模底砖结构对大钢锭充型过程卷渣的影响

工程科学学报，第38卷，增刊1：129-133,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:129-133,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.022:http://journals.ustb.edu.cn 模底砖结构对大钢锭充型过程卷渣的影响 张超杰，包燕平四，王敏，张乐辰 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zCi_usth@163.com 摘要通过建立191大钢锭充型过程的流动和传热模型，研究大钢锭充型初期的流场和温度场分布特征，针对一系列不同 尺寸结构模底砖的钢锭模进行充型过程的数值模拟，研究模底砖结构对充型初期钢液面卷渣的影响.充型初期钢液面波动 大，且凝固层推进快，易发生卷渣并被捕获至坯壳.当模底砖下口直径小于上口直径时，钢液进入钢锭模的流速主要取决于 模底砖下口直径，并随着下口直径的增大而迅速减小.对于19t钢锭，当模底砖下口直径大于90mm后能在很大程度上减小 充型初期的卷渣概率. 关键词钢锭：卷渣：充型：数值模拟 分类号TF775.1 Influence of entrance nozzle structure on mould powder entrapment during filling process of large steel ingot mould ZHANG Chao-jie,BAO Yan-ping,WANG Min,ZHANG Le-chen State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zcj_ustb@163.com ABSTRACT A model for fluid and heat transfer of early stage of filling of a 19 ton ingot mould was built,and the flow and tempera- ture distribution characteristics during early stage of filling were investigated.Numerical simulations of mould filling with a series of en- trance nozzles with the different top diameters and bottom diameters were carried out,and the effects of entrance nozzle structure on mould powder entrapment during early stage of filling were investigated.The results show that level fluctuation in molten steel is strong and solidified shell grows fast so that mould powder can be entrapped easily.When top-end interior diameter is larger than bottom-end, the velocity of molten steel stream depends on the bottom-end interior diameter,and decreases with the increasing of op-end interior di- ameter.As for 19 ton steel ingot,the risk of mould powder entrapment can be greatly decreased when the bottom-end interior diameter is larger than 90 mm. KEY WORDS steel ingot:mould powder entrapment:mould filling:numerical simulation 在大钢锭下注法浇注过程中，由于保护渣要先铺 文等同使用ProCAST模拟了251大钢锭的浇注及凝固 在锭尾一部分或者悬挂于较低的位置一部分，而在充 过程，考察了模底砖孔径对钢水流场的影响.喻钟 型初期，钢锭模内熔池浅，液面波动大，常常会有保护 义因针对研究发现扩张性钢锭模模底砖出口断面大， 渣被卷入钢锭中成为大颗粒夹杂物 钢液进入模内流速小.范鼎东等切通过冷态试验发现 卷渣的发生主要受充型过程中钢渣界面的波动、 将模底砖的孔型由直筒型改为喇叭口型，可以减少大 保护渣的熔化性能、保护渣的加入方式等影响，其中钢 型夹杂物的数量. 渣界面的波动在很大程度上取决于模底砖的结构。张 目前还鲜有对于模底砖上口和下口直径之间的具 收稿日期：20160102 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51404018)

