高拉速板坯连铸结晶器浸入式水口的水模型研究

D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.10.014 第35卷第10期 北京科技大学学报 Vol.35 No.10 2013年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2013 高拉速板坯连铸结晶器浸入式水口的水模型研究 邓小旋☒，熊霄，王新华，冀云卿，黄福祥，郝鑫 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:dcx042a163.com 摘要利用染料示踪法，采用波高传感器和旋桨式流速仪在全比例水模型中研究了四种浸入式水口(A型：凹型，15° (上角度)-15（下角度）：B型：凸型，15°-15°：C型：凹型，40°-15°，D型：凸型，40°15)下板坯连铸结晶器内的流场和 液面特征.发现采用凹型水口时结晶器液面的波动与表面流速均小于凸型水口.凹型水口下的表面流速变化的功率（频 率为0.03~0.1Hz)比凸型水口小约50%，所以凹型水口更有利于减少结晶器内卷渣的发生.在高拉速条件下（拉速为 1.8mmin-1),较大的水口出口上角度有利于抑制水口出口流股的漩涡流，进而减少剪切卷渣的发生.四种水口中C型 水口条件下结晶器液面的表面流速最小，约为027ms1,为提高拉速留有较大余地，所以适合高拉速连铸的最佳浸入 式水口为C型 关键词连铸：结晶器：浸入式水口：水模拟 分类号TF777.1 Water modeling study on submerged entry nozzles in continuous slab casting molds for high speed casting DENG Xiao-ruan,XIONG Xiao,WANG Xin-hua,JI Yun-qing.HUANG Fu-ziang,HAO Xin School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:dxx042@163.com ABSTRACT The flow field and surface characteristics in a continuous slab casting mold with four kinds of submerged entry nozzles (Type A:well-shaped bottom,15(upper port angle)-15(lower port angle);Type B:mountain-shaped bottom,l5°-15°；Type C:well-shaped bottom,40°-l5;Type D:mountain--shaped bottom,40°-l5)were studied by using the dye tracer injection technique,a wave sensor and a propeller velocimeter within a full scale water model.It is found that the level fluctuation and surface velocity in the mold using a well-shaped bottom nozzle are less than those using a mountain-shaped bottom nozzle.The power of surface velocity fluctuations(frequencies ranging from 0.03 Hz to 0.1 Hz)using a well-shaped bottom nozzle is 50%less than that using a mountain-shaped bottom nozzle,so the molten slag entrapment may be reduced when using a well-shaped bottom nozzle in the mold.At a high casting speed of 1.8 mmin-,a larger upper port angle of the nozzle outlet is in favor of depressing the swirling flow and vortexes at the nozzle outlet,and then the molten slag entrapment decreases.The surface velocity in the mold fed by a Type C nozzle is the lowest and its value is about 0.27 ms-among the four investigated nozzles,so a Type C nozzle provides much allowance for increasing the casting speed.As a result,the optimal design for high speed casting is Type C nozzles. KEY WORDS continuous casting;molds;submerged entry nozzles;water modeling 高拉速连铸技术以其高效、低成本的优点一直 卷渣以及铸坯表层缺陷也会随之增加.以高拉速连 是冶金工作者研究的重点.但是，拉速的提高会铸为代表的日本钢厂的研究显示：对于超低碳钢来 增加结晶器流场的不稳定、不对称性：结晶器液面说，在高拉速下结晶器弯月面处凝固钩（山ok)深 收稿日期：2012-08-12

