板坯连铸结晶器数值模拟

DOI:10.13374.issn1001-053x.2012.03.013 第34卷第3期 北京科技大学学报 Vol.34 No.3 2012年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2012 板坯连铸结晶器数值模拟 王海奇1,2) 包燕平》回 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)湖南华菱涟源钢铁集团，娄底417009 ✉通信作者，E-mail:baoyp@ustb.edu.cn 摘要运用FIut6.3对板坯连铸结晶器进行数值计算，研究拉速、水口浸入深度及水口开口角度对流场的影响.结果表 明：对于断面1400mm×230mm结晶器，随拉速增加，液面最大水平和垂直流速均增加，而窄边冲击点的位置基本不变，随距 液面距离增加，窄边速度先增加后减小，直至趋向于零：当拉速超过1.2mmi1时，液面水平速度增加明显.随水口浸入深度 增加，液面最大水平流速减小，浸入深度超过140m时，最大水平流速变化不明显：垂直于液面方向的最大速度逐渐增加：对 窄边冲击点影响较小.随水口开口向下角度增加，液面最大水平流速减小后增加，水口开口向下12.5°时液面最大水平流速最 小，而水口开口向下10°-12.5°时窄边冲击点速度最小. 关键词连铸：结晶器：板坯：流场：数值分析 分类号TF777.1 Numerical simulation on a slab continuous casting mould WANG Hai--pl2》,BA0 Yan-ping》 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Hunan Valin Lianyuan Iron Steel Co.Ltd.Loudi 417009,China Corresponding author,E-mail:baoyp@ustb.edu.cn ABSTRACT A continuous casting mould with a cross section of 1 400 mm x 230 mm was simulated by software Fluent 6.3,and the effects of casting speed,immersion depth and submerged nozzle (SEN)opening-angle on its flow field were investigated.It is shown that with the increase of casting speed,the maximum horizontal and vertical velocities of the liquid surface increase,and the position of the impact point on the narrow side does not change.With the increase of distance to the liquid surface,the velocity of the narrow side first increases and then decreases,till near to zero.When the casting speed is greater than 1.2mmin,the horizontal velocity of the liquid surface obviously increase.With the increase of SEN immersion depth,the maximum horizontal velocity of the liquid surface decreases,and the maximum vertical velocity increases.SEN immersion depth has little effect on the impact point on the narrow side. When the SEN immersion depth is greater than 140 mm,the change of the maximum horizontal velocity is small.With the increase of SEN downward opening-angle,the maximum horizontal velocity of the liquid surface first decreases and then increases.When the SEN downward opening-angle is 12.5,the maximum horizontal velocity of the liquid surface is the smallest,but the minimum velocity at the impact point on the narrow side can be obtained when the SEN downward opening-angle is 10 to 12.5. KEY WORDS continuous casting:moulds:slabs:flow fields;numerical analysis 结晶器是钢铁生产工序中进行洁净度控制、 浸入深度)对注入结晶器内钢水的流场及液面波 保证生产稳定的重要环节.