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 129--133，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 129--133，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 022; http: / /journals． ustb． edu． cn 模底砖结构对大钢锭充型过程卷渣的影响 张超杰，包燕平，王 敏，张乐辰 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: zcj_ustb@ 163． com 摘 要 通过建立 19 t 大钢锭充型过程的流动和传热模型，研究大钢锭充型初期的流场和温度场分布特征，针对一系列不同 尺寸结构模底砖的钢锭模进行充型过程的数值模拟，研究模底砖结构对充型初期钢液面卷渣的影响． 充型初期钢液面波动 大，且凝固层推进快，易发生卷渣并被捕获至坯壳． 当模底砖下口直径小于上口直径时，钢液进入钢锭模的流速主要取决于 模底砖下口直径，并随着下口直径的增大而迅速减小． 对于 19 t 钢锭，当模底砖下口直径大于 90 mm 后能在很大程度上减小 充型初期的卷渣概率． 关键词 钢锭; 卷渣; 充型; 数值模拟 分类号 TF775 + . 1 Influence of entrance nozzle structure on mould powder entrapment during filling process of large steel ingot mould ZHANG Chao-jie，BAO Yan-ping ，WANG Min，ZHANG Le-chen State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: zcj_ustb@ 163． com ABSTＲACT A model for fluid and heat transfer of early stage of filling of a 19 ton ingot mould was built，and the flow and tempera￾ture distribution characteristics during early stage of filling were investigated． Numerical simulations of mould filling with a series of en￾trance nozzles with the different top diameters and bottom diameters were carried out，and the effects of entrance nozzle structure on mould powder entrapment during early stage of filling were investigated． The results show that level fluctuation in molten steel is strong and solidified shell grows fast so that mould powder can be entrapped easily． When top-end interior diameter is larger than bottom-end， the velocity of molten steel stream depends on the bottom-end interior diameter，and decreases with the increasing of op-end interior di￾ameter． As for 19 ton steel ingot，the risk of mould powder entrapment can be greatly decreased when the bottom-end interior diameter is larger than 90 mm． KEY WOＲDS steel ingot; mould powder entrapment; mould filling; numerical simulation 收稿日期: 2016--01--02 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51404018) 在大钢锭下注法浇注过程中，由于保护渣要先铺 在锭尾一部分或者悬挂于较低的位置一部分，而在充 型初期，钢锭模内熔池浅，液面波动大，常常会有保护 渣被卷入钢锭中成为大颗粒夹杂物［1--4］． 卷渣的发生主要受充型过程中钢渣界面的波动、 保护渣的熔化性能、保护渣的加入方式等影响，其中钢 渣界面的波动在很大程度上取决于模底砖的结构． 张 文等［5］使用 ProCAST 模拟了 25 t 大钢锭的浇注及凝固 过程，考察了模底砖孔径对钢水流场的影响． 喻 钟 义［6］针对研究发现扩张性钢锭模模底砖出口断面大， 钢液进入模内流速小． 范鼎东等［7］通过冷态试验发现 将模底砖的孔型由直筒型改为喇叭口型，可以减少大 型夹杂物的数量． 目前还鲜有对于模底砖上口和下口直径之间的具