第 35 卷 第 10 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 10 2013 年 10 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Oct. 2013 高拉速板坯连铸结晶器浸入式水口的水模型研究 邓小旋 ，熊 霄，王新华，冀云卿，黄福祥，郝 鑫 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 通信作者，E-mail: dxx042@163.com 摘 要 利用染料示踪法，采用波高传感器和旋桨式流速仪在全比例水模型中研究了四种浸入式水口 (A 型：凹型，15◦ (上角度)-15◦ (下角度)；B 型：凸型，15◦ -15◦；C 型：凹型，40◦ -15◦，D 型：凸型，40◦ -15◦ ) 下板坯连铸结晶器内的流场和 液面特征. 发现采用凹型水口时结晶器液面的波动与表面流速均小于凸型水口. 凹型水口下的表面流速变化的功率 (频 率为 0.03 ～ 0.1 Hz) 比凸型水口小约 50%，所以凹型水口更有利于减少结晶器内卷渣的发生. 在高拉速条件下 (拉速为 1.8 m·min−1 )，较大的水口出口上角度有利于抑制水口出口流股的漩涡流，进而减少剪切卷渣的发生. 四种水口中 C 型 水口条件下结晶器液面的表面流速最小，约为 0.27 m·s −1，为提高拉速留有较大余地，所以适合高拉速连铸的最佳浸入 式水口为 C 型. 关键词 连铸；结晶器；浸入式水口；水模拟 分类号 TF777.1 Water modeling study on submerged entry nozzles in continuous slab casting molds for high speed casting DENG Xiao-xuan , XIONG Xiao, WANG Xin-hua, JI Yun-qing. HUANG Fu-xiang, HAO Xin School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Corresponding author, E-mail: dxx042@163.com ABSTRACT The flow field and surface characteristics in a continuous slab casting mold with four kinds of submerged entry nozzles (Type A: well-shaped bottom, 15◦ (upper port angle)-15◦ (lower port angle); Type B: mountain-shaped bottom, 15◦ -15◦ ; Type C: well-shaped bottom, 40◦ -15◦ ; Type D: mountain-shaped bottom, 40◦ -15◦ ) were studied by using the dye tracer injection technique, a wave sensor and a propeller velocimeter within a full scale water model. It is found that the level fluctuation and surface velocity in the mold using a well-shaped bottom nozzle are less than those using a mountain-shaped bottom nozzle. The power of surface velocity fluctuations (frequencies ranging from 0.03 Hz to 0.1 Hz) using a well-shaped bottom nozzle is 50% less than that using a mountain-shaped bottom nozzle, so the molten slag entrapment may be reduced when using a well-shaped bottom nozzle in the mold. At a high casting speed of 1.8 m·min−1 , a larger upper port angle of the nozzle outlet is in favor of depressing the swirling flow and vortexes at the nozzle outlet, and then the molten slag entrapment decreases. The surface velocity in the