由于结晶器内钢水流 动均有重要影响B-) 动状况及浇注条件对铸坯的质量有明显的影响， 结晶器内不合理的流场将导致结晶器内钢液表 国内外众多学者对结晶器进行过数值模拟研 面流速过大，弯月面波动加剧，铸坯窄面冲击强度过 究-.实践表明，浸入式水口结构参数（如水口 大等一系列问题，这些都将影响到连铸工艺的顺行 类型和水口侧孔倾角)和工艺参数（如拉速和水口 和铸坯质量.因此需要了解结晶器内钢液的流动特 收稿日期：2011-01-11

第 34 卷 第 3 期 2012 年 3 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 3 Mar． 2012 板坯连铸结晶器数值模拟 王海奇1，2) 包燕平1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 湖南华菱涟源钢铁集团，娄底 417009 通信作者，E-mail: baoyp@ ustb． edu． cn 摘 要 运用 Fluent 6. 3 对板坯连铸结晶器进行数值计算，研究拉速、水口浸入深度及水口开口角度对流场的影响． 结果表 明: 对于断面 1 400 mm × 230 mm 结晶器，随拉速增加，液面最大水平和垂直流速均增加，而窄边冲击点的位置基本不变，随距 液面距离增加，窄边速度先增加后减小，直至趋向于零; 当拉速超过 1. 2 m·min － 1 时，液面水平速度增加明显． 随水口浸入深度 增加，液面最大水平流速减小，浸入深度超过 140 mm 时，最大水平流速变化不明显; 垂直于液面方向的最大速度逐渐增加; 对 窄边冲击点影响较小． 随水口开口向下角度增加，液面最大水平流速减小后增加，水口开口向下 12. 5°时液面最大水平流速最 小，而水口开口向下 10° ～ 12. 5°时窄边冲击点速度最小． 关键词 连铸; 结晶器; 板坯; 流场; 数值分析 分类号 TF777. 1 Numerical simulation on a slab continuous casting mould WANG Hai-qi 1，2) ，BAO Yan-ping1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Hunan Valin Lianyuan Iron ＆ Steel Co． Ltd． ，Loudi 417009，China Corresponding author，E-mail: baoyp@ ustb． edu． cn ABSTRACT A continuous casting mould with a cross section of 1 400 mm × 230 mm was simulated by software Fluent 6. 3，and the effects of casting speed，immersion depth and submerged nozzle ( SEN) opening-angle on its flow field were investigated． It is shown that with the increase of casting speed，the maximum horizontal and vertical velocities of the liquid surface increase，and the position of the impact point on the narrow side does not change． With the increase of distance to the liquid surface，the velocity of the narrow side first increases and then decreases，till near to zero． When the casting speed is greater than 1. 