薄板坯结晶器内卷渣现象的研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.06.006 第21卷第6期 北京科技大学学报 Vol.21 No.6 1999年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1999 薄板坯结晶器内卷渣现象的研究 包燕平朱建强蒋伟王昌旭田乃媛徐保美 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要基于相似原理，采用1：】的水模型，模拟了薄板坯连铸结晶器内钢液一保护渣界面的流场， 通过采用$G200水工数据采集系统对液面波动进行了定量测量.结合流场显示研究了薄板坯连铸 结晶器内钢液的卷渣机理，得出了薄板坯连铸结晶器内钢液的主要卷渣方式为旋涡卷渣和剪切卷 渣.研究了各工艺参数，即水口类型、浸入深度、水口出口倾角、拉速等，对保护渣卷入量、卷入方式、 卷入深度的影响。 关键词薄板坯连铸：水模型；结晶器；卷渣 分类号TF777 薄板坯连铸因铸坯厚度薄而带来了一系列 考虑模型与原型的Re,Fr数相等，通过计算采用 问题.从避免保护渣卷入到钢液中的角度出发， 1:1的水模型.实验整体装置图如图1所示，实验 涉及到：()由于铸坯厚度薄，宽厚比增大，铸坯 采用的水口类型如图2所示，本实验模拟漏斗型 表面积增大，相应地对起润滑和传热作用的液态 结晶器，结晶器断面为1200mm×50mm,如图3 保护渣的需求量也随之增大：(2)由于结晶器开口 所示. 度减小，固态保护渣熔化的空间随之减小，同时 也增大了液面紊流，易于把保护渣卷入钢液：(3) ,循环水管 高拉速增大了液面波动，加剧了卷渣现象，并使 中间包 卷入的渣不易于上浮. sG200水工 滑动水口 从理化性能考虑，薄板坯连铸保护渣必须具 数据采集系统 转子流量计 有：(1)良好的润滑作用：(2)能迅速熔化：(3)能吸 结晶器 b阀门 收上浮到钢水液面上的夹杂物.为此保护渣应具 有较低的粘度和熔融温度、合适的碱度及较快的 熔化速度等物理特性2訓. 水泵 同时，结晶器流场对保护渣的熔化、润滑、卷 排水管 入具有重大的影响作用.各工艺参数（浸入深度、 图1实验装备 出口倾角、水口类型及拉速等)均对保护渣的卷 入具有明显的影响.本文正是基于对流场的分 析，探讨了保护渣卷入结晶器流场的方式及分析 了各工艺参数对卷渣的影响. 功U 1实验方案 根据相似原理，考虑到结晶器中钢一渣界面 图2水口类型(a)双侧孔，(b)倒V型，(c)T型 处既有射流引起的受迫运动，又有重力引起的自 考虑到薄板坯连铸拉速高，为真实模拟钢一 由流动，即惯性力、重力及粘性力占支配地位，因 渣界面，进行了大量的预备实验，发现如果仅用 此本实验采用Re数和Fr数为相似准则，模拟时 液体石蜡或用聚氯乙烯粒子来模拟保护渣，均不 具有可拟性；当把聚乙烯粒子和液体石蜡结合使 199907-05收稿包燕平男，35岁，副教授 *国家"九五"重点攻关项目N0.955230104) 用，具有非常好的卷渣效果，和实际情况相似.因

第 21 卷 第 6 期 1 9 9 9 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d eT e h n o l o gy B e 小n g V匕1.2 1 N 0 . 6 D 即 . 1 99 9 薄板坯结晶器 内卷渣现象的研究 包燕平 朱建强 蒋 伟 王 昌旭 田 乃媛 徐保美 北京科技大学冶金 学院 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 基于相似 原理 , 采用 :l 的水模 型 , 模拟 了薄板坯连铸结晶器内钢液一 保护渣界面的流场 , 通过采 用 S G 2 0 水 工数据采 集系统对液面波动进行 了定量测量 . 结合流场显示研究了薄板坯连铸 结晶器 内钢液的卷渣机理 , 得 出了薄板坯连铸 结晶器 内钢液的主要卷渣方式为旋涡卷渣和剪切卷 渣 . 研 究了各工 艺参数 , 即水 口类 型 、 浸入深度 、 水 口 出 口倾角 、 拉速等 , 对保护渣卷入量 、 卷入方式 、 卷入深度的影响 . 关键词 薄板坯连铸 ; 水模型 ; 结 晶器 ; 卷渣 分类号 T F 7 7 7 薄板坯连 铸 因铸坯 厚度薄而带来 了 一 系列 问题 「` , . 从避免保护渣卷入到钢液中的角度 出发 , 涉及到 : ( l) 由于 铸坯厚度薄 , 宽厚 比增大 , 铸坯 表面积增大 , 相应地对起润滑和 传热作用的液态 保护渣 的需求量也随之增大 ; (2) 由于 结晶器开 口 度减小 , 固态保护渣熔化的空 间随之减小 , 同时 也增大了液面紊流 , 易于 把保护渣卷入钢 液 ; ( 3) 高拉速增大 了液面波动 , 加剧 了卷渣现象 , 并使 卷入 的渣不 易于上浮 . 