mold fed by a Type C nozzle is the lowest and its value is about 0.27 m·s −1 among the four investigated nozzles, so a Type C nozzle provides much allowance for increasing the casting speed. As a result, the optimal design for high speed casting is Type C nozzles. KEY WORDS continuous casting; molds; submerged entry nozzles; water modeling 高拉速连铸技术以其高效、低成本的优点一直 是冶金工作者研究的重点. 但是，拉速的提高会 增加结晶器流场的不稳定、不对称性；结晶器液面 卷渣以及铸坯表层缺陷也会随之增加. 以高拉速连 铸为代表的日本钢厂的研究显示：对于超低碳钢来 说，在高拉速下结晶器弯月面处凝固钩 (hook) 深 收稿日期：2012-08-12 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.014

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 ·1305· 度将会变小口，其捕捉夹杂物的能力也随之变小， 验中的浸入式水口采用四种不同水口形状(A:凹型 最终使得冷轧钢板的表面缺陷也会相应减少②，因 15°-15°：B:凸型1°-15°：C:凹型40°-15°：D:凸型 此，既保证高拉速的稳定生产（防止漏钢），又保证 40°-15°)，其示意图如图2所示.此外，实验中为了 铸坯具有较高的表面质量对于生产优质冷轧卷板意 消除结晶器下部出口流对流场的影响，结晶器的长 义重大. 度加长到2000mm,且在距结晶器底部300mm处 铸坯的表面质量很大程度上取决于结品器内 安装缓流槽，缓流槽为密布的直径为10mm的小 的流场与自由液面特征，而通过优化水口结构来得 孔。为了保证较为真实的模拟现场的操作条件，实 到合理的钢液流场和自由液面特征是一种既经济又 验采用与某钢厂尺寸一致的塞棒装置控流并使用步 高效的途径3.水口结构设计不合理会导致结晶器 进电机来控制塞棒的升降 的流场不对称与不稳定4.不对称的流场会导致凝 本实验采用向塞棒孔里注入染料的方式来显 固坯壳的非均匀生长和液面的剧烈波动，进而引起 示流场.此外，实验采用中国水利科学研究院研 保护渣的卷入，形成夹渣缺陷并影响最终产品的表 制的DJ800型电容式波高仪采集波高数据，波高 面质量.此外，不合理的水口结构还会影响结晶器 数据测量时间为60s,测量时间间隔为0.05s.测 液面的表面流速.表面流速过大会将液态或固态保 定液面波动时，选取水口浸入深度为80mm且静 护渣剪切卷入到钢液中，这些保护渣颗粒尺寸大且 止时的液面作为测量的零点.本实验中水口浸入 形状不规则会导致最终轧板的线性缺陷(sliver de- 深度的调整采用的是直接提高或降低结晶器液面 fcts).然而表面流速过小，结品器弯月面处的温度 的实际高度来实现.液面波动的测点如图3中的 过低，会影响保护渣的熔化进而影响保护渣在铜板 l#~9#所示.本实验利用旋桨式流速仪(Miniwa- 和坯壳间的润滑效果.更重要的是，对超低碳钢来 ter6Mini)测量距离结品器自由液面20mm以下的 说较小的表面流速还会导致弯月面Hook组织的过 水平表面流速。该流速仪旋桨直径为12mm,且其 度生长5-列，加重其捕捉上浮夹杂物、气泡与卷渣， 准确性已经得到Chaudhary等)数值模拟结果的 导致铸坯表层洁净度的恶化.在严重情况下，铸坯验证，所以可近似地忽略该流速仪对结晶器表面流 表层只能通过火焰清理来提高铸坯表层洁净度，这 场的影响.通过旋桨的转动可以连续输出线性的电 会严重影响钢材的产量.文献②]认为最佳的表面 压信号，经过数据采集仪(DaqPROTI5300)收集得 流速范围为0.2~0.4ms-1 到这种电压信号进而转化为表面流速值。该流速仪 大量文献报道的最佳板坯连铸结晶器的水口 可以连续测量结晶器自由液面的表面流速，测量频 角度为出口上下角度都是15°的水口母，但是，某 率可达1Hz.在本实验中表面流速的测点如图3中 钢厂现场使用的是一种特殊的水口出口角度不一样 1'#、3'#、5'#、7#和9'#所示.表面流速数据的采 的水口，该水口的上出口角度为40°，下出口角度 集时间为200s.实验模拟的参数以及相应的取值 为15°.Thomas等9认为这种水口角度(40°-15)能 见表1所示. 够抑制水口出口处的旋转流(swirling flow),进而减 小液面的波动与表面流速.但是，目前关于这两种 水口角度下结晶器内的流场特征与自由液面特征的 ①示踪染料 比较还未见报道。水口底部形状对结晶器内的流场 ②模拟中间包 也有很重要的作用.基于此，本文对比研究了四种 ③塞棒 ④转子流速仪 水口（包括两种底部形状和两种水口出口角度）下 (⑤)浸入式水口 结晶器内钢液的流场和结晶器的自由液面特征，试 3) (6缓流槽 图得到适合高拉速浇注的最佳浸入式水口类型.同 (⑦泵 时，本文还结合结晶器内染料示踪的流场，简要分 ⊙ (⑧超声波流量计 9 (⑨数据采集系统 析了液面特征的形成机理. (6 (⑦ ⑩波高仪 1实验过程 硅油 ②氢气装置 本次水模型设备在保证模型与原型的Re准数 (8) 和一准数相等的前提下采用1：1的比例进行全尺 寸制作.结品器采用有机玻璃制成，其厚度为20 图1水模型实验装置示意图 mm.整个实验的装置示意图如图1所示1o).本实 Fig.1 Schematic diagram of water model experiment