2 m·min － 1 ，the horizontal velocity of the liquid surface obviously increase． With the increase of SEN immersion depth，the maximum horizontal velocity of the liquid surface decreases，and the maximum vertical velocity increases． SEN immersion depth has little effect on the impact point on the narrow side． When the SEN immersion depth is greater than 140 mm，the change of the maximum horizontal velocity is small． With the increase of SEN downward opening-angle，the maximum horizontal velocity of the liquid surface first decreases and then increases． When the SEN downward opening-angle is 12. 5°，the maximum horizontal velocity of the liquid surface is the smallest，but the minimum velocity at the impact point on the narrow side can be obtained when the SEN downward opening-angle is 10° to 12. 5°． KEY WORDS continuous casting; moulds; slabs; flow fields; numerical analysis 收稿日期: 2011--01--11 结晶器是钢铁生产工序中进行洁净度控制、 保证生产稳定的重要环节． 由于结晶器内钢水流 动状况及浇注条件对铸坯的质量有明显的影响， 国内外 众 多 学 者 对 结 晶 器 进 行 过 数 值 模 拟 研 究［1--2］． 实践表明，浸入式水口结构参数( 如水口 类型和水口侧孔倾角) 和工艺参数( 如拉速和水口 浸入深度) 对注入结晶器内钢水的流场及液面波 动均有重要影响［3--11］． 结晶器内不合理的流场将导致结晶器内钢液表 面流速过大，弯月面波动加剧，铸坯窄面冲击强度过 大等一系列问题，这些都将影响到连铸工艺的顺行 和铸坯质量． 因此需要了解结晶器内钢液的流动特 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.013

第3期 王海奇等：板坯连铸结晶器数值模拟 ·271· 征，以便更好地控制结晶器内钢液的流动状态 体，钢水的密度为常数，p=7100kg·m-3,其分子黏 结晶器内钢水流动是高温下一个极其复杂的物 度u=0.0055Pas. 理过程，直接测量结品器内钢水的流动非常困难 1.2网格划分 因而，利用计算机数值模拟对结晶器的流场进行研 以1400mm×230mm板坯连铸结晶器为研究 究，具有成本低、速度快、可以模拟真实条件及理想 对象，结晶器长度为1000mm,研究拉速、水口开口 条件等优点，目前己在连铸过程模拟中得到广泛 角度以及浸入深度对结晶器流场的影响.为减少计 应用 算量，取结晶器的1/2为计算对象，沿结晶器宽度方 本文采用Fluent6.3对板坯连铸结晶器流场进 向对称.图1为结品器网格划分示意图. 行数值模拟，研究了拉速、水口浸入深度及开口角度 2计算结果分析 对结晶器流场的影响. 1模型建立 2.1试验方案 为研究拉速、水口浸入深度及水口开口角度对 根据连铸结晶器内钢水的流动特征和研究目的 结晶器流场的影响，制定如下的试验方案：(1)保持 对结晶器内的流动作以下假设：(1)结晶器内钢水 浸入式水口开口向下15°、浸入深度为140mm,研究 为稳态黏性不可压缩流体：(2)不计结晶器液面的 拉速对结晶器内流场影响；(2)保持浸入式水口开 波动，把顶面设置为自由表面：(3)不考虑结晶器振 口向下15°，拉速为上述优化后拉速，研究浸入式水 动及锥度等因素的影响：(4)忽略钢水凝固对流动 口浸入深度对结晶器流场影响：(3)采用上述优化 的影响. 后的拉速及水口浸入深度，研究水口开口角度对结 1.1基本方程 晶器流场的影响. (1)连续性方程 ap-0. (1) ax: (2)动量方程(Navier--Stokes方程) 2-需品1o 式中p为流体密度，kgm3;山：山为i寸方向的速度 值，ms;x、x为i和j方向的坐标值，m;P为压 强，Pau为有效黏度系数，Pa·s,可用湍流模型确 定，本文采用Launder和Spalding提出的k-e双方 程模型来确定 图1结品器网格划分示意图 (3)湍动能(k)方程 Fig.I Schematic of mould meshing p(尝+装)=是)+-ae (3) 2.2拉速对结晶器流场的影响 (4)湍动能耗散率（ε）方程 图2为浸入式水口开口向下15°，浸入深度为 p(空+)-是片)+cG-6p. 140mm,拉速1.0、1.2、1.4和1.6mmin-时结晶器 内数值模拟流场情况 4) 从图2可看出，不同拉速下，流场形态基本无变 式中：k为湍流动能，m2·s-2;ε为湍动能耗散率， 化，即水口射流冲出水口后，流向结晶器窄面，与结 m6=%2(能·2)*= 晶器窄面碰撞后，分为上升流和下降流.上升流在 自由表面附近改变流向，朝水口方向流动，在自由表 uCk/e山，为湍流黏度系数，Pa·s4为层流黏度 面下方、水口射流上方形成较强的上回流，该回流将 系数，Pa·s.C1、C2、Cnok和o,为经验常数，采用 影响自由表面的波动，严重时将引起卷渣；下降流在 Launder和Spalding的推荐值，C,=L.43,C2=1.92, 结晶器下部形成与上回流方向相反、范围更大的回 C.=0.09,o4=1.00,0,=1.30. 流，其强度在向下延伸时逐渐减弱. 计算时把中间包内钢水视为等温不可压缩流 从图2还可看出：随拉速增加，冲击深度增加