·130 工程科学学报，第38卷，增刊1 体关系对卷渣影响的研究，本文采用数值模拟的方法 绝热板 针对模底砖上口和下口直径对191钢锭充型初期尾部 钢锭模 卷渣的影响进行了研究.发现当模底砖下口直径小于 上口直径时，钢液进入钢锭模的流速主要取决于模底 钢锭 砖下口直径，并随着下口直径的增大而迅速减小 装配 1实验原理与方法 本文采用数值模拟的方法研究大钢锭充型过程的 卷渣，建立了大钢锭充型过程的数学模型，并进行计算 得到大钢锭充型初期的流场和温度场，然后据此分析 模底砖 模底砖结构对卷渣趋势的影响. 基本假设： (1)模底砖下口横截面的钢液流速和温度均匀 分布： (2)钢锭模和模底砖摆放绝对竖直： (3)钢液和保护渣不发生化学反应和大量热量 传递 图119：钢锭及钢锭模尾部的几何结构图 边界条件： Fig.1 Geometries of the 19 ton steel ingot and the bottom of the (1)钢液入口流速根据钢锭实际浇注速度计算 mould 得到： 6200- (2)壁面采用无滑移边界： 600) (3)浇钢过程中钢锭与钢锭模界面之间换热系数 580 为2kWm2.K1阅： 5600 (4)钢锭模底和地面换热系数为800W·m2.K1 5400 5200 控制方程为连续性方程、动量守恒方程、标准k一ε 5000 两方程、能量守恒方程和VOF函数.钢锭模初始温度 4800 设为40℃，钢种为1.2738，钢锭模为球墨铸铁：19t钢 4600 锭模和模底砖的几何模型见图1，考虑到对称性，建立 4400 4200 了1/4模型以节约计算资源.钢种和钢锭模的主要物 1100115012001250130001350140014501500 性参数由ProCAST的数据库计算得到，图2为钢种的 温度PC 物性参数随温度变化曲线.使用MeshCAST进行网格 图2钢种的黏度随温度变化曲线 划分，共计75469个网格节点，390954个四面体单元， Fig.2 Viscosities of steel at the different temperatures 在ProCAST平台上进行该模型的数值计算和后处理. 模底砖注入钢锭模的高温钢液以较大的速度流入钢锭 2结果与讨论 模内腔后主流股仍以较大的速度竖直向上涌至液面， 2.1充型初期的卷渣特征 然后向四周分散并向下流动，在12半径范围内形成 图3为锭尾充满时钢液的流场分布，可以看出从 循环流.中心钢液流股的流速远大于其周围向下回流 流速(m·s m0.200 0.187 0.173 0.053 0.040 0.027 0.013 0.000 图3锭尾充满时钢液的流场分布 Fig.3 Velocity distribution of molten steel when ingot bottom is filled

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 体关系对卷渣影响的研究，本文采用数值模拟的方法 针对模底砖上口和下口直径对 19 t 钢锭充型初期尾部 卷渣的影响进行了研究． 发现当模底砖下口直径小于 上口直径时，钢液进入钢锭模的流速主要取决于模底 砖下口直径，并随着下口直径的增大而迅速减小． 1 实验原理与方法 本文采用数值模拟的方法研究大钢锭充型过程的 卷渣，建立了大钢锭充型过程的数学模型，并进行计算 得到大钢锭充型初期的流场和温度场，然后据此分析 模底砖结构对卷渣趋势的影响． 基本假设: ( 1) 模底砖下口横截面的钢液流速和温度均匀 分布; ( 2) 钢锭模和模底砖摆放绝对竖直; ( 3) 钢液和保护渣不发生化学反应和大量热量 传递． 边界条件: ( 1) 钢液入口流速根据钢锭实际浇注速度计算 得到; ( 2) 壁面采用无滑移边界; ( 3) 浇钢过程中钢锭与钢锭模界面之间换热系数 为 2 kW·m － 2·K － 1［8］; ( 4) 钢锭模底和地面换热系数为 800 W·m － 2·K － 1 ． 控制方程为连续性方程、动量守恒方程、标准 k--ε 两方程、能量守恒方程和 VOF 函数． 钢锭模初始温度 设为 40 ℃，钢种为 1. 2738，钢锭模为球墨铸铁． 19 t 钢 锭模和模底砖的几何模型见图 1，考虑到对称性，建立 了 1 /4 模型以节约计算资源． 钢种和钢锭模的主要物 性参数由 ProCAST 的数据库计算得到，图 2 为钢种的 物性参数随温度变化曲线． 使用 MeshCAST 进行网格 划分，共计 75469 个网格节点，390954 个四面体单元， 在 ProCAST 平台上进行该模型的数值计算和后处理． 2 结果与讨论 图 3 锭尾充满时钢液的流场分布 Fig． 3 Velocity distribution of molten steel when ingot bottom is filled 2. 1 充型初期的卷渣特征 图 3 为锭尾充满时钢液的流场分布，可以看出从 图 1 19 t 钢锭及钢锭模尾部的几何结构图 Fig． 1 Geometries of the 19 ton steel ingot and the bottom of the mould 图 2 钢种的黏度随温度变化曲线 Fig． 2 Viscosities of steel at the different temperatures 模底砖注入钢锭模的高温钢液以较大的速度流入钢锭 模内腔后主流股仍以较大的速度竖直向上涌至液面， 然后向四周分散并向下流动，在 1 /2 半径范围内形成 循环流． 中心钢液流股的流速远大于其周围向下回流 · 031 ·