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 1305 ·· 度将会变小 [1]，其捕捉夹杂物的能力也随之变小， 最终使得冷轧钢板的表面缺陷也会相应减少 [2] . 因 此，既保证高拉速的稳定生产 (防止漏钢)，又保证 铸坯具有较高的表面质量对于生产优质冷轧卷板意 义重大. 铸坯的表面质量很大程度上取决于结晶器内 的流场与自由液面特征，而通过优化水口结构来得 到合理的钢液流场和自由液面特征是一种既经济又 高效的途径 [3] . 水口结构设计不合理会导致结晶器 的流场不对称与不稳定 [4] . 不对称的流场会导致凝 固坯壳的非均匀生长和液面的剧烈波动，进而引起 保护渣的卷入，形成夹渣缺陷并影响最终产品的表 面质量. 此外，不合理的水口结构还会影响结晶器 液面的表面流速. 表面流速过大会将液态或固态保 护渣剪切卷入到钢液中，这些保护渣颗粒尺寸大且 形状不规则会导致最终轧板的线性缺陷 (sliver de￾fects). 然而表面流速过小，结晶器弯月面处的温度 过低，会影响保护渣的熔化进而影响保护渣在铜板 和坯壳间的润滑效果. 更重要的是，对超低碳钢来 说较小的表面流速还会导致弯月面 Hook 组织的过 度生长 [5−7]，加重其捕捉上浮夹杂物、气泡与卷渣， 导致铸坯表层洁净度的恶化. 在严重情况下，铸坯 表层只能通过火焰清理来提高铸坯表层洁净度，这 会严重影响钢材的产量. 文献 [2] 认为最佳的表面 流速范围为 0.2 ～ 0.4 m·s −1 . 大量文献报道的最佳板坯连铸结晶器的水口 角度为出口上下角度都是 15◦ 的水口 [8]，但是，某 钢厂现场使用的是一种特殊的水口出口角度不一样 的水口，该水口的上出口角度为 40◦，下出口角度 为 15◦ .Thomas 等 [9] 认为这种水口角度 (40◦ -15◦ ) 能 够抑制水口出口处的旋转流 (swirling flow)，进而减 小液面的波动与表面流速. 但是，目前关于这两种 水口角度下结晶器内的流场特征与自由液面特征的 比较还未见报道。水口底部形状对结晶器内的流场 也有很重要的作用. 基于此，本文对比研究了四种 水口 (包括两种底部形状和两种水口出口角度) 下 结晶器内钢液的流场和结晶器的自由液面特征，试 图得到适合高拉速浇注的最佳浸入式水口类型. 同 时，本文还结合结晶器内染料示踪的流场，简要分 析了液面特征的形成机理. 1 实验过程 本次水模型设备在保证模型与原型的 Re 准数 和 Fr 准数相等的前提下采用 1:1 的比例进行全尺 寸制作. 结晶器采用有机玻璃制成，其厚度为 20 mm. 整个实验的装置示意图如图 1 所示 [10] . 本实 验中的浸入式水口采用四种不同水口形状 (A：凹型 15◦ -15◦；B：凸型 1 ◦ -15◦；C：凹型 40◦ -15◦；D：凸型 40◦ -15◦ )，其示意图如图 2 所示. 此外，实验中为了 消除结晶器下部出口流对流场的影响，结晶器的长 度加长到 2000 mm，且在距结晶器底部 300 mm 处 安装缓流槽，缓流槽为密布的直径为 10 mm 的小 孔. 为了保证较为真实的模拟现场的操作条件，实 验采用与某钢厂尺寸一致的塞棒装置控流并使用步 进电机来控制塞棒的升降. 本实验采用向塞棒孔里注入染料的方式来显 示流场. 此外，实验采用中国水利科学研究院研 制的 DJ800 型电容式波高仪采集波高数据，波高 数据测量时间为 60 s，测量时间间隔为 0.05 s. 测 定液面波动时，选取水口浸入深度为 80 mm 且静 止时的液面作为测量的零点. 本实验中水口浸入 深度的调整采用的是直接提高或降低结晶器液面 的实际高度来实现. 液面波动的测点如图 3 中的 1#～ 9#所示. 本实验利用旋桨式流速仪 (Miniwa￾ter6 Mini) 测量距离结晶器自由液面 20 mm 以下的 水平表面流速。该流速仪旋桨直径为 12 mm，且其 准确性已经得到 Chaudhary 等 [11] 数值模拟结果的 验证，所以可近似地忽略该流速仪对结晶器表面流 场的影响. 通过旋桨的转动可以连续输出线性的电 压信号，经过数据采集仪 (DaqPROTM5300) 收集得 到这种电压信号进而转化为表面流速值。该流速仪 可以连续测量结晶器自由液面的表面流速，测量频 率可达 1 Hz. 在本实验中表面流速的测点如图 3 中 1’#、3’#、5’#、7’#和 9’#所示. 表面流速数据的采 集时间为 200 s. 实验模拟的参数以及相应的取值 见表 1 所示. 图 1 水模型实验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of water model experiment