第 3 期 王海奇等: 板坯连铸结晶器数值模拟 征，以便更好地控制结晶器内钢液的流动状态． 结晶器内钢水流动是高温下一个极其复杂的物 理过程，直接测量结晶器内钢水的流动非常困难． 因而，利用计算机数值模拟对结晶器的流场进行研 究，具有成本低、速度快、可以模拟真实条件及理想 条件等优点，目前已在连铸过程模拟中得到广泛 应用． 本文采用 Fluent 6. 3 对板坯连铸结晶器流场进 行数值模拟，研究了拉速、水口浸入深度及开口角度 对结晶器流场的影响． 1 模型建立 根据连铸结晶器内钢水的流动特征和研究目的 对结晶器内的流动作以下假设: ( 1) 结晶器内钢水 为稳态黏性不可压缩流体; ( 2) 不计结晶器液面的 波动，把顶面设置为自由表面; ( 3) 不考虑结晶器振 动及锥度等因素的影响; ( 4) 忽略钢水凝固对流动 的影响． 1. 1 基本方程 ( 1) 连续性方程 ρui xi = 0． ( 1) ( 2) 动量方程( Navier--Stokes 方程) ( ρuiuj ) xj = － P xj +  x [j μeff ( ui xj + uj x ) ] i ． ( 2) 式中: ρ 为流体密度，kg·m － 3 ; ui、uj为 i、j 方向的速度 值，m·s － 1 ; xi、xj 为 i 和 j 方向的坐标值，m; P 为压 强，Pa; μeff为有效黏度系数，Pa·s，可用湍流模型确 定，本文采用 Launder 和 Spalding 提出的 k--ε 双方 程模型来确定． ( 3) 湍动能( k) 方程 ρ ( k t + ui k x ) i =  x ( i μeff σk k x ) i + G － ρε． ( 3) ( 4) 湍动能耗散率( ε) 方程 ρ ( ε t + ui ε x ) i =  x ( i μeff σε ε x ) i + ε k ( C1G － C2 ρε) ． ( 4) 式中: k 为湍流动能，m2 ·s － 2 ; ε 为湍动能耗散率， m2 ·s － 2 ; G = μt uj x ( i ui xj + uj x ) i ; μeff = μi + μj ，μt = μCμ k 2 /ε; μi、μt为湍流黏度系数，Pa·s; μj为层流黏度 系数，Pa·s． C1、C2、Cμ、σk 和 στ 为经验常数，采用 Launder 和 Spalding 的推荐值，C1 = 1. 43，C2 = 1. 92， Cμ = 0. 09，σk = 1. 00，στ = 1. 30． 计算时把中间包内钢水视为等温不可压缩流 体，钢水的密度为常数，ρ = 7 100 kg·m － 3 ，其分子黏 度 μ = 0. 005 5 Pa·s． 1. 2 网格划分 以 1 400 mm × 230 mm 板坯连铸结晶器为研究 对象，结晶器长度为 1 000 mm，研究拉速、水口开口 角度以及浸入深度对结晶器流场的影响． 为减少计 算量，取结晶器的 1 /2 为计算对象，沿结晶器宽度方 向对称． 图 1 为结晶器网格划分示意图． 2 计算结果分析 2. 1 试验方案 为研究拉速、水口浸入深度及水口开口角度对 结晶器流场的影响，制定如下的试验方案: ( 1) 保持 浸入式水口开口向下 15°、浸入深度为 140 mm，研究 拉速对结晶器内流场影响; ( 2) 保持浸入式水口开 口向下 15°，拉速为上述优化后拉速，研究浸入式水 口浸入深度对结晶器流场影响; ( 3) 采用上述优化 后的拉速及水口浸入深度，研究水口开口角度对结 晶器流场的影响． 图 1 结晶器网格划分示意图 Fig． 1 Schematic of mould meshing 2. 2 拉速对结晶器流场的影响 图 2 为浸入式水口开口向下 15°，浸入深度为 140 mm，拉速 1. 0、1. 2、1. 4 和 1. 6 m·min － 1 时结晶器 内数值模拟流场情况． 从图 2 可看出，不同拉速下，流场形态基本无变 化，即水口射流冲出水口后，流向结晶器窄面，与结 晶器窄面碰撞后，分为上升流和下降流． 上升流在 自由表面附近改变流向，朝水口方向流动，在自由表 面下方、水口射流上方形成较强的上回流，该回流将 影响自由表面的波动，严重时将引起卷渣; 下降流在 结晶器下部形成与上回流方向相反、范围更大的回 流，其强度在向下延伸时逐渐减弱． 从图 2 还可看出: 随拉速增加，冲击深度增加， ·271·