张超杰等：模底砖结构对大钢锭充型过程卷渣的影响 ·131 钢液的流速，可见中心钢液流股会对液面造成很强的 0.8 冲击，使液面中心处发生剧烈的波动，容易导致液面保 护渣卷入钢液内部并滞留其内成为大型夹杂物.根据 0.6 图4所示的液面流速分布可知，在50mm半径范围内 钢液的流速在0.17~0.80m·s,远远大于其他区域 0.4 的流速.可见如果充型过程液面存在卷渣现象，则主 要发生在液面的中心区域附近. 02 图5为锭尾充满时钢液的温度场分布，从中可以 看出，在钢锭模壁的激冷作用下，锭尾充满时靠近模壁 的1/3半径厚度范围内钢液的固相率已经大于0.5， 100200300400500 距钢液面中心的距离mm 而此时一旦有夹杂物进入该区域便容易被捕捉至凝固 图4錠尾充满时的液面流速 壳内，形成大颗粒夹杂物，严重影响钢锭的质量.结合 Fig.4 Velocity distribution in the level of molten steel when ingot 图3所示的流场分布，可知当中心高速流股造成的液 bottom is filled 面波动到达一定程度后会导致大量保护渣卷入钢液内 部，容易被凝固坯壳捕获形成大颗粒夹杂物，严重危害 钢的质量. 固相率 1.000 0.933 0.867 0.800 0.733 ■0.667 0600 0.533 0.467 0.400 0.333 0.267 0.200 0.133 0.067 0.000 图5锭尾充满时钢液的温度场分布 Fig.5 Temperature distribution of molten steel when ingot bottom is filled 多数研究者.9-0认为，Weber数可作为描述钢液 70 面是否发生卷渣的决定性准数，如式(1)所示.并且很 60 多学者研究发现，12.3可作为钢液面发生明显卷渣的 50 临界Weber数，即当Weber数大于l2.3时将发生明显 站 40 的卷渣现象.本文使用Weber数作为判定钢液发生卷 304 渣现象的指标，图6为锭尾充满时的液面Weber数，可 20 以看出液面中心30mm半径范围内的Weber数大于 10 12.3,即，中心30mm半径范围内易发生卷渣现象.在 0 浇注速度一定的条件下，从图3可知钢液面的波动很 -10 大程度上取决于中心流股的流速，而中心流股的流速 100200300400500 距钢液面中.心的距离mm 又取决于模底砖的结构.因此，模底砖结构尤其是模 图6锭尾充满时的液面W山er数 底砖的孔径对卷渣有着决定性的影响. Fig.6 Weber numbers in the level of molten steel when ingot bottom We = Upa (1) is filled Vug (pad-pan) 式中：We为韦伯数(Weber Number);U为钢、渣界面处 和锥度的模底砖.然后分别对各方案进行了充型过程 钢液流速：4为钢、渣之间的界面张力，0.15N·m； 的数值模拟，并根据模拟结果计算得到锭尾充满时的 pa为钢液密度p为液态保护渣的密度. 钢液面Weber数分布，表1为模底砖结构及相应的锭 2.2模底砖结构对充型初期卷渣的影响 尾充满时的液面韦伯数. 为研究模底砖结构对卷渣的影响规律，本文结合 不同模底砖平均孔径条件下的锭尾充满时钢液面 某厂19t钢锭模模底砖结构并设计了11种不同孔径 中心半径50、l00mm范围内的平均Weber数以及最大

张超杰等: 模底砖结构对大钢锭充型过程卷渣的影响 钢液的流速，可见中心钢液流股会对液面造成很强的 冲击，使液面中心处发生剧烈的波动，容易导致液面保 护渣卷入钢液内部并滞留其内成为大型夹杂物． 根据 图 4 所示的液面流速分布可知，在 50 mm 半径范围内 钢液的流速在 0. 17 ～ 0. 80 m·s － 1，远远大于其他区域 的流速． 可见如果充型过程液面存在卷渣现象，则主 要发生在液面的中心区域附近． 图 5 为锭尾充满时钢液的温度场分布，从中可以 看出，在钢锭模壁的激冷作用下，锭尾充满时靠近模壁 的 1 /3 半径厚度范围内钢液的固相率已经大于 0. 5， 而此时一旦有夹杂物进入该区域便容易被捕捉至凝固 壳内，形成大颗粒夹杂物，严重影响钢锭的质量． 结合 图 3 所示的流场分布，可知当中心高速流股造成的液 面波动到达一定程度后会导致大量保护渣卷入钢液内 部，容易被凝固坯壳捕获形成大颗粒夹杂物，严重危害 图 4 锭尾充满时的液面流速 Fig． 