深对液面特征的影响报道 的较少，Gupta 和 Lahiri ［8］利用水力学模型研究了凹 底水口井深、水口倾角和水口出口形状对出口流股 特征的影响． 他们认为流股分成光滑流股( smooth jet) 和旋转流股( spinning jet) ，且结晶器出口的旋转 流股是导致整个结晶器内钢液流场不对称的根本原 因，流场的不对称会影响到凝固坯壳的生长的均匀 性和自由液面波动的周期性加剧［4］，所以得到水口 出口处的光滑流股是保证结晶器内流场对称的前 提． 图 9( a) 、( b) 和( c) 分别为拉速为 1. 8 m·min － 1 ， 浸入深度为 150 mm 时井深为 0、10 和 20 mm 的凹底 水口的出口流股的示踪图片． 尽管平底( 井深为 0 mm) 和凹底水口( 井深为 20 mm) 的流股已经较为 对称，但是其对称性都不如凹底 － 10 水口． 正是由 于凹底 － 10 水口条件下的光滑流股导致了结晶器 内的流场非常对称，最终使得其液面特征比平底和 凹底水口平稳． 图 9 拉速为 1. 8 m·min － 1，浸入深度为 150 mm 条件下不同井深的凹底水口条件下流股的示踪图案． ( a) 0 mm; ( b) 10 mm; ( c) 20 mm Fig． 9 Jet characteristics by using nozzles with different well depths at the casting speed of 1. 8 m·min － 1 and the immersion depth of 150 mm: ( a) 0 mm; ( b) 10 mm; ( c) 20 mm 3 工业试验结果分析 工业试验中仅对比了凹底( 见图 2( a) ) 和凸底 ( 见图 2( b) ) 的使用效果． 工业试验的水口形状与 水模型中模拟的水口尺寸一致． 前文讨论的水力学 模型的结论是: 凸底水口由于出口流股流速较大且 流速分布有随机性，流场易产生不对称的现象，且凸 底水口下结晶器的液面波动和表面流速均大于凹底 水口． 图 10 ( a) 和图 10 ( c) 分别为结晶器宽度为 1300 和 1050 mm，浇铸钢种为 SPHC 时现场记录的 液面 波 动 数 据． 图 10 ( b ) 和 图 10 ( d ) 分 别 是 图 10( a) 和图 10 ( c) 所示的液面波动的功率谱分 析． 功率谱分析是一种信号处理的方法，它把时间 序列看成不同频率分量的叠加，利用傅里叶变换等 ·520·