·272· 北京科技大学学报 第34卷 a (b)0 02 4 0.8 0.8 0.5ms1 10 1.0 L0.5m 02 0.4 0.6 04 06 X/m X/m 0 d 0.2 0.8 1.005m 1.005m 0 02 0.4 06 0 0.2 0.4 0.6 X/m X/m 图2不同拉速下结晶器流场.(a)1.0 m'min:(b)1.2 m-min-:(c)1.4 n'min-:(d)1.6 n'min- Fig.2 Flow field of the mould at different casting speeds:(a)1.0m"min-1;(b)1.2m"min-;(c)1.4m"min-1 (d)1.6m"min1 水口射流在结晶器窄面上的碰撞角度变大，窄面受 同拉速下，从窄边到水口处，速度先增加后逐渐减 到的冲击压力也增大；上下回流区的涡心下降，回流 小，在距窄边0.45~0.50m达到最大值.随着拉速 速度增大，这对结晶器内夹杂物的分离排除和铸坯 的增加，液面最大水平流速增加.在拉速分别为 坯壳的均匀快速凝固都将产生不利影响.随着拉速 1.0、1.2、1.4和1.6mmin-1时，液面水平最大流速 增加，流股从侧孔喷出的注流速度增加，相应动能增 分别为6.9、7.8、10.5和11.8cms1:当拉速超过 加，表现为冲击深度增加，导致夹杂物上浮困难.注 1.2mmin-时，速度增加明显，从7.8cms-增加 流速度增加，射流到达窄边的速度增加，增强了对窄 到10.5cms1.因此，为减少引起表面水平流速过 边的冲击.因此，凝固铸坯的生长速度减缓，不利于 大而造成的剪切卷渣，结晶器在该宽度下其铸坯的 凝固坯壳的均匀生长 拉速不应超过1.2mmin. 图3为不同拉速下结晶器液面水平和垂直方向 液面垂直方向速度的增加意味着液面波动的加 速度分布图 剧.从图3(b)可看出，不同拉速下，从窄边到浸入 从图3(a)可看出，对于1400mm×230mm的铸 式水口间垂直方向的速度变化相似，从窄边到水口， 坯，水口开口向下15°，水口浸入深度为140mm,不 速度初期小幅减小，后增加，达到峰值后减小至零

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 2 不同拉速下结晶器流场 . ( a) 1. 0 m·min － 1 ; ( b) 1. 2 m·min － 1 ; ( c) 1. 4 m·min － 1 ; ( d) 1. 6 m·min － 1 Fig． 2 Flow field of the mould at different casting speeds: ( a) 1. 0 m·min － 1 ; ( b) 1. 2 m·min － 1 ; ( c) 1. 4 m·min － 1 ; ( d) 1. 6 m·min － 1 水口射流在结晶器窄面上的碰撞角度变大，窄面受 到的冲击压力也增大; 上下回流区的涡心下降，回流 速度增大，这对结晶器内夹杂物的分离排除和铸坯 坯壳的均匀快速凝固都将产生不利影响． 随着拉速 增加，流股从侧孔喷出的注流速度增加，相应动能增 加，表现为冲击深度增加，导致夹杂物上浮困难． 注 流速度增加，射流到达窄边的速度增加，增强了对窄 边的冲击． 因此，凝固铸坯的生长速度减缓，不利于 凝固坯壳的均匀生长． 图 3 为不同拉速下结晶器液面水平和垂直方向 速度分布图． 从图 3( a) 可看出，对于 1400 mm × 230 mm 的铸 坯，水口开口向下 15°，水口浸入深度为 140 mm，不 同拉速下，从窄边到水口处，速度先增加后逐渐减 小，在距窄边 0. 45 ～ 0. 50 m 达到最大值． 随着拉速 的增加，液面最大水平流速增加． 在拉速分别为 1. 0、1. 2、1. 4 和 1. 6 m·min － 1 时，液面水平最大流速 分别为 6. 9、7. 8、10. 5 和 11. 8 cm·s － 1 ; 当拉速超过 1. 2 m·min － 1 时，速度增加明显，从 7. 8 cm·s － 1 增加 到 10. 5 cm·s － 1 ． 因此，为减少引起表面水平流速过 大而造成的剪切卷渣，结晶器在该宽度下其铸坯的 拉速不应超过 1. 2 m·min － 1 ． 液面垂直方向速度的增加意味着液面波动的加 剧． 从图 3( b) 可看出，不同拉速下，从窄边到浸入 式水口间垂直方向的速度变化相似，从窄边到水口， 速度初期小幅减小，后增加，达到峰值后减小至零， ·272·