4 Velocity distribution in the level of molten steel when ingot bottom is filled 钢的质量． 图 5 锭尾充满时钢液的温度场分布 Fig． 5 Temperature distribution of molten steel when ingot bottom is filled 多数研究者［1，9--10］认为，Weber 数可作为描述钢液 面是否发生卷渣的决定性准数，如式( 1) 所示． 并且很 多学者研究发现，12. 3 可作为钢液面发生明显卷渣的 临界 Weber 数，即当 Weber 数大于 12. 3 时将发生明显 的卷渣现象． 本文使用 Weber 数作为判定钢液发生卷 渣现象的指标，图 6 为锭尾充满时的液面 Weber 数，可 以看出液面中心 30 mm 半径范围内的 Weber 数大于 12. 3，即，中心 30 mm 半径范围内易发生卷渣现象． 在 浇注速度一定的条件下，从图 3 可知钢液面的波动很 大程度上取决于中心流股的流速，而中心流股的流速 又取决于模底砖的结构． 因此，模底砖结构尤其是模 底砖的孔径对卷渣有着决定性的影响． We = U2 ρsteel 槡μg( ρsteel － ρslag ) ． ( 1) 式中: We 为韦伯数( Weber Number) ; U 为钢、渣界面处 钢液流速; μ 为钢、渣之间的界面张力，0. 15 N·m － 1 ; ρsteel为钢液密度; ρslag为液态保护渣的密度． 2. 2 模底砖结构对充型初期卷渣的影响 为研究模底砖结构对卷渣的影响规律，本文结合 某厂 19 t 钢锭模模底砖结构并设计了 11 种不同孔径 图 6 锭尾充满时的液面 Weber 数 Fig． 6 Weber numbers in the level of molten steel when ingot bottom is filled 和锥度的模底砖． 然后分别对各方案进行了充型过程 的数值模拟，并根据模拟结果计算得到锭尾充满时的 钢液面 Weber 数分布，表 1 为模底砖结构及相应的锭 尾充满时的液面韦伯数． 不同模底砖平均孔径条件下的锭尾充满时钢液面 中心半径 50、100 mm 范围内的平均 Weber 数以及最大 · 131 ·

·132· 工程科学学报，第38卷，增刊1 表1模底砖结构及相应的锭尾充满时的液面韦伯数 径的增大而迅速减小.这说明了当模底砖下口直径小 Table 1 A series of entrance nozzle structures and the corresponding 于上口直径时，从模底砖下口端流入的钢液在流经模 Weber numbers 底砖的过程中流股扩张程度很小，流股受模底砖内壁 平均Weber数 上口直 度 下口直 最大 和上口直径的约束不大.并且，还可以进一步推知模 编号 半径范围半径范围 径/mm(单面)径/mm Weber数 底砖下口直径小于上口直径的情况下，钢液对模底砖 50mm 100 mm 内壁的冲刷侵蚀程度很小 70 -0.06 50 27.0 9.9 62.8 1# 70 -0.10 35 44.7 23.3 136.6 70 0 -上口直径50mm 70 13.4 6.5 34.8 50 。-上1直径70mm 3# 70 0.09 100 9.7 6.3 29.8 % :T1直径100mm 4 50 -0.04 35 56.2 31.2 188.8 25.6 14.1 131.3 6 14.9 9.6 58.6 20 50 011 90 131 64 67.6 10 8# 100 -0.14 50 24.1 13.5 77.5 -0.06 80 6.1 3.2 14.4 20 40 6080100120 模底砖下口直径mm 10* 100 0 100 5.0 2.9 10.3 图8不同模底砖上口及下口直径的Wber数 11 100 0.06 120 7.1 3.7 14.5 Fig.8 Weber numbers of different entrance nozzle top-end and bot- tom-end interior diameters Weber数分布如图7所示.可见随着模底砖平均孔径 的增加，液面中心半径50、100mm范围内的平均We- 从图8还可以看出，对于固定的模底砖下口直径， ber数以及最大Weber数均减小，并且其差距也减小. 随着上口直径的增大，液面中心半径50mm范围内的 这说明了模底砖平均孔径越大，钢液面发生卷渣现象 平均Weber数有一定程度的减小.但是从整体上看， 的倾向越小，并且钢液面的流速越趋向均匀 决定Weber数的主要因素为模底砖下口直径的大小. 从计算数据还可以得到，当模底砖下口直径大于90 200 ■半径50mm内平均 180 mm后，液面中心半径50mm范围内的平均Weber数 ·半径1o0m内平均 160 最大值 基本小于12.3，液面发生卷渣的倾向很小. 