第6期 王现辉等：CSP结晶器内卷渣的瞬态特征 ·765。 法满足表征表面张力的韦伯准数(We)相等，通过量 时间运动加剧现象.液面动态失稳前和动态失稳过 纲为1分析可知，模拟所用介质应满足以下关 程中状态比较如图2所示.液面动态失稳开始前液 系10： 面波动和表面流速很小，如图2(a):液面动态失稳 Vslag/Vsteel-Voil/Vwater () 时液面运动加剧，发生较大形变，如图2(ab)中1、2 式中，y为运动黏度，m2s1. 所示.拉速越大动态失稳的周期越短，常规拉速 根据前述的用油/水模拟渣/钢时量纲为1数相 4.2~5.0mmin1下液面动态失稳周期范围是 等原则，将表1所列原型中钢、渣的物性参数代入式 25-21.5s. ()中计算得出实际生产所用的结晶器保护渣与钢 (a) 水的运动黏度之比为54~97，利用式(1)计算出模 拟实验用油的运动黏度范围在(54~97×106m2· $1.本研究中实验选用的润滑油运动黏度为 826×106m2·s1.实验中保证油层厚度与现场 实测液渣层厚度相符，保持10~14mm. b 表1钢/渣及水/油的物性参数 Table I Physical pammeters of steel/slag and water oil 密度/ 运动黏度/ 物质 (kg'm) (10-6m2s- 钢液(1550℃ 7020 095 图2液面动态失稳前与动态失稳程度最大时的液面比较.( 动态失稳过程开始前5s时刻：(b)动态失稳开始后3s时刻 渣(1300℃ 2700-2900 54-97 Fig.2 Menisci before meriscus dynamic dstortion (MDD)starting 水 1000 1 and at its maximum:(a)5s before MDD starting;(b)3s after M DD 油 880 82 实验结晶器宽度1200mm,水口角度一50°，拉 王现辉等1)研究认为CSP结晶器内MDD形 速4.2~5.0mmin1,水口浸入深度220~310mm. 成的主要原因是由于双侧孔水口下流股冲击结晶器 实验用水口结构如图1所示. 窄面后形成较强的下流股，下流股在结晶器下部形 成漩涡携带能量在水口射流形成的负压的作用下由 结晶器下部沿着射流流股下侧向上移动、聚集，并向 上耗散造成.研究发现改变水口角度及其他工艺参 水液面 数均不能消除MDD现象.CSP结晶器内MDD现 象是其双侧孔水口及结晶器的特殊结构共同作用的 特征结果. 2.2保护渣的卷入 实验研究发现，CSP结晶器内卷渣受MDD的 影响呈周期性，主要方式有两种：剪切卷渣和漩涡卷 渣，如图3所示，其中剪切卷渣是主要卷渣方式.剪 切卷渣的主要发生位置在液面漏斗形与平行的过渡 区域，如图3中C、D:漩涡卷渣现象主要发生在水口 图1实验的水口结构（单位：mm) 周围附近的液面，如图3中A、B所示. Fig.I Structure of an SEN in the experiment unit:mm) 2.21剪切卷渣 MDD过程对液面卷渣的影响如图4.液面稳态 2实验结果与讨论 时液面平静，窄面附近的保护渣层较薄，此时未发生 21结晶器内液面瞬态特征 卷渣现象，如图4)；MDD开始时液面保护渣向水 实验观测发现拉速稳定条件下CSP结晶器内 口方向聚集，如图4(b)所示，结晶器窄面附近的渣 会出现“液面动态失稳”现象，即MDD(meniscus 层迅速减薄：液面失稳程度最大时水口两侧液面的 dynamic distortion),主要表现为液面具有周期性短 保护渣层向水口方向聚集，形成向下“鼓包”，并开始法满足表征表面张力的韦伯准数( We) 相等, 通过量 纲为 1 分析可知, 模拟所用介质应满足以下关 系[ 10] : νslag/νsteel =νoil/νwater ( 1) 式中, ν为运动黏度, m 2·s -1 . 