从理化性能考虑 , 薄板坯连铸保护渣必须具 有 : ( l) 良好 的润滑作用 ; (2 ) 能迅速熔化 ; ( 3 ) 能吸 收上浮到钢 水液面上 的夹杂物 . 为此保护渣应具 有较低 的粘度和 熔融温度 、 合适 的碱度及较快的 熔化速度等物理特性2[,3] . 同时 , 结晶器流场对保护渣 的熔化 、 润滑 、 卷 入具有重大 的影响作用 . 各工艺 参数 ( 浸入深度 、 出口 倾角 、 水 口 类型及拉速等 ) 均对保护渣 的卷 入具有 明显 的影 响 . 本文 正 是 基 于 对流场的分 析 , 探讨 了保护渣卷入结晶器流场的方式及分 析 了各工 艺参数对卷渣的影 响 . 考虑模型与原型的 Re , rF 数相等 , 通过计算采用 1 : 1 的水模型 . 实验整体装置 图如图 1 所示 , 实验 采用的水口类型如图 2 所示 . 本实验模拟漏斗型 结晶器 , 结晶器断面为 1 2 0 mnI 、 50 lnI , 如图 3 所示 . S G 20 0 水工 数据采集系统 }} U 压. n 循环水管 中间包 滑动水口 转子流量计 结晶器 阀门 水泵 排 水管 图 1 实验装备 1 实验方案 根据相似原理 , 考虑 到 结晶器 中钢 一渣 界面 处 既有射流 引起的受迫运动 , 又有重力引起的 自 由流动 , 即惯性力 、 重力及粘性力 占支配地位 , 因 此本实验采用 R e 数和 rF 数为相似准则 , 模拟 时 U 19 9 9 一 0 7 一 0 5 收稿 包燕平 男 , 35 岁 ,副教授 * 国家 ” 九五 ” 重点攻关项 目(N 。 . 95 523 01 04 图 2 水 口类型( a ) 双侧孔 , ( b )倒 V 型 , ( e ) T 型 考虑到薄板坯连铸拉速高 , 为真实模拟钢 一 渣界面 , 进行了大量的预备实验 , 发现如果仅用 液体石蜡或用聚氯乙 烯粒子来模拟保护渣 , 均不 具有可拟性 ; 当把聚 乙烯粒子 和液体石蜡结合使 用 , 具 有非 常好 的卷渣效果 , 和 实际情况相似 . 因 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1999. 06. 006

Vol.21 No.6 包燕平等：薄板坯结晶器内卷渣现象的研究 ·531· 此，本次实验选择水/液体石蜡/聚乙烯粒子分别 (2)剪切卷渣.通过实验发现，当拉速大到一 模拟钢水液态渣/固态渣.为了观察方便，把液体 定程度或浸入深度小到一定程度时，在液面处对 石蜡染成黄色，聚乙稀粒子染成红色 称地形成两驻波，在驻波波谷处，液态保护渣受 B 从波峰处下降的钢液的剪切作用，卷入钢液流 场 保护渣层 卷渣主要发生3处：在结晶器的正中心（如 图3A),两股流股在此相汇，引起旋涡卷渣；在 水口的两侧（如图3B),负压导致旋涡卷渣：在 靠近结晶器窄边处（如图3C),驻波形成卷渣 旋涡卷渣时其旋转方向是固定的.当然每次实验 有可能仅出现其中的某1个或者某2个卷渣点， 卷渣点的具体位置也因每次实验参数的变化而 有所变化，但经多次实验观察，可以看到，卷渣均 在这3处附近. 2.2卷渣因素分析 (1)拉速对卷渣的影响. 图3卷渣位置A,B,C为卷渣处 1)拉速对液面波动的影响.见图4.从图上可 本实验各工艺参数及实验值如下表1所示 以看到无论有无保护渣，随拉速的增大液面波高 表1实验工艺参数及其各实验水平值 都增大.比较2条曲线的斜率可知，加入保护渣 工艺参数 实验值 后对拉速的敏感程度降低，这是因为随着拉速增 拉速/n.min 4.05.0 5.5 6.06.5 加，结晶器内部的射流交换速度加快，从水口注 浸入深度/cm17.521.024.528.031.5 入的射流量增加，流速也会相应加快，这些都将 双侧孔出口倾角向上5向下5向下15向下259一 使液面波动更加剧烈；当加入液态保护渣后，液 水口类型双侧孔倒V型T型 面处的表面张力增大，形成旋涡的能力降低 0.50 2实验结果及分析 0.40 2.1卷渣方式 0.30 通过实验发现卷渣方式主要有2种：(1)旋 0.10 一无渣 涡卷渣.研究表明，在浸入式水口附近存在漩涡. 0.20 一一有渣 其形成机理，一是在结晶器中心处，由于出口不 0.00 对称等因素造成的两出口流股速度不对称，致使 4.0 4.5 5.0 5.5 6.06.5 2个上回流流股在水口附近相互作用，当两流股 v/m.min 的速度差达到一定值时，在速度较小的一侧将产 图4拉速()对液面波高(h)的影响 生旋转流动，进而产生漩涡：二是由于射流从水 2)拉速对渣层的影响.