第10期 邓小旋等：高拉速板还连铸结晶器浸入式水口的水模型研究 ·1311· 5.2水口出口角度对自由液面特征影响的机理分析钢液流股会产生漩涡流，这与Thomas等⑨的数值 图12(a)和(b)分别为拉速为1.8mmin-1、浸 模拟研究非常的吻合.这些漩涡流会导致上回流出 入深度为150mm时A型水口下加入染料2s和现很多小型的漩涡，如图12(b)中箭头指示的1和 4s后的结晶器内流场形态.由图可以发现：A型 2所示.这有可能导致结晶器液面出现漩涡卷渣.C 水口下从水口出来的射流角度比C型水口（参见图 型水口由于水口出口上角度比下角度大，可以很好 11(a)小，会导致A型水口的上回流比C型水口 地抑制水口出口的漩涡流，减小上回流的漩涡流强 的上回流具有更高的能量，这将会增加液面的表面 度（见图11(a)和(b),从而减少卷渣的发生 流速.仔细观察发现：在A型水口条件下，出口的 (a) (b) 图12加入染料2s(a)和4s(b)后A型水口下结品器内的流场示踪 Fig.12 Fluid tracing in the mold with a Type A nozzle after the tracer injection time of 2 s(a)and 4 s(b) 6最佳水口结构的确定 表面流速会大于0.4ms-1,这会增大结晶器液态保 从流场可以看出，凸型水口由于本身的结构缺 护渣的卷入的几率.C型水口下结晶器表面的流速 为0.32ms-1,且不同水口浸入深度下表面流速的 陷，极易产生流场的不对称的现象，这样就会导致 范围是0.26~0.32ms-1,而且还有提高拉速的空 结晶器坯壳的不均匀凝固，容易产生裂纹等缺陷. 间，所以高拉速下最佳的浸入式水口是C型水口. 同时，凸型水口的液面波动和表面流速都比相同角 度的凹型水口大，更易产生卷渣和成品表面缺陷等 7结论 问题.所以选择凹型水口(A型和C型)比凸型水口 (1)在高拉速条件下，使用凹型水口的结晶器 (B型和D型)更有利于提高铸坯和轧板的表面质 液面的波动与表面流速均大于凸型水口.谱功率分 量 析表明：凹型水口比凸型水口的表面流速变化的功 从4.2的讨论可知：在低拉速下，C型水口下结 率（频率为0.03~0.1Hz)小约50%.所以凹型水 晶器液面的表面流速太小(<02ms-1),这不利于自 口比凸型水口更有利于减少结晶器液面的卷渣. 由液面保护渣的熔化，对于浇注超低碳钢来说，表 (2)凹凸型水口影响液面特征的机理分析表明： 面流速偏小会导致弯月面处发达的Hok组织与较 在凹型水口下，水口内的流股撞击水口底部，损失 深的振痕，发达的Ho0k会捕捉上浮的夹杂物和气 了很大一部分能量，导致出口流股的动能减小：相 泡，恶化铸坯的表层洁净度，最终导致冷轧板的表 反，对凸型水口，水口内的流股出水口时损失的能 面缺陷，所以有必要适当的提高自由液面的表面流 量很小，且由于流股的湍动能在水口附近分布的随 速.因此，A型水口更适合低拉速生产对表面质量 机性，导致钢液出口时会随机性的产生流股不对称 要求严格的钢种，如F钢 的现象 对于高拉速(1.8mmin-1)连铸来说，A型水口 (3)对不同角度的两种凹型水口(A和C)来说， 的表面流速达到了0.4ms-1,由于水模实验中忽略 两种水口条件下结晶器液面的波动相差不大.在拉 了凝固坯壳的作用1，所以实际结晶器中钢液的 速小于1.4mmin-1时，C型水口下结晶器液面的第 10 期 邓小旋等：高拉速板坯连铸结晶器浸入式水口的水模型研究 1311 ·· 5.2 水口出口角度对自由液面特征影响的机理分析 图 12(a) 和 (b) 分别为拉速为 1.8 m·min−1、浸 入深度为 150 mm 时 A 型水口下加入染料 2 s 和 4 s 后的结晶器内流场形态. 