·1306 北京科技大学学报 第35卷 差)2-13，结果如图4所示.由图4(a)可以看出， 15 当拉速从1.4mmin-1增加到2.0mmin-1时，平 mm 15 mm 均波差（所有测点波差的平均值）从2.6mm增加 5 到4.6mm.由图4(b)可以看出，表面流速随距水 口中心距离的增加呈现先增加后减小的趋势，且在 128imm 128mm (b) 结晶器宽面1/4处时达到最大，下文如不作特殊说 (a) 明，表面流速均指的是最大的表面流速.当拉速从 40° 1.4mmin-1增加到2.0mmin-1时，自由液面的表 mm 面流速从0.3ms-1增加到0.43ms-1.可见结晶器 159 液面波动与表面流速会随着拉速的增加而增加.文 献报道最佳的表面流速范围为0.2~0.4ms-1叫， 128mm 所以B型水口并不适合高拉速浇注，需要进一步对 (c) (d) 四种水口下结晶器液面波动的绝对值和流速的绝对 图2浸入式水口结构示意图.(a)A型水口：(b)B型水 值进行分析，以确定适合高拉速浇注的水口 口：(c)C型水口：(d)D型水口 2.2浸入深度对液面波动和表面流速的影响 Fig.2 Schematic diagram of submerged entry nozzles 图5为B型水口在高拉速1.8mmin-1时，不同 (SENs):(a)Type A SEN;(b)Type B SEN;(c)Type C SEN; 浸入深度对结晶器液面波动与表面流速的影响.由 (d)Type D SEN 图可以发现浸入深度对液面特征的影响远没有拉速 9#8#7#6#5#4#3#2#1# 3# 5'# 7'# 9# 影响那么明显.当浸入深度从110mm增加到190 mm时，平均波差从4.6mm变到3.53mm,表面流 速从0.36ms-1变化到0.39ms-1.文献报道增加 水口浸入深度可以减轻上回流的强度，进而减小液 60606060606060606011011012012012012060 面波动和钢渣界面的不稳定性4.但是，Miranda 液面波动测点 表面流速测点 等【3]通过水模型与数值模拟发现增加浸入深度 图3液面波动和表面流速测点示意图（单位：mm) 会使上回流充分发展，反而会增加液面的表面流 Fig.3 Schematic diagram of testing points for level fluctua- tion and surface velocity (unit:mm) 速.Hoffken等14认为水口的浸入深度存在一个最 佳的范围，在这个范围内板坯的纵裂发生率最小 表1水模型实验模拟的参数 从本实验结果来看，浸入深度对液面波动和表面流 Table 1 Casting parameters of water model experiment 速的影响均不明显 尺寸参数 结品器原型 水模型 水口底部形状（凹凸型）对自由液面特 结晶器宽度/mm 1300 1300 结品器厚度/mm 247 247 征的影响 结晶器高度/mm 900 2000 水口内径/mm 78 78 3.1水口底部形状对液面波动的影响 模拟工艺参数 取值 水口类型 为了研究水口底部形状（凹凸型）对结晶器液 拉速/(mmin-1) 1.4,1.6.1.8,2.0 A,B,C.D 面特征的影响，本文应选取A型（凹型）和B型（凸 水口浸入深度/mm 110,130.150,170.190 型)或者使用C型（凹型）和D型（凸型）进行对比 现场工艺参数对结晶器自由液面特征 研究.由于选取A、B型或者C、D型对液面波动的 影响趋势一致，所以本文仅选取C型（凹型）和D 的影响 型（凸型）水口进行液面波动对比研究.与图4和图 2.1拉速对液面波动和表面流速的影响 5选取的“波差”不同，本节采用瞬时波高来表征结 研究发现，拉速与浸入深度对四种水口条件下 晶器液面的瞬态波动.瞬时液面波动表征了自由液 自由液面特征的影响变化趋势一致.所以本文仅选 面的瞬时特征，更能表征液面的波动情况 取B型水口，水口浸入深度固定为150mm,研究 图6为两种拉速下水口底部形状对瞬时液面波 拉速对结品器液面波动与表面流速的影响，液面波 动的影响，选取两种水口浸入深度150mm和170 动选取60s内波动对液面波动平均值的标准差（波 mm,液面波动的测点为图3中5#测点，其中液位

· 1306 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 图 2 浸入式水口结构示意图. (a) A 型水口；(b) B 型水 口；(c) C 型水口；(d) D 型水口 Fig.2 Schematic diagram of submerged entry nozzles (SENs): (a) Type A SEN; (b) Type B SEN; (c) Type C SEN; (d) Type D SEN 图 3 液面波动和表面流速测点示意图 (单位：mm) Fig.3 Schematic diagram of testing points for level fluctua￾tion and surface velocity (unit: mm) 表 1 水模型实验模拟的参数 Table 1 Casting parameters of water model experiment 尺寸参数 结晶器原型 水模型 结晶器宽度/mm 1300 1300 结晶器厚度/mm 247 247 结晶器高度/mm 900 2000 水口内径/mm 78 78 模拟工艺参数 取值 水口类型 拉速/(m·min−1 ) 1.4, 1.6, 1.8, 2.0 A, B, C, D 水口浸入深度/mm 110, 130, 150, 170, 190 2 现场工艺参数对结晶器自由液面特征 的影响 2.1 拉速对液面波动和表面流速的影响 研究发现，拉速与浸入深度对四种水口条件下 自由液面特征的影响变化趋势一致. 