表2列出了拉速对保 口流出时形成的负压，导致在水口两侧处形成汇 护渣的分布、卷入量、卷入深度的影响 流旋涡 表2拉速变化对卷渣的影响 v/m.min" 保护渣分布情况 卷渣量 卷入位置及方式 卷入深度/cm和卷入量 4.0 保护渣分布均匀，液面平静，几乎不被冲开 少 A,B点以旋涡状卷入35大部分，115少量 5.0 保护渣几乎不被冲开，其中固态渣分布均匀 而液态渣中心多，两边少 中 A,B点以旋涡状卷入35大部分，115少量 5.5 结晶器宽面两侧的渣面被冲开，出现裸露 中 B点以旋涡状卷入， 45大部分，115少量 A点偶尔发生卷渣 6.0 距中心45cm处的渣面较易被冲开，出现裸露 B点以旋涡状卷入， 35大部分，115少量 A点偶尔发生卷渣 6.5 渣面很容易被冲开，出现裸露，在结晶器宽边 A点以旋涡状卷入， 距中心32cm处出现厚渣层 多 C点以剪切的方式进入 115大部分，35少量

V 6 1 . 2 1 N O 一 6 包燕平等 :薄板坯结 晶器 内卷渣现象的研究 此 , 本次实验选择水 /液体石蜡 /聚乙 烯粒子分别 模拟钢水/液态渣/固态渣 . 为了观察方便 , 把液体 石蜡染成黄色 , 聚乙烯粒子染成红色 . 子厂汽飞 \ ~ 一一一 产 夕 图 3 卷渣位置 A , B , C 为卷渣处 本实验各工艺参数及实验值如下表 1 所示 . 表 1 实验工艺参数及其各实验水平值 工 艺参数 实验值 拉速m/ · m i n 一 , 4 . 0 5 . 0 5 5 6 . 0 6 . 浸入深度/ e m 1 7 . 5 2 1 . 0 2 4 . 5 2 8 . 0 3 1 双侧孔出口倾角 向上 5 9 向下 5 “ 向下 15 “ 向下 25 , - 水 口类型 双侧孔倒 V 型 T 型 一 一 (2 ) 剪切 卷渣 . 通过实验发现 , 当拉速大到一 定程度或浸入深度小到一 定程度时 , 在液面处对 称地形成两驻波 . 在驻波波谷处 , 液态保护渣受 从波 峰处 下 降的钢 液的剪切作用 , 卷入钢液流 场 . 卷渣主 要发生 3 处 : 在结晶器的正 中心 ( 如 图 3 A ) , 两股流股在此相汇 , 引起旋涡 卷渣 ; 在 水 口 的两侧 ( 如图 3 B ) , 负压导致旋涡 卷渣 ; 在 靠近结晶器窄边处 ( 如图 3 C ) , 驻波形 成卷渣 . 旋涡卷渣 时其旋转方向是固定 的 . 当然每次实验 有可能仅 出现其 中的某 1 个或者某 2 个卷渣点 , 卷渣点 的具体位置 也因每 次实验参数的变化而 有所变化 , 但经多次实验观察 , 可以看到 , 卷渣均 在这 3 处 附近 . 2 . 2 卷 渣因素分析 ( l) 拉速对卷渣 的影响 . l) 拉速对液面波动的影响 . 见图 4 . 从 图上 可 以看到无论有无保护渣 , 随拉速 的增大液面波高 都增大 . 比较 2 条 曲线的斜率可知 , 加入保护渣 后 对拉速的敏感程度降低 , 这是因为随着拉速增 加 , 结 晶器内部的射流交换速度加快 , 从水 口注 入 的射流量增加 , 流速也会相应加快 , 这些都将 使液面波动 更加 剧烈 ; 当加入液态保护渣后 , 液 面处的表面张力增大 , 形成旋涡 的能力降低 . 2 实验结果及分析 2 . 1 卷渣方式 通过实验发现卷渣方式主要 有 2 种 : ( l) 旋 涡卷渣 . 研究表明 , 在浸入式水口 附近存在漩涡 . 其形成机理 , 一是在结晶器中心处 , 由于 出 口 不 对称等因素造成 的两 出 口 流股速度不对称 , 致使 2 个上回流流股在水 口 附近相互作用 , 当两流股 的速度差达到一 定值时 , 在速度较小的一侧将产 生旋转流动 , 进而产生漩涡 ; 二是 由于射流从水 口 流出时形成的负压 , 导致在水 口两侧处形成汇 流旋涡 . 日 之, 之 0 . 0 0 _ _ . 4 . 0 4 . 5 5 . 0 5 . 5 6 . 0 6 . 5 v /m · m i n 一 ’ 图 4 拉速(v) 对液面波高 (h) 的影响 2 ) 拉速对渣层 的影 响 . 表 2 列出了拉速对保 护渣的分布 、 卷入量 、 卷入深度的影响 . 表 2 v m/ · m l n 一’ 保护渣分布情况 拉速变化对卷渣的影响 卷渣量 卷入位 置及 方式 卷 入深度 c/ m 和卷入量 保护渣分布均匀 , 液面平静 ,几 乎不被冲开 飞翱燕香兀了不颧 1 1)氏浮舀于 . 适卜酥渣芬希西匀 而液态渣 中心 多 , 两边少 结晶器宽面两侧 的渣面被冲开 , 出现裸露 A , B 点以旋涡状卷 入 A , B 点以旋涡状卷入 B 点以旋 涡状 卷入 , A 点偶尔发生卷渣 B 点以旋 涡状卷 入 , A 点偶尔发生卷渣 A 点 以旋涡状卷入 , C 点 以剪切的方式进 入 3 5 大部分 , 1巧 少量 3 5 大部分 , 1 1 5 少量 4 5 大部分 , 1 1 5 少量 距 中心 45 c m 处 的渣面较 易被冲 开 , 出现裸露 渣 面很容 易被冲 开 , 出现裸露 , 在结 晶器宽边 距中心 32 c m 处出现 厚渣层 3 5 大部分 , 1 15 少量 1 1 5 大部分 , 3 5 少量