由图可以发现：A 型 水口下从水口出来的射流角度比 C 型水口 (参见图 11(a)) 小，会导致 A 型水口的上回流比 C 型水口 的上回流具有更高的能量，这将会增加液面的表面 流速. 仔细观察发现：在 A 型水口条件下，出口的 钢液流股会产生漩涡流，这与 Thomas 等 [9] 的数值 模拟研究非常的吻合. 这些漩涡流会导致上回流出 现很多小型的漩涡，如图 12(b) 中箭头指示的 1 和 2 所示. 这有可能导致结晶器液面出现漩涡卷渣. C 型水口由于水口出口上角度比下角度大，可以很好 地抑制水口出口的漩涡流，减小上回流的漩涡流强 度 (见图 11(a) 和 (b)), 从而减少卷渣的发生. 图 12 加入染料 2 s (a) 和 4 s (b) 后 A 型水口下结晶器内的流场示踪 Fig.12 Fluid tracing in the mold with a Type A nozzle after the tracer injection time of 2 s (a) and 4 s (b) 6 最佳水口结构的确定 从流场可以看出，凸型水口由于本身的结构缺 陷，极易产生流场的不对称的现象，这样就会导致 结晶器坯壳的不均匀凝固，容易产生裂纹等缺陷. 同时，凸型水口的液面波动和表面流速都比相同角 度的凹型水口大，更易产生卷渣和成品表面缺陷等 问题. 所以选择凹型水口 (A 型和 C 型) 比凸型水口 (B 型和 D 型) 更有利于提高铸坯和轧板的表面质 量. 从 4.2 的讨论可知：在低拉速下，C 型水口下结 晶器液面的表面流速太小 (<0.2 m·s −1 ), 这不利于自 由液面保护渣的熔化，对于浇注超低碳钢来说，表 面流速偏小会导致弯月面处发达的 Hook 组织与较 深的振痕，发达的 Hook 会捕捉上浮的夹杂物和气 泡，恶化铸坯的表层洁净度，最终导致冷轧板的表 面缺陷，所以有必要适当的提高自由液面的表面流 速. 因此，A 型水口更适合低拉速生产对表面质量 要求严格的钢种，如 IF 钢. 对于高拉速 (1.8 m·min−1 ) 连铸来说，A 型水口 的表面流速达到了 0.4 m·s −1，由于水模实验中忽略 了凝固坯壳的作用 [17]，所以实际结晶器中钢液的 表面流速会大于 0.4 m·s −1，这会增大结晶器液态保 护渣的卷入的几率. C 型水口下结晶器表面的流速 为 0.32 m·s −1，且不同水口浸入深度下表面流速的 范围是 0.26 ～ 0.32 m·s −1 , 而且还有提高拉速的空 间，所以高拉速下最佳的浸入式水口是 C 型水口. 7 结论 (1) 在高拉速条件下，使用凹型水口的结晶器 液面的波动与表面流速均大于凸型水口. 谱功率分 析表明：凹型水口比凸型水口的表面流速变化的功 率 (频率为 0.03 ～ 0.1 Hz) 小约 50%. 所以凹型水 口比凸型水口更有利于减少结晶器液面的卷渣. (2) 凹凸型水口影响液面特征的机理分析表明： 在凹型水口下，水口内的流股撞击水口底部，损失 了很大一部分能量，导致出口流股的动能减小；相 反，对凸型水口，水口内的流股出水口时损失的能 量很小，且由于流股的湍动能在水口附近分布的随 机性，导致钢液出口时会随机性的产生流股不对称 的现象. (3) 对不同角度的两种凹型水口 (A 和 C) 来说， 两种水口条件下结晶器液面的波动相差不大. 在拉 速小于 1.4 m·min−1 时，C 型水口下结晶器液面的