根据前述的用油/水模拟渣/钢时量纲为 1 数相 等原则, 将表 1 所列原型中钢 、渣的物性参数代入式 ( 1) 中计算得出实际生产所用的结晶器保护渣与钢 水的运动黏度之比为 54 ～ 97, 利用式( 1) 计算出模 拟实验用油的运动黏度范围在( 54 ～ 97) ×10 -6 m 2 · s -1 .本研 究中实验 选用的润 滑油运 动黏度 为 82.6 ×10 -6 m 2·s -1 .实验中保证油层厚度与现场 实测液渣层厚度相符, 保持 10 ～ 14 mm . 表 1 钢/ 渣及水/ 油的物性参数 Table 1 Physical paramet ers of st eel/ slag and w ater/ oil 物质 密度/ ( kg·m -3 ) 运动黏度/ ( 10 -6 m 2·s -1 ) 钢液( 1 550 ℃) 7 020 0.95 渣( 1 300 ℃) 2 700 ～ 2 900 54 ～ 97 水 1 000 1 油 880 82 实验结晶器宽度 1 200 mm, 水口角度 -50°, 拉 速4.2 ～ 5.0 m·min -1 , 水口浸入深度220 ～ 310 mm . 实验用水口结构如图 1 所示. 图 1 实验的水口结构( 单位:mm ) Fig.1 S tructure of an SEN in the experiment ( unit:mm) 2 实验结果与讨论 2.1 结晶器内液面瞬态特征 实验观测发现拉速稳定条件下 CSP 结晶器内 会出现“液面动态失稳” 现象, 即 MDD ( meniscus dynamic distortion) , 主要表现为液面具有周期性短 时间运动加剧现象 .液面动态失稳前和动态失稳过 程中状态比较如图 2 所示.液面动态失稳开始前液 面波动和表面流速很小, 如图 2( a) ;液面动态失稳 时液面运动加剧, 发生较大形变, 如图 2( a, b) 中 1 、2 所示.拉速越大动态失稳的周期越短, 常规拉速 4.2 ～ 5.0 m·min -1 下液 面动态失稳周期范围是 25 ～ 21.5 s . 图 2 液面动态失稳前与动态失稳程度最大时的液面比较.( a) 动态失稳过程开始前 5 s 时刻;( b) 动态失稳开始后 3 s 时刻 Fig.2 Menisci before meniscus dynamic dist ortion ( MDD) st arting and at its maximum :( a) 5s before MDD starting ;( b) 3 s after M DD st arting 王现辉等[ 11] 研究认为 CSP 结晶器内 M DD 形 成的主要原因是由于双侧孔水口下流股冲击结晶器 窄面后形成较强的下流股, 下流股在结晶器下部形 成漩涡携带能量在水口射流形成的负压的作用下由 结晶器下部沿着射流流股下侧向上移动、聚集, 并向 上耗散造成 .研究发现改变水口角度及其他工艺参 数均不能消除 MDD 现象.CSP 结晶器内 M DD 现 象是其双侧孔水口及结晶器的特殊结构共同作用的 特征结果. 2.2 保护渣的卷入 实验研究发现, CSP 结晶器内卷渣受 M DD 的 影响呈周期性, 主要方式有两种 :剪切卷渣和漩涡卷 渣, 如图 3 所示, 其中剪切卷渣是主要卷渣方式.剪 切卷渣的主要发生位置在液面漏斗形与平行的过渡 区域, 如图 3 中 C 、D ;漩涡卷渣现象主要发生在水口 周围附近的液面, 如图 3 中 A 、B 所示 . 2.2.1 剪切卷渣 MDD 过程对液面卷渣的影响如图4 .液面稳态 时液面平静, 窄面附近的保护渣层较薄, 此时未发生 卷渣现象, 如图 4( a) ;MDD 开始时液面保护渣向水 口方向聚集, 如图 4( b) 所示, 结晶器窄面附近的渣 层迅速减薄;液面失稳程度最大时水口两侧液面的 保护渣层向水口方向聚集, 形成向下“鼓包”, 并开始 第 6 期 王现辉等:CSP 结晶器内卷渣的瞬态特征 · 765 ·