张超杰等：模底砖结构对大钢锭充型过程卷渣的影响 ·131 钢液的流速，可见中心钢液流股会对液面造成很强的 0.8 冲击，使液面中心处发生剧烈的波动，容易导致液面保 护渣卷入钢液内部并滞留其内成为大型夹杂物.根据 0.6 图4所示的液面流速分布可知，在50mm半径范围内 钢液的流速在0.17~0.80m·s,远远大于其他区域 0.4 的流速.可见如果充型过程液面存在卷渣现象，则主 要发生在液面的中心区域附近. 02 图5为锭尾充满时钢液的温度场分布，从中可以 看出，在钢锭模壁的激冷作用下，锭尾充满时靠近模壁 的1/3半径厚度范围内钢液的固相率已经大于0.5， 100200300400500 距钢液面中心的距离mm 而此时一旦有夹杂物进入该区域便容易被捕捉至凝固 图4錠尾充满时的液面流速 壳内，形成大颗粒夹杂物，严重影响钢锭的质量.结合 Fig.4 Velocity distribution in the level of molten steel when ingot 图3所示的流场分布，可知当中心高速流股造成的液 bottom is filled 面波动到达一定程度后会导致大量保护渣卷入钢液内 部，容易被凝固坯壳捕获形成大颗粒夹杂物，严重危害 钢的质量. 固相率 1.000 0.933 0.867 0.800 0.733 ■0.667 0600 0.533 0.467 0.400 0.333 0.267 0.200 0.133 0.067 0.000 图5锭尾充满时钢液的温度场分布 Fig.5 Temperature distribution of molten steel when ingot bottom is filled 多数研究者.9-0认为，Weber数可作为描述钢液 70 面是否发生卷渣的决定性准数，如式(1)所示.并且很 60 多学者研究发现，12.3可作为钢液面发生明显卷渣的 50 临界Weber数，即当Weber数大于l2.3时将发生明显 站 40 的卷渣现象.本文使用Weber数作为判定钢液发生卷 304 渣现象的指标，图6为锭尾充满时的液面Weber数，可 20 以看出液面中心30mm半径范围内的Weber数大于 10 12.3,即，中心30mm半径范围内易发生卷渣现象.在 0 浇注速度一定的条件下，从图3可知钢液面的波动很 -10 大程度上取决于中心流股的流速，而中心流股的流速 100200300400500 距钢液面中.心的距离mm 又取决于模底砖的结构.因此，模底砖结构尤其是模 图6锭尾充满时的液面W山er数 底砖的孔径对卷渣有着决定性的影响. Fig.6 Weber numbers in the level of molten steel when ingot bottom We = Upa (1) is filled Vug (pad-pan) 式中：We为韦伯数(Weber Number);U为钢、渣界面处 和锥度的模底砖.然后分别对各方案进行了充型过程 钢液流速：4为钢、渣之间的界面张力，0.15N·m； 的数值模拟，并根据模拟结果计算得到锭尾充满时的 pa为钢液密度p为液态保护渣的密度. 钢液面Weber数分布，表1为模底砖结构及相应的锭 2.2模底砖结构对充型初期卷渣的影响 尾充满时的液面韦伯数. 为研究模底砖结构对卷渣的影响规律，本文结合 不同模底砖平均孔径条件下的锭尾充满时钢液面 某厂19t钢锭模模底砖结构并设计了11种不同孔径 中心半径50、l00mm范围内的平均Weber数以及最大张超杰等: 模底砖结构对大钢锭充型过程卷渣的影响 钢液的流速，可见中心钢液流股会对液面造成很强的 冲击，使液面中心处发生剧烈的波动，容易导致液面保 护渣卷入钢液内部并滞留其内成为大型夹杂物． 根据 图 4 所示的液面流速分布可知，在 50 mm 半径范围内 钢液的流速在 0. 17 ～ 0. 80 m·s － 1，远远大于其他区域 的流速． 可见如果充型过程液面存在卷渣现象，则主 要发生在液面的中心区域附近． 图 5 为锭尾充满时钢液的温度场分布，从中可以 看出，在钢锭模壁的激冷作用下，锭尾充满时靠近模壁 的 1 /3 半径厚度范围内钢液的固相率已经大于 0. 5， 而此时一旦有夹杂物进入该区域便容易被捕捉至凝固 壳内，形成大颗粒夹杂物，严重影响钢锭的质量． 结合 图 3 所示的流场分布，可知当中心高速流股造成的液 面波动到达一定程度后会导致大量保护渣卷入钢液内 部，容易被凝固坯壳捕获形成大颗粒夹杂物，严重危害 图 4 锭尾充满时的液面流速 Fig． 4 Velocity distribution in the level of molten steel when ingot bottom is filled 钢的质量． 图 5 锭尾充满时钢液的温度场分布 Fig． 5 Temperature distribution of molten steel when ingot bottom is filled 多数研究者［1，9--10］认为，Weber 数可作为描述钢液 面是否发生卷渣的决定性准数，如式( 1) 所示． 并且很 多学者研究发现，12. 3 可作为钢液面发生明显卷渣的 临界 Weber 数，即当 Weber 数大于 12. 3 时将发生明显 的卷渣现象． 本文使用 Weber 数作为判定钢液发生卷 渣现象的指标，图 6 为锭尾充满时的液面 Weber 数，可 以看出液面中心 30 mm 半径范围内的 Weber 数大于 12. 3，即，中心 30 mm 半径范围内易发生卷渣现象． 在 浇注速度一定的条件下，从图 3 可知钢液面的波动很 大程度上取决于中心流股的流速，而中心流股的流速 又取决于模底砖的结构． 因此，模底砖结构尤其是模 底砖的孔径对卷渣有着决定性的影响． We = U2 ρsteel 槡μg( ρsteel － ρslag ) ． ( 1) 式中: We 为韦伯数( Weber Number) ; U 为钢、渣界面处 钢液流速; μ 为钢、渣之间的界面张力，0. 15 N·m － 1 ; ρsteel为钢液密度; ρslag为液态保护渣的密度． 2. 2 模底砖结构对充型初期卷渣的影响 为研究模底砖结构对卷渣的影响规律，本文结合 某厂 19 t 钢锭模模底砖结构并设计了 11 种不同孔径 图 6 锭尾充满时的液面 Weber 数 Fig． 6 Weber numbers in the level of molten steel when ingot bottom is filled 和锥度的模底砖． 然后分别对各方案进行了充型过程 的数值模拟，并根据模拟结果计算得到锭尾充满时的 钢液面 Weber 数分布，表 1 为模底砖结构及相应的锭 尾充满时的液面韦伯数． 不同模底砖平均孔径条件下的锭尾充满时钢液面 中心半径 50、100 mm 范围内的平均 Weber 数以及最大 · 131 ·