所以本文仅选 取 B 型水口，水口浸入深度固定为 150 mm，研究 拉速对结晶器液面波动与表面流速的影响，液面波 动选取 60 s 内波动对液面波动平均值的标准差 (波 差) [12−13]，结果如图 4 所示. 由图 4(a) 可以看出， 当拉速从 1.4 m·min−1 增加到 2.0 m·min−1 时，平 均波差 (所有测点波差的平均值) 从 2.6 mm 增加 到 4.6 mm. 由图 4(b) 可以看出，表面流速随距水 口中心距离的增加呈现先增加后减小的趋势，且在 结晶器宽面 1/4 处时达到最大，下文如不作特殊说 明，表面流速均指的是最大的表面流速. 当拉速从 1.4 m·min−1 增加到 2.0 m·min−1 时，自由液面的表 面流速从 0.3 m·s −1 增加到 0.43 m·s −1 . 可见结晶器 液面波动与表面流速会随着拉速的增加而增加. 文 献报道最佳的表面流速范围为 0.2 ～ 0.4 m·s −1[1]， 所以 B 型水口并不适合高拉速浇注，需要进一步对 四种水口下结晶器液面波动的绝对值和流速的绝对 值进行分析，以确定适合高拉速浇注的水口. 2.2 浸入深度对液面波动和表面流速的影响 图 5 为 B 型水口在高拉速 1.8 m·min−1 时，不同 浸入深度对结晶器液面波动与表面流速的影响. 由 图可以发现浸入深度对液面特征的影响远没有拉速 影响那么明显. 当浸入深度从 110 mm 增加到 190 mm 时，平均波差从 4.6 mm 变到 3.53 mm，表面流 速从 0.36 m·s −1 变化到 0.39 m·s −1 . 文献报道增加 水口浸入深度可以减轻上回流的强度，进而减小液 面波动和钢渣界面的不稳定性 [14] . 但是，Miranda 等 [13] 通过水模型与数值模拟发现增加浸入深度 会使上回流充分发展，反而会增加液面的表面流 速.Hoffken 等 [14] 认为水口的浸入深度存在一个最 佳的范围，在这个范围内板坯的纵裂发生率最小. 从本实验结果来看，浸入深度对液面波动和表面流 速的影响均不明显. 3 水口底部形状 (凹凸型) 对自由液面特 征的影响 3.1 水口底部形状对液面波动的影响 为了研究水口底部形状 (凹凸型) 对结晶器液 面特征的影响，本文应选取 A 型 (凹型) 和 B 型 (凸 型) 或者使用 C 型 (凹型) 和 D 型 (凸型) 进行对比 研究. 由于选取 A、B 型或者 C、D 型对液面波动的 影响趋势一致，所以本文仅选取 C 型 (凹型) 和 D 型 (凸型) 水口进行液面波动对比研究. 与图 4 和图 5 选取的 “波差” 不同，本节采用瞬时波高来表征结 晶器液面的瞬态波动. 瞬时液面波动表征了自由液 面的瞬时特征，更能表征液面的波动情况. 图 6 为两种拉速下水口底部形状对瞬时液面波 动的影响，选取两种水口浸入深度 150 mm 和 170 mm，液面波动的测点为图 3 中 5#测点，其中液位

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 1307· 0.5 ■1.4m-min (b) 1.6 m.min m 6 1.8 m.min 0.4 ，2.0mmin 0.3 0.2 ◆-1.4mmin 3- -1.6 m:min 0.1 -1.8 m.min ◆ ◆-2.0mmin B型水口 水口浸入深度：150mm B型水口 0.0 水口浸入深度：150mm 100 200 300400500 600 100 200300 400 500 600 距水口中心的距离/mm 距水口中心的距离/mm 图4拉速对结晶器内液面波动(a)和表面流速(b)的影响 Fig.4 Effects of casting speed on level fluctuation (a)and surface velocity (b)in the mold 0.5 110mm (b) 130mm 150 mm 0.4 ￥170mm ◆190mm 0.3 。110mm ◆130mm g +-150mm -170mm -◆-190mm 0.1 2B型水口 拉速：1.8m:min 0.0 B型水口 拉速：1.8mmin 100 200 300 400 500 600 100 200 300 400 500 600 距水口中心的距离/mm 距水口中心的距离/mm 图5 浸入深度对结品器内液面波动()和表面流速(b)的影响 Fig.5 Effects of nozzle immersing depth on level fluctuation (a)and surface velocity (b)in the mold 120 120 (a) (b) 110 110 100 C型 D 100 C型D型 90 90 80 70 60 60 50 C型150mm Df150mm 50 C150mn C型170mm 40 ---C型170mm—D型170mm ---D型170mm -D型170nn 40 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 时间/s 时间/s 图6 不同拉速下水口底部形状对瞬时液面波动的影响.