532 北京科技大学学报 1999年第6期 由表2知：随着拉速的增加，保护渣层液面 情况. 越来越容易被冲开，出现裸露.这是因为随着拉 随着浸入深度的增加，液面波动值明显呈下 速的增加，液面波动越来越剧烈，上、下回流都得 降趋势、这是因为浸入深度增加后，上回流的发 到了较大发展，强度也相应增加.上回流的发展， 展空间变大，强度必然会减弱.通过比较图5有 导致在靠近弯月面处形成驻波，对保护渣层有一 渣和无渣2条趋势线，可看到加入保护渣之后， 个剪切力的作用，使保护渣向中心聚集，经过一 液面波动将会减弱，这是因为保护渣层增加的厚 定时间后，两边的保护渣面被冲开，致使钢液裸 度相当于液面升高，也相当于浸入深度增加，必 露 然会导致波动程度减弱.当浸入深度超过315mm 另外，随着拉速的增加，液面钢液流速相应 之后，可以看到有渣和无渣的区别已不大.这是 增大，回流强度增加，旋涡强度变大，逐步形成驻 因为浸入深度较大时，液面已经变得较为平稳. 波且驻波的波幅也增大，使卷渣量和卷入深度都 0.50r 逐渐增加，即产生剪切卷渣.一般来说，当拉速较 ·有渣 小时，主要是由于回流引起的旋涡状卷渣；当拉 0.40 一无渣 速增加到6m/min或高于该值时，保护渣会向中 心聚集，在距中心约35cm处形成一个厚渣层，它 0.30 受到上回流的剪切作用，以切向的方式进入流场 中，被卷入钢液的保护渣，随拉速的增大，也越不 0.20 易于上浮，其卷入深度增大 175 210 245 280 315 1/mm (2)水口浸入深度对卷渣的影响.本实验中 图5浸入深度(0对液面波高)的影响 浸入深度变化范围为175~315mm,间隔为35 mm.图5示出了液面波动随浸入深度增加的变化 浸入深度对液面的裸露和卷渣也有影响，如 表3. 表3漫入深度对卷渣的影响 //mm 保护渣分布情况 卷渣量 卷入位置及方式 卷入深度/cm和卷入量 315 保护渣分布均匀，液面平静，几乎不被冲开 较少A、B点以旋涡状卷入 35大部分，115少量 保护渣几乎不被冲开，其中固态渣分布均匀， 280 较少 A、B点以旋涡状卷入 35大部分，115少量 而液态渣中心多，两边少 B点以旋祸状卷入，有时 245 结晶器宽边两侧的渣面被冲开，出现裸露 中 45大部分，115少量 也会在A点发生卷渣 渣面较容易被冲开，出现裸露，结晶器宽边距 C点剪切卷渣，有时也 210 中 35大部分，115少量 中心35cm处的渣层最厚 会在A点发生卷渣 渣面容易被冲开，出现裸露，结晶器宽边距中 C点剪切卷渣，有时也会 175 多 心20cm处的渣层最厚 在A点发生卷渣 45大部分，115少量 由表3可看出：1)随着浸入深度的减小，模拟 减小到175mm时，由于在B点的切向卷渣，导致 的保护渣层越来越不稳定，尤其是当浸入深度小 卷渣量较大，在实际生产中应该尽量加以避免. 于210mm后，渣层很容易被冲开.这是因为浸入 水口的浸入深度，在实际浇注过程中可以选 深度减小后，水口出口距液面的距离减小，导致 择245mm左右较为合适. 上回流强度增加，形成一个切向力，使得保护渣 (3)水口类型对卷渣的影响.在本实验中，进 逐渐向中心堆积，只有经过较长的时间后，渣液 行了传统的双侧孔型、倒V型（也叫牛鼻子型）、T 将会被冲开.从数据可知浸入深度为210mm时， 型水口对卷渣影响的实验，实验结果如图6所示. 容易在宽边距中心35cm处出现厚渣层：当浸入 由图6可知：从降低液面波动的角度来看，双 深度为175mm时，容易在宽边距中心20cm处出 侧孔水口更适合保护渣下的浇铸.这是因为T型 现厚渣层.而厚渣层的出现，直接导致了厚渣层 水口与倒V型水口的冲击深度远远大于双侧孔 的底部易以切向的方式卷渣，并随着浸入深度的 水口，而液面波动在有渣时也大于双侧孔水口， 减小，厚渣层越靠近结晶器中心.2)随着浸入深 并且这2种水口的液面波动值在有渣和无渣时 度的减小，卷渣量逐渐增加，尤其是当浸入深度 变化不大