140 120 3结论 100 80 (1)大钢锭充型初期，靠近模壁的1/3半径厚度 60 40 范围内钢液凝固较快，易捕获被卷进钢液的保护渣形 20 成大颗粒夹杂物滞留于钢锭中 (2)当模底砖下口直径小于上口直径时，钢液进 5060708090100110120 模底砖上下口平均直径/mm 入钢锭模的流速主要取决于模底砖下口直径，并随着 下口直径的增大而迅速减小 图7不同模底砖平均孔径的Wbcr数 Fig.7 Weber numbers of different entrance nozzle average interior di- (3)对于19t钢锭，当模底砖下口直径大于90mm ameters 后，钢锭充型初期液面发生卷渣的倾向很小. 图8为不同模底砖上口和下口直径条件下的锭尾 充满时钢液面中心半径50mm范围内的平均Weber 参考文献 数.可以看出对于固定的上口直径，当模底砖下口直 [Eriksson R,Jonsson L,Jonsson PG.Effect of entrance nozle de- 径小于上口直径时，随着下口直径的增大，Weber数迅 sign on the fluid flow in an ingot mold during filling./S//Int, 速降低，而当下口直径增大至大于上口直径后，Weber 2004,44(8):1358 2] 数随下口直径增加而降低的非常缓慢.由于Weber数 Yang J,Hu B,Zhang J M,et al.Study on non-metallic inclu- sions in Q420 steel.Foundry Technology,2011,32(1):43 主要取决于钢液流股的流速，而该流速很大程度上取 (杨锦，胡波，张炯明，等.Q420钢中非金属夹杂物的分析. 决于钢液进入钢锭模时刻的流速。因此，可以认为当 铸造技术，2011,32(1)：43) 模底砖下口直径小于上口直径时，钢液进入钢锭模时 B]Liu X H,Dong L R,Yang Z J,et al.Type and source of large 刻的流速主要取决于模底砖下口直径，并随着下口直 oxide inclusions.Iron Steel Vanadium Titanium,1985,6(3):23

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 表 1 模底砖结构及相应的锭尾充满时的液面韦伯数 Table 1 A series of entrance nozzle structures and the corresponding Weber numbers 编号 上口直 径/mm 锥度 ( 单面) 下口直 径/mm 平均 Weber 数 半径范围 50 mm 半径范围 100 mm 最大 Weber 数 0# 70 － 0. 06 50 27. 0 9. 9 62. 8 1# 70 － 0. 10 35 44. 7 23. 3 136. 6 2# 70 0 70 13. 4 6. 5 34. 8 3# 70 0. 09 100 9. 7 6. 3 29. 8 4# 50 － 0. 04 35 56. 2 31. 2 188. 8 5# 50 0 50 25. 6 14. 1 131. 3 6# 50 0. 06 70 14. 9 9. 6 58. 6 7# 50 0. 11 90 13. 1 6. 4 67. 6 8# 100 － 0. 14 50 24. 1 13. 5 77. 5 9# 100 － 0. 06 80 6. 1 3. 2 14. 4 10# 100 0 100 5. 0 2. 9 10. 3 11# 100 0. 06 120 7. 1 3. 7 14. 5 Weber 数分布如图 7 所示． 可见随着模底砖平均孔径 的增加，液面中心半径 50、100 mm 范围内的平均 We￾ber 数以及最大 Weber 数均减小，并且其差距也减小． 这说明了模底砖平均孔径越大，钢液面发生卷渣现象 的倾向越小，并且钢液面的流速越趋向均匀． 图 7 不同模底砖平均孔径的 Weber 数 Fig． 7 Weber numbers of different entrance nozzle average interior di￾ameters 图 8 为不同模底砖上口和下口直径条件下的锭尾 充满时钢液面中心半径 50 mm 范围内的平均 Weber 数． 可以看出对于固定的上口直径，当模底砖下口直 径小于上口直径时，随着下口直径的增大，Weber 数迅 速降低，而当下口直径增大至大于上口直径后，Weber 数随下口直径增加而降低的非常缓慢． 由于 Weber 数 主要取决于钢液流股的流速，而该流速很大程度上取 决于钢液进入钢锭模时刻的流速． 因此，可以认为当 模底砖下口直径小于上口直径时，钢液进入钢锭模时 刻的流速主要取决于模底砖下口直径，并随着下口直 径的增大而迅速减小． 这说明了当模底砖下口直径小 于上口直径时，从模底砖下口端流入的钢液在流经模 底砖的过程中流股扩张程度很小，流股受模底砖内壁 和上口直径的约束不大． 并且，还可以进一步推知模 底砖下口直径小于上口直径的情况下，钢液对模底砖 内壁的冲刷侵蚀程度很小． 图 8 不同模底砖上口及下口直径的 Weber 数 Fig． 