(a)1.4mmin-1;(b)1.8mmin-1 Fig.6 Effect of nozzle bottom shapes on transient level fluctuation at different casting speeds:(a)1.4 m.min-;(b)1.8 m.min-1 高度以水口浸入深度为80mm且液面静止时的液 凸型水口下的瞬时液面波动为±3mm和±5mm 位作为零点，所以水口浸入深度为150mm和170 所以凹型水口在高低拉速下的瞬时液面波动均小于 mm时，液位高度在70mm和90mm上下波动.从图 凸型水口. 6(a)和(b)可以看出：在拉速为1.4mmin-1时，凹 3.2水口底部形状对表面流速的影响 型水口和凸型水口的瞬时液面波动分别为土2mm 图7为两种拉速、四种不同形状水口在不同浸 和±3mm;在高拉速下(1.8mmin-1),凹型水口和 入深度条件下的表面流速.由图7(a)和(b)可以看

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 1307 ·· 图 4 拉速对结晶器内液面波动 (a) 和表面流速 (b) 的影响 Fig.4 Effects of casting speed on level fluctuation (a) and surface velocity (b) in the mold 图 5 浸入深度对结晶器内液面波动 (a) 和表面流速 (b) 的影响 Fig.5 Effects of nozzle immersing depth on level fluctuation (a) and surface velocity (b) in the mold 图 6 不同拉速下水口底部形状对瞬时液面波动的影响. (a) 1.4 m·min−1 ; (b) 1.8 m·min−1 Fig.6 Effect of nozzle bottom shapes on transient level fluctuation at different casting speeds: (a) 1.4 m·min−1 ; (b) 1.8 m·min−1 高度以水口浸入深度为 80 mm 且液面静止时的液 位作为零点，所以水口浸入深度为 150 mm 和 170 mm 时，液位高度在 70 mm 和 90 mm 上下波动.从图 6(a) 和 (b) 可以看出：在拉速为 1.4 m·min−1 时，凹 型水口和凸型水口的瞬时液面波动分别为 ±2 mm 和 ±3 mm；在高拉速下 (1.8 m·min−1 )，凹型水口和 凸型水口下的瞬时液面波动为 ±3 mm 和 ±5 mm, 所以凹型水口在高低拉速下的瞬时液面波动均小于 凸型水口. 3.2 水口底部形状对表面流速的影响 图 7 为两种拉速、四种不同形状水口在不同浸 入深度条件下的表面流速. 由图 7(a) 和 (b) 可以看

·1308 北京科技大学学报 第35卷 到：对于15°-15°水口(A,B型)而言，在拉速为1.4 较好.由图7(c)和(d)可以看到：对于40°-15°水口 mmin-1、浸入深度为150mm时，凹型水口和凸 (C,D型)而言，在拉速为1.4mmin-1、浸入深度为 型水口的表面流速差别不大，分别为0.23ms-1和 150mm时，凹凸型水口的表面流速差别较大，凹型 0.22ms-1;当拉速为1.8mmin-1、浸入深度为150 和凸型水口下的表面流速分别为0.16ms-1和0.30 mm时，凸型水口的表面流速达到了0.41ms-1, ms1:当拉速达到1.8mmim1时，浸入深度为 而相同条件下凹型水口的表面流速为0.34ms-1, 150mm时，凹型和凸型表面流速分别为0.27ms-1 凸型水口下的表面流速比凹型水口大约21%.可见 和0.36ms-1.上述数据也显示：凹型水口可以很 在高拉速条件下，凹型水口可以较大的降低表面流 好地降低表面流速.综上可知：不管是上下角度为 速，进而减小剪切卷渣带来的表面质量问题.这与 40°-15°还是上下角度为15°-15°水口，凹型水口比 Chaud山hary等山和Zhang等的研究结果吻合的 凸型水口更有利于降低结晶器液面的表面流速 0.30 (a) 0.5 (b) 0.25 A型 0.4 A型 B型 0.3 0.15 0.2 0.10 口A型110mm■B型110mm 0Af130mm·B型130mm 口A型110mmB型110mm △A型150mm▲B型150mm A型 o0 mm B130m △A型150mm B150mm 0.05 A1 B1m B190mm 0.00 0.0+ 100 200 300 400 500 600 100 200 300 400 500 600 距水口中心的距离/mm 距水口中心的距离/mm 0.40 0.45- 0.35 0.40- ♪ 0.30 C型 D型 0.35- C型 D雅 0.25 意 0.30- 0.20 0.25- 0.15 0 0.20- 0 0.10 0.15 口C型110mm■D型110mm QC130mmD型130mm 0.05 0.10- △C型150m▣▲D型150mm C冠170m mD型170 7C求10mm7Dg0mm 0.05- ◇C190mm◆ 0.00 0.00+ 100 200300 400 500 600 100 200300 400 500 600 距水口中心的距离/mm 距水口中心的距离/mm 图7 水口底部形状对表面流速的影响.