. 5 32 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1999 年 第 6 期 由表 2 知 : 随着拉速的增加 , 保护渣层液面 越来越容易被冲开 , 出现裸露 . 这是 因为随着拉 速的增 加 , 液面 波动越来越剧烈 , 上 、 下 回流都得 到 了较大发展 , 强度也相 应增加 . 上回流 的发展 , 导致在靠近弯 月面处形 成驻波 , 对保护渣层有一 个剪切 力 的作用 , 使保护渣向中心 聚集 , 经过一 定 时间 后 , 两边的保护渣面被冲开 , 致使钢液裸 露 . 另外 , 随着拉速 的增加 , 液面钢 液流速相应 增 大 , 回流强度增加 , 旋涡 强度变大 , 逐步形成驻 波且驻波的波幅也增大 , 使卷渣量和 卷入深度都 逐渐增加 , 即产生剪切卷渣 . 一 般来说 , 当拉速较 小时 , 主 要是 由于 回流引起 的旋涡 状卷渣 ; 当拉 速增加到 6 m /m in 或高于该值时 , 保护渣会 向中 心聚 集 , 在距 中心约 3 5 c m 处形成一个厚渣层 , 它 受到上回流 的剪切作用 , 以切 向的方式进入流场 中 , 被卷入钢 液的保护渣 , 随拉速 的增大 , 也越不 易于上 浮 , 其卷 入深度增大 . (2 ) 水 日 浸入深 度对卷渣 的影响 . 本实验中 浸 入深度变化范 围为 1 75 一 3巧 m m , 间隔 为 35 m m . 图 5 示 出了液面波动随浸入深度增加 的变化 情况 . 随着浸入深度的增加 , 液面波动值明显呈下 降趋势 . 这是因为浸入深度增加后 , 上回流的发 展空 间变大 , 强度必然会减弱 . 通过比较图 5 有 渣和 无渣 2 条趋势线 , 可看到加入保护渣之后 , 液面波动将会减弱 , 这是因为保护渣层增加的厚 度相当于 液面升高 , 也相当于浸入深度增加 , 必 然会导致波动程度减弱 . 当浸入深度超过 3 15 幻n r n 之后 , 可以看到有渣和无渣的区别己不大 . 这是 因为浸入深度较大时 , 液面已经变得较为平稳 . 0 . 5 0 「 、 、 0 . 4 0幸 一全一 _ — 有渣 一 一 无渣 日 O、 、 魂 、 、 0 . 30 . 奋 一今 0 . 20 1 L 7 e 5 e e e 一` 2 山 10 - - 一 - ` 一 - 2 ` 4 5 2二80 3 15 了加m 图 5 漫入深度仍对液面波高(h) 的影晌 浸入深度对液面的裸露和卷渣也有影响 , 如 表 3 表 3 浸入深度对卷渣的影响 Zm/ m 保护渣分布情况 卷渣量 卷入位置及方式 卷入深度/cm 和卷入量 2 1 0 17 5 保护渣分布均匀 , 液面平静 , 几乎不被冲开 保护渣几 乎不被冲 开 , 其中固态渣 分布均匀 , 而液态渣中心多 , 两边少 结晶器宽边两侧的渣面被冲开 , 出现裸露 渣 面较 容易被冲开 , 出现裸 露 , 结晶器宽边距 中心 35 c m 处的渣层最厚 渣 面容 易被冲开 , 出现裸 露 , 结晶器宽边距中 心 2 0 c m 处的渣层最厚 较少 A 、 B 点以旋涡状卷入 较少 A 、 B 点 以旋 涡状卷入 B 点以旋涡状卷入 , 有时 也会在 A 点发生卷渣 C 点剪切卷渣 , 有时也 会在 A 点发生卷渣 C 点剪切卷渣 ,有 时也会 在 A 点发生卷渣 35 大部分 , 115 少盘 3 5 大部分 , 115 少量 4 5 大部分 , 115 少量 35 大部分 , 115 少t 4 5 大部分 , 115 少t 由表 3 可看 出 : 1) 随着浸入深度 的减 小 , 模拟 的保护渣层越来越不稳定 , 尤其是当浸入深度小 于 2 10 m m 后 , 渣层很容易被冲开 . 这是因 为浸入 深 度减小后 , 水 口 出 口 距液面的距离减小 , 导致 上 回流强度增加 , 形成一个切 向力 , 使得保护渣 逐渐 向中心堆积 , 只有经过较长 的时 间后 , 渣液 将会被冲开 . 从数据可知浸入深度为 2 10 m m 时 , 容易在宽边距 中心 3 5 c m 处出现厚渣层 ; 当浸入 深度为 175 m m 时 , 容易在宽边距 中心 20 c m 处 出 现厚渣层 . 而厚渣层 的出现 , 直接导致 了厚渣层 的底部 易 以切 向的方式卷渣 , 并随着浸入深度 的 减小 , 厚渣层越靠近结晶器中心 . 2) 随着浸入深 度的减小 , 卷渣量逐渐增加 , 尤其是 当浸入深度 减小到 1 75 m m 时 , 由于在 B 点的切向卷渣 , 导致 卷渣量较大 , 在实际生产中应该尽量加以避免 . 水 口 的浸入深度 , 在实际浇注过程中可以选 择 2 45 m m 左右 较为合适 . (3 ) 水 口 类型对卷渣 的影响 . 在本实验中 , 进 行了传统的双侧孔型 、 倒 V 型 ( 也叫牛鼻子型) 、 T 型水 口 对卷渣影响的实验 , 实验结果如 图 6 所示 . 由图 6 可知 : 从降低液面波动的角度来看 , 双 侧孔水 口 更适合保护渣下 的浇铸 . 这是因为 T 型 水 口 与倒 V 型水 口 的冲击深度远远大于双侧孔 水 口 , 而液面波动在有渣时也大于 双侧孔水 口 , 并且这 2 种水 口 的液面波动值在有渣和 无渣时 变化不 大