第3期 王海奇等：板坯连铸结晶器数值模拟 ·273· 0.01 0 a 0.014F6 -0.01 0.010 0.02 0.006 -003 -0.04 0.002 005 -0.002 -006 0.07 0.006 -拉速1.0mmi 0.0s 0.010 -0.09 0.014 一拉速 14 m-min 0.10 0.11 -0.018 -0.12 -0.022 0.136a0应o304o店0.60708 0 0.10203040.50.60.7 距卒边距离/m 距卒边距离/m 图3不同拉速下结品器液面水平()和垂直(b)方向速度分布 Fig.3 Horizontal (a)and vertical (b)velocities of the liquid surface in the mould at different casting speeds 后小幅增加，速度方向发生改变.在距窄边0.60m 从图5可看出：随着水口浸入深度的增加，结品 处最小为0mmin1,从水口窄边到0.60m时，垂直 器内流体自由表面流速降低：但水口浸入深度对表 速度表现为向下，在距离水口0.40m处达最大值. 面流速影响是有限度的，即当水口浸入深度达到一 随着拉速的增加，其垂直于液面方向的最大速度逐 定值，再增加水口的浸入深度将对表面流速的影响 渐增加.在拉速分别为1.0、1.2、1.4和1.6m· 不明显.同样，在水口与窄面的中间，随着水口浸入 min1时，其最大速度分别为0.6,0.76,0.98和1.2 深度的减小，表面流速的增幅大于靠近结品器窄面 cm…s 和水口附近的位置 图4为不同拉速下结晶器窄边冲击点位置分 图6为浸入式水口浸入不同深度结晶器液面水 布.从图4可看出，随着拉速的增加，其冲击点的位 平和垂直方向速度分布 置基本不变.不同拉速下，随距液面距离增加，窄边 从图6(a)可看出，水口开口向下15°、铸坯拉速 速度先增加后减小，直至趋向于零.在拉速分别为 为1.2mmin-l情况，不同水口浸入深度下，从窄边 1.0、1.2、1.4和1.6m·min-1时，其冲击点分别为 到水口处，速度先增加后逐渐减小，在距窄边0.45~ 0.4、0.42、0.40和0.40m,其冲击点的速度分别为 0.50m达到最大值.随着水口浸入深度的增加，其 3.5、4.4、5.5和5.7cms1 最大水平流速减小.浸入深度分别为100、120、140 和160mm时，液面水平最大流速分别为11.6， 0.06 11.2,10.5和10.2cm·s-.当水口浸入深度达到 0.05 一一拉速1,0mmn 。-拉速12mmin 140mm时，速度减小明显，即从11.2cms-1减少到 0.04 4-拉l.4mmin 0.03 -技速1.6mmim 10.5cm·s1.因此，为减少引表面水平流速过大而 引起的剪切卷渣，在该宽度下其水口的浸入深度不 0.0 应小于140mm. 从图6(b)可看出，不同浸入深度下，从窄边到 -0.01 浸入式水口间垂直方向的速度变化相似，从窄边到 0.02 0.03 水口，初始小幅减小，后增加，达到峰值后减小至零， 020020.40.60.81.01.21.41.6 窄边到液面的距离加 后小幅增加，速度方向发生改变，在距窄边0.54~ 0.61m处最小为零，从窄边到速度最小处时，垂直 图4不同拉速下结品器窄边冲击点分布 速度表现为向下，在距离窄边0.4m处达最大值. Fig.4 Impact point distribution on the narrow side in the mould at different casting speeds 随着水口浸入深度增加，其垂直于液面方向的最大 速度逐渐增加.浸入深度分别为100、120、140和 2.3浸入式水口浸入深度对结晶器流场的影响 160mm时，其最大速度分别为0.70、0.84、0.98和 图5为水口浸入100、120、140和160mm时结 10.4cms1,其位置分别为距窄边0.30、0.34、0.40 晶器内流场情况，水口开口向下15°，铸坯拉速为 和0.41m.随着浸入深度的增加，其液面垂直方向 1.2mmin-. 速度增加，表明液面波动加剧，但当水口浸入深度超

第 3 期 王海奇等: 板坯连铸结晶器数值模拟 图 3 不同拉速下结晶器液面水平( a) 和垂直( b) 方向速度分布 Fig． 3 Horizontal ( a) and vertical ( b) velocities of the liquid surface in the mould at different casting speeds 后小幅增加，速度方向发生改变． 在距窄边 0. 60 m 处最小为 0 m·min － 1 ，从水口窄边到 0. 60 m 时，垂直 速度表现为向下，在距离水口 0. 40 m 处达最大值． 随着拉速的增加，其垂直于液面方向的最大速度逐 渐增加． 在 拉 速 分 别 为 1. 0、1. 2、1. 4 和 1. 6 m· min － 1 时，其最大速度分别为 0. 6，0. 76，0. 98 和 1. 2 cm·s － 1 ． 图 4 为不同拉速下结晶器窄边冲击点位置分 布． 从图 4 可看出，随着拉速的增加，其冲击点的位 置基本不变． 不同拉速下，随距液面距离增加，窄边 速度先增加后减小，直至趋向于零． 在拉速分别为 1. 0、1. 2、1. 4 和 1. 6 m·min － 1 时，其冲击点分别为 0. 4、0. 42、0. 40 和 0. 40 m，其冲击点的速度分别为 3. 5、4. 4、5. 5 和 5. 7 cm·s － 1 ． 