(a)1.4mmin-1,15°-15°水口：(b)1.8mmin-1,15°-15°水口：(c)1.4mmin-1,40°-15° 水口：(d)1.8mmin-1,40°-15°水口 Fig.7 Effects of nozzle bottom shapes on surface velocity:(a)1.4 m.min-1,15-15 nozzle;(b)1.8 m-min-1,15-15 nozzle;(c) 1.4mmin-1,40°-15°nozzle:(d)1.8mmin-1,40°-15°nozzle 3.3水口底部形状对表面流速影响的功率谱分析 的瞬时表面流速可达0.4ms1,而凹型水口的表面 功率谱分析是一种信号处理的方法，它把时间 瞬时流速达到了0.35ms-1.功率密度谱分析（见图 序列看成不同频率分量的叠加，利用傅里叶变换 8(b)表明大部分信号的功率（能量）都集中在低频 等手段对各频率分量进行分解[)，得到功率密度 率，且能量随着频率的增加呈现减小的趋势，这与 谱L3到(power density spectrum).通过比较谱密度的 Najjar等6和Chaudhary等的报道相符.另 功率来衡量各个不同频率的分量的相对重要性以找 外可以看到在频率为0.03~0.1Hz(对应的周期为 出存在的主要的周期性分量.图8(a)和(b)分别为 10~33s)的范围内，凸型水口比凹型水口的功率 A、B两种水口下表面流速的瞬时值及其功率谱，对 大约50%.Thomas等间报道低频率的表面流速变 应的拉速为1.4mmin-1.由图8(a)可以看到，两 化更易导致剪切卷渣.综上可以得出凹型水口比凸 种水口表面流速具有明显的周期性特征，凸型水口 型水口更有利于减少剪切卷渣的发生

· 1308 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 到：对于 15◦ -15◦ 水口 (A, B 型) 而言，在拉速为 1.4 m·min−1、浸入深度为 150 mm 时，凹型水口和凸 型水口的表面流速差别不大，分别为 0.23 m·s −1 和 0.22 m·s −1；当拉速为 1.8 m·min−1、浸入深度为 150 mm 时，凸型水口的表面流速达到了 0.41 m·s −1， 而相同条件下凹型水口的表面流速为 0.34 m·s −1， 凸型水口下的表面流速比凹型水口大约 21%. 可见 在高拉速条件下，凹型水口可以较大的降低表面流 速，进而减小剪切卷渣带来的表面质量问题. 这与 Chaudhary 等 [11] 和 Zhang 等 [8] 的研究结果吻合的 较好. 由图 7(c) 和 (d) 可以看到：对于 40◦ -15◦ 水口 (C, D 型) 而言，在拉速为 1.4 m·min−1、浸入深度为 150 mm 时，凹凸型水口的表面流速差别较大，凹型 和凸型水口下的表面流速分别为 0.16 m·s −1 和 0.30 m·s −1；当拉速达到 1.8 m·min−1 时，浸入深度为 150 mm 时，凹型和凸型表面流速分别为 0.27 m·s −1 和 0.36 m·s −1 . 上述数据也显示：凹型水口可以很 好地降低表面流速. 综上可知：不管是上下角度为 40◦ -15◦ 还是上下角度为 15◦ -15◦ 水口，凹型水口比 凸型水口更有利于降低结晶器液面的表面流速. 图 7 水口底部形状对表面流速的影响. (a) 1.4 m·min−1，15◦-15◦ 水口；(b) 1.8 m·min−1，15◦-15◦ 水口；(c) 1.4 m·min−1，40◦-15◦ 水口；(d) 1.8 m·min−1，40◦-15◦ 水口 Fig.7 Effects of nozzle bottom shapes on surface velocity: (a) 1.4 m·min−1 , 15◦-15◦ nozzle; (b) 1.8 m·min−1 , 15◦-15◦ nozzle; (c) 1.4 m·min−1 , 40◦-15◦ nozzle; (d) 1.8 m·min−1 , 40◦-15◦ nozzle 3.3 水口底部形状对表面流速影响的功率谱分析 功率谱分析是一种信号处理的方法，它把时间 序列看成不同频率分量的叠加，利用傅里叶变换 等手段对各频率分量进行分解 [15]，得到功率密度 谱 [13](power density spectrum). 通过比较谱密度的 功率来衡量各个不同频率的分量的相对重要性以找 出存在的主要的周期性分量. 图 8(a) 和 (b) 分别为 A、B 两种水口下表面流速的瞬时值及其功率谱，对 应的拉速为 1.4 m·min−1 . 由图 8(a) 可以看到，两 种水口表面流速具有明显的周期性特征，凸型水口 的瞬时表面流速可达 0.4 m·s −1，而凹型水口的表面 瞬时流速达到了 0.35 m·s −1 . 功率密度谱分析 (见图 8(b)) 表明大部分信号的功率 (能量) 都集中在低频 率，且能量随着频率的增加呈现减小的趋势，这与 Najjar 等 [16] 和 Chaudhary 等 [11] 的报道相符. 另 外可以看到在频率为 0.03 ～ 0.1 Hz (对应的周期为 10 ～ 33 s) 的范围内，凸型水口比凹型水口的功率 大约 50%.Thomas 等 [9] 报道低频率的表面流速变 化更易导致剪切卷渣. 综上可以得出凹型水口比凸 型水口更有利于减少剪切卷渣的发生