Vol.21 No.6 包燕平等：薄板坯结晶器内卷渣现象的研究 ·533 上倾而增加.加入保护渣之后，可以看到液面明 0.5 显变得平稳 无渣 0.4 一无渣 渣 0.40 一一有渣 0.3 0 0.30 0.1 0.20 T型 倒V型双侧孔 0.10 图6水口类型对液面波高的影响 -25-20 -15-10 -5 05 水口类型的变化对卷渣的影响，如表4， a/(9 从表4可知传统的双侧孔型、倒V型（也叫牛 图7水口出口倾角(a)对液面波高(h)的影响 鼻子型)、T型水口的渣面均较为平稳，卷渣量都 出口倾角对保护渣层的影响见表5， 属中等，这和前面分析的液面波动情况是一致的， 由表5可以看到，当水口出口倾角为向上5 (4)水口出口角度对卷渣的影响.双侧孔水口 和向下5时，液面比较平稳，不容易出现裸露，卷 出口倾角影响射流的角度，进而影响冲击深度，同 渣量也很少；当出口倾角为向下15和25，卷渣 时还影响液面波动情况.在研究结晶器内的流场 量明显增加，尤其是向下25，其冲击深度大，卷 时，出口倾角是一个很关键的参数.本次实验出口 入水中的保护渣受到冲击后，大部分被带到流场 倾角从向上5变化到向下25.图7为液面波动随 下方，上浮的机会很少，实际生产中将会造成铸 着倾角变化的情况. 坯的各种缺陷，应该加以避免， 从图7可知液面波动基本是随着出口倾角的 表4水口类型变化对卷渣的影响 水口类型 保护渣分布情况 卷渣量 卷入位置及方式 卷入深度/cm和卷入量 保护渣基本不被冲开，固态渣分布基本均 倒V型 中 A点以旋涡状卷入 匀，液态渣中心多，两边少 30大部分，115少量 T型 保护渣经较长时间被冲开.固态渣分布基 中 A点以旋涡状卷入 35大部分，115少量 本均匀，液态渣中心多，两边少 双侧孔 两边的渣面经过一段时间后被冲开，出现 中 B点以旋涡状卷入，有时 45大部分，115少量 裸露 也会在A点发生卷渣 表5出口倾角对卷渣的影响 a/() 保护渣分布情况 卷渣量 卷入位置及卷入方式 卷入深度/cm和卷入量 5 保护渣基本不被冲开.经过一段时 很少 间后，中间渣层变厚 A点以旋涡状卷入 宽边两侧的渣面经过一段时何后 A点以旋涡状卷入 -5 被冲开，出现棵露 较少 B点以旋涡状卷入 55大部分，50少量 宽边两侧的渣面经过一段时间后 B点以旋涡状卷入，有时 -15 中 45大部分，115少量 被冲开，出现裸 也会在A点发生卷渣 -25 宽边两侧的渣面经过较长时间后 A,B点都以旋涡形式卷渣30少量，115大部分 被冲开，出现裸露 3结论 (2)有无保护渣浇铸的对比实验可知：有渣浇 铸的液面波动明显小于无渣浇铸. (1)薄板坯连铸结晶器内卷渣方式主要有2 (3)得到了水口浸入深度、水口形状、出口倾 种：在水口两侧及结晶器中心处的旋涡卷渣：在结 角和拉速对液面波动、保护渣卷入量、卷入深度、 晶器弯月面附近由于形成驻波产生剪切卷渣. 卷入方式的影响规律

V b l 一 2 1 N 0 . 6 包燕平等 : 薄板坯 结晶器 内卷 渣现 象的研 究 一 5 3 3 . 上倾而增 加 . 加入保护渣之后 , 可 以看到液面 明 显变得平稳 . 乓 — 无渣 一- 一 有渣 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 . 卜 . 一 一 一一 一 侧 .0. 40302 之厦日 。 T 型 倒 v 型 双侧孔 圈 6 水口类型对液面波高的影响 水口类型的变化对卷渣的影响 , 如表 4 . 从表 4 可知传统的双侧孔型 、 倒 V 型 (也叫牛 真子型) 、 T 型水 口的渣面均较为平稳 , 卷渣量都 属中等 , 这和前面分析的液面波动情况是一致的 . (4 ) 水口出口角度对卷渣的影响 . 双侧孔水 口 出口倾角影响射流的角度 , 进而 影响冲击深度 , 同 时还 影响液面波动情况 . 在研究结晶器 内的流场 时 , 出口倾角是一个很关键的参数 . 本次实验 出口 倾角从向上 5 9变化到向下 25 “ . 图 7 为液面波动随 着倾角变化的情况 . 从图 7 可 知液面波动基本是随着出口 倾角的 0 。 10 ] 一 25 一 20 一 15 一 1 0 一 5 0 5 a / ( 只 ) 图 7 水口 出口倾角(a) 对液面波高 (h) 的影响 出口倾角对保护渣层的影响见表 5 . 由表 5 可 以看到 , 当水 口 出口倾角为向上 5 9 和 向下 5 “ 时 , 液面 比较平稳 , 不容易出现裸露 , 卷 渣量也很少; 当出 口 倾角为向下 15 9和 2 5 9 , 卷渣 量 明显增加 , 尤其是 向 下 2 5 9 , 其冲击深度大 , 卷 入水中的保护渣受到 冲击后 , 大部分被带到流场 下方 , 上浮的机会很少 , 实际生产 中将会造成铸 坯的各种缺陷 , 应该加以避免 . 