图 4 不同拉速下结晶器窄边冲击点分布 Fig． 4 Impact point distribution on the narrow side in the mould at different casting speeds 2. 3 浸入式水口浸入深度对结晶器流场的影响 图 5 为水口浸入 100、120、140 和 160 mm 时结 晶器内流场情况，水口开口向下 15°，铸坯拉速为 1. 2 m·min － 1 ． 从图 5 可看出: 随着水口浸入深度的增加，结晶 器内流体自由表面流速降低; 但水口浸入深度对表 面流速影响是有限度的，即当水口浸入深度达到一 定值，再增加水口的浸入深度将对表面流速的影响 不明显． 同样，在水口与窄面的中间，随着水口浸入 深度的减小，表面流速的增幅大于靠近结晶器窄面 和水口附近的位置． 图 6 为浸入式水口浸入不同深度结晶器液面水 平和垂直方向速度分布． 从图 6( a) 可看出，水口开口向下 15°、铸坯拉速 为 1. 2 m·min － 1 情况，不同水口浸入深度下，从窄边 到水口处，速度先增加后逐渐减小，在距窄边0. 45 ～ 0. 50 m 达到最大值． 随着水口浸入深度的增加，其 最大水平流速减小． 浸入深度分别为 100、120、140 和 160 mm 时，液面水平最大流速分别为 11. 6， 11. 2，10. 5 和 10. 2 cm·s － 1 ． 当水口浸入深度达到 140 mm 时，速度减小明显，即从 11. 2 cm·s － 1 减少到 10. 5 cm·s － 1 ． 因此，为减少引表面水平流速过大而 引起的剪切卷渣，在该宽度下其水口的浸入深度不 应小于 140 mm． 从图 6( b) 可看出，不同浸入深度下，从窄边到 浸入式水口间垂直方向的速度变化相似，从窄边到 水口，初始小幅减小，后增加，达到峰值后减小至零， 后小幅增加，速度方向发生改变，在距窄边 0. 54 ～ 0. 61 m 处最小为零，从窄边到速度最小处时，垂直 速度表现为向下，在距离窄边 0. 4 m 处达最大值． 随着水口浸入深度增加，其垂直于液面方向的最大 速度逐渐增加． 浸入深度分别为 100、120、140 和 160 mm 时，其最大速度分别为 0. 70、0. 84、0. 98 和 10. 4 cm·s － 1 ，其位置分别为距窄边 0. 30、0. 34、0. 40 和 0. 41 m． 随着浸入深度的增加，其液面垂直方向 速度增加，表明液面波动加剧，但当水口浸入深度超 ·273·

·274· 北京科技大学学报 第34卷 a 0 b 0.2 02 0.4 04 0.6 0.6 0.8 1.0 0.5m 0.5m 0.4 02 0.4 0.6 X/m X/m 0 Q3 0 0.4 0.6 08 0.8 1.0 05m 0.4 1.0l05m 02 0.6 0 02 0.4 0.6 Xim X/m 图5不同水口浸入深度结品器流场.(a)100mm;(b)120mm;(c)140mm:(d)160mm Fig.5 Flow field of the mould at different SEN immersion depths:(a)100mm:(b)120 mm:(e)140 mm:(d)160mm 0.015 ↑(a 。-浸人深度100mm 0.02 浸人深度120mm 0.010 一4一浸入深度140mm 一一浸人深度160mm 0.005 0.04 0 -0.06 0.005 0010 浸人深度100mm 0.08 0.015 浸人深度140mm 0.10 一浸人深度160mm 0.020 0.12 -0.025 00.1020.30.40.50.60.708 0 0.10.2 03040.5 060.7 距窄边距离/m 距窄边距离/m 图6不同水口浸入深度结品器液面水平(a）和垂直(b)方向速度分布 Fig.6 Horizontal (a)and vertical (b)velocities of the liquid surface in the mould at different SEN immersion depths

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 5 不同水口浸入深度结晶器流场 . ( a) 100 mm; ( b) 120 mm; ( c) 140 mm; ( d) 160 mm Fig． 5 Flow field of the mould at different SEN immersion depths: ( a) 100 mm; ( b) 120 mm; ( c) 140 mm; ( d) 160 mm 图 6 不同水口浸入深度结晶器液面水平( a) 和垂直( b) 方向速度分布 Fig． 6 Horizontal ( a) and vertical ( b) velocities of the liquid surface in the mould at different SEN immersion depths ·274·