8 Weber numbers of different entrance nozzle top-end and bot￾tom-end interior diameters 从图 8 还可以看出，对于固定的模底砖下口直径， 随着上口直径的增大，液面中心半径 50 mm 范围内的 平均 Weber 数有一定程度的减小． 但是从整体上看， 决定 Weber 数的主要因素为模底砖下口直径的大小． 从计算数据还可以得到，当模底砖下口直径大于 90 mm 后，液面中心半径 50 mm 范围内的平均 Weber 数 基本小于 12. 3，液面发生卷渣的倾向很小． 3 结论 ( 1) 大钢锭充型初期，靠近模壁的 1 /3 半径厚度 范围内钢液凝固较快，易捕获被卷进钢液的保护渣形 成大颗粒夹杂物滞留于钢锭中． ( 2) 当模底砖下口直径小于上口直径时，钢液进 入钢锭模的流速主要取决于模底砖下口直径，并随着 下口直径的增大而迅速减小． ( 3) 对于 19 t 钢锭，当模底砖下口直径大于 90 mm 后，钢锭充型初期液面发生卷渣的倾向很小． 参 考 文 献 ［1］ Eriksson Ｒ，Jonsson L，Jonsson P G． Effect of entrance nozzle de￾sign on the fluid flow in an ingot mold during filling． ISIJ Int， 2004，44( 8) : 1358 ［2］ Yang J，Hu B，Zhang J M，et al． Study on non-metallic inclu￾sions in Q420 steel． Foundry Technology，2011，32( 1) : 43 ( 杨锦，胡波，张炯明，等． Q420 钢中非金属夹杂物的分析． 铸造技术，2011，32( 1) : 43) ［3］ Liu X H，Dong L Ｒ，Yang Z J，et al． Type and source of large oxide inclusions． Iron Steel Vanadium Titanium，1985，6( 3) : 23 · 231 ·

张超杰等：模底砖结构对大钢锭充型过程卷渣的影响 ·133 (刘新华，董履仁，杨卓钧，等.大型氧化物夹杂的类型和来 1992,35(1):40) 源.钢铁钒钛，1985,6(3)：23) Fang DD,Shi H Y,Zhu R T,et al.Research on the forming 4]Sun R X.Yang Z J,Dong L R,et al.Source and removal meth- mechanism of large inclusions in wheel steel.I of East China Uni- ods of large inclusions in steel.Steelmaking,1987,3(2):54 versity of Metallurgy.2000.17(2):113 (孙仁孝，杨卓钧，董履仁，等.钢中大型夹杂的来源及去除 (范鼎东，史怀远，朱瑞田，等车轮钢大型夹杂形成机理研 途径.炼钢，1987,3(2)：54) 究.华东治金学院学报，2000,17(2)：113) 5]Zhang W,Zhong Y B,Wang Y,et al.Numerical simulation of [8]Ho K,Pehlke R D.Metal-mold interfacial heat transfer.Mater influence of entrance nozzle diameters on filling and solidification Trans B,1985,16(3):585 process of large steel ingot.Special Casting Nonferrous Alloys, [9]Xiao Z Q,Peng Y C.Mathematical modeling of entrapment phe- 2010,30(9):803 nomena at slag/metal interface in gas-stirred ladle.Iron Steel, (张文，钟云波，王赟，等.模底砖孔径影响大钢锭浇注及凝 1989,24(10):17 固过程的数值模拟.特种铸造及有色合金，2010,30(9)： (肖泽强，彭一川.喷吹钢包中渣金卷混现象的数学模化及其 803) 应用.钢铁，1989,24(10)：17) [6]Yu Z Y.Design and application of dilated entrance nozzle of ingot [10]Jonsson L,Jonsson P.Modeling of fluid flow conditions around mould.CISC Technology,1992,35 (1):40 the slag/metal interface in a gas-stirred ladle.ISI/Int,1996,36 (喻钟义.扩张型钢锭模模底砖的设计与应用.重钢技术， (9):1127

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