表 4 水口类型变化对卷渣的影响 水 口类型 保护渣分布情况 卷渣量 卷入位置及方式 卷入深度 c/ m 和卷 入量 倒 V 型 保护渣基本不被冲 开 . 固态渣分布基本均 匀 , 液态渣 中心 多 , 两边少 保护渣经较长时间被冲开 . 固态渣分布基 本均匀 ,液态渣中心多 , 两边少 两边的渣面经过一段时间后被冲开 , 出现 裸露 中 A 点 以旋涡状卷入 3 0 大部分 , 1 1 5 少量 T 型 双侧孔 A 点 以旋祸状卷入 B 点 以旋涡状 卷入 , 有时 也会 在 A 点发生卷渣 3 5 大部分 , 1 15 少塌 4 5 大部分 , 1 1 5 少量 表 5 出口倾角对卷渣的影响 司(0) 保护渣分布情况 卷渣量 卷入位 置及卷入方式 卷入深度c/ m 和卷入量 保护渣基本不被冲开 . 经过一段时 间后 , 中间渣层变厚 宽边两侧 的渣面经过一段时间后 被冲开 , 出现裸露 宽边两侧 的渣面经过一段时间后 被冲开 , 出现裸露 宽边两侧 的渣面经过较长时间后 被冲开 , 出现裸露 很少 A 点 以旋涡状卷入 较少 一 1 5 A 点以旋涡状卷入 B 点 以旋涡状卷入 B 点 以旋涡状卷入 , 有 时 也会在 A 点发 生卷渣 5 5 大部分 , 50 少量 4 5 大部分 , 1 1 5 少量 一 2 5 多 A , B 点都以旋涡 形式卷渣 30 少量 , 1巧 大部分 3 结论 ( l) 薄板坯连铸结 晶器 内卷渣方式主 要有 2 种 : 在水 口 两侧及结晶器中心处 的旋涡 卷渣 ; 在结 晶器弯月 面附近 由于形成驻波产生 剪切 卷渣 . (2 ) 有无保护渣浇铸的对比实验可 知 : 有渣浇 铸的液面波动明显 小于 无渣浇铸 . (3 ) 得到了水 口浸入深度 、 水 口 形状 、 出 L〕倾 角和 拉速对液面波动 、 保护渣卷入量 、 卷入深度 、 卷入 方式的影 响规律

·534· 北京科技大学学报 1999年第6期 参考文献 2胡忠仁.高速连铸保护渣技术的探讨.连铸，1991(1)：38 1田乃媛.薄板坯连铸和热装直接轧制.北京：冶金工业 3张贺林，朱果灵.薄板坯连铸用保护渣，钢铁，195,302 237 出版社，1993.1 Water Modeling Research on Slag-Entrapment in the Mould of Thin S'ab Continuous Caster Bao Yanping.Zhu Jiangiang.Jiang Wei,Wang Changxu,Tian Naiyuan,Xu Baomei Metallurgy School.UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Based on the Similarity criteria,series water modeling experiments have been carried out to investigate the mechanisms of powder entrapment in the mould of thin slab continuous caster.SG200 hydraulic experiment system was applied to measure the wave amplitude.The main mode of the powder entraps into the steel and the influences of the technique parameter to entrap depth and mode have been obtained. KEY WORDS thin slab continuous casting;water-modeling;mould;mould powder entrapment esTesTeoYeoleslestasfesleste堂aafestao业ass堂望ssas堂eess堂es业eses堂s堂ss望ess堂as望e业业Y 科研成果介绍 高炉氧煤强化炼铁新工艺 该项目为国家“八五”攻关项目(85-501)，内容包括：高炉富氧喷煤燃烧技 术、煤粉喷吹，高炉过程控制技术、大型高炉热风炉自身预热技术、高炉新型冷 却结构、耐火材料、喷补技术、高炉喷煤新工艺及安全技术、改善焦炭质量炼焦 新工艺、烧结球团新技术以及氧煤炼铁理论研究等9个方面内容， 先后获得29项专利（其中9项为发明专利），通过41项子专题部级鉴定 攻关的综合试验是在鞍钢3号高炉(831)进行的，创下了连续92天平均 喷煤比大于200kg的国际先进水平.试验热风温度为1000~1050℃，富氧量为 3.0%~4.0%,热风炉烧嘴用的煤气都进行了预热(200℃左右)，取得了单炉年经 济效益1300万元，该项目已被评为冶金部科技进步一等奖.部分成果已出口国 外，并有大量成果推广到国内钢铁企业

北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 9 年 第 6 期 参 考 文 献 l 田乃媛 . 薄板坯连铸和热装直接轧制 . 北京 : 冶金 工业 出版社 , 1 9 9 3 . 1 2 胡忠仁 . 高速连铸保护渣技术 的探讨 . 连铸 , 1991 (l) : 38 3 张贺林 , 朱果灵 . 薄板坯连铸用保护渣 , 钢铁 , 1995 , 30 (2 ) : 2 3 7 W a t e r M o d e l i n g R e s e a r c h o n S l a g 一 E n t r a P m e n t i n t h e M o u l d o f T h i l S ’ a b C o n t i l u o u S C a s t e r B a o aY nP i ng, hZ u iJ a n q i a n ,g iJ a gn 肠 i, 肠 n g hC a 刀 g x u, iT a n aN iy u a n, Xu B a o 阴 e i M e t a ll u r g) S e h o o l , U S T B e ij ign , B e ij in g 1 0 0 0 8 3 , Ch i n a A B S 『 l ’ R A C 『 I ’ B a s e d o n ht e 5 1m l l ar l ty c r lt e r l a , s e r l e s w a t e r m o d e l i n g e X Pe ir m e 爪5 h va e b e e n c拼le d o u t ot i n v e s t i g at e ht e m e c h a n i s m s o f Po w d e r e n tr ap m e n t i n ht e m o u ld o f ht i n s l a b e o nt iun o u s e a s t e .r S G 2 00 hy dr au li e e xP e r im e nt s y s t e m w a s a PP li e d t o m e a s ur e ht e w va e a ln Plit u d e . T h e m a i n m o d e o f ht e Po w d e r e n tr aP s i ont ht e s t e e l an d ht e i n fl u e n e e s o f ht e t e e h n iqu e Par am e t e r t o e n t r ap d e Pht an d m o d e h a v e b e e n o b at i n e d . K E Y WO R D S ht i n s lab e o n t iun o u s e a s t i n g : w at e r 一 m o d e li n g ; m o u ld ; m o u ld Po w d e r e n tr aP m e in 科研成果介绍 高炉氧煤强化炼铁新工艺 该项 目为 国家 “ 八五 ” 攻关项 目 ( 85 一5 0 1) , 内容包括 : 高炉富氧喷煤燃烧技 术 、 煤粉喷吹 , 高炉过程控制技术 、 大型高炉热风炉 自身预热技术 、 高炉新 型冷 却 结构 、 耐火材料 、 喷补技术 、 高炉喷煤新工艺及安全技术 、 改善焦炭质量炼焦 新工艺 、 烧结球团新技术 以及氧煤炼铁理论研究等 9 个方面 内容 . 先后获得 29 项专利 (其中 9 项 为发明专利) , 通过 41 项子专题部 级鉴 定 . 攻关 的综合试验 是在鞍钢 3 号高炉 ( 83 l m , ) 进行 的 , 创下 了连续 92 天平均 喷煤比大于 2 0 kg 的国际先 进水平 . 试验热风温度为 1 0 0 0一 1 0 50 ℃ , 富氧量为 3 . 0 % 一4 . 0 % , 热风炉烧嘴用 的煤气都进行 了预热 (2 0 ℃ 左 右 ) , 取得 了单炉年经 济效益 1 30 0 万元 , 该项 目已被评 为冶金部科技进步一等 奖 . 部 分成果 已 出 口 国 外 , 并有大量 成果推广到 国内钢铁企业