凝固坯壳对高拉速板坯连铸结晶器液面特征的影响

第36卷第9期 北京科技大学学报 Vol.36 No.9 2014年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2014 凝固还壳对高拉速板坯连铸结晶器液面特征的影响 邓小旋)四，黄琦)，王新华2)，李林平)，季晨曦)，朱国森) 1)首钢技术研究院，北京1000432)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-meil:dxx042@163.com 摘要采用1：1的水模型研究了高拉速条件下凝固坯壳对结晶器内的流场与液面特征的影响.结果表明：考虑凝固坯壳时 结晶器内的流场出现了轻微的不对称现象，在高拉速条件下(2.4m·min'),有坯壳时结晶器液面最大平均波高与表面流速 比没有坯壳时分别大31%和35%，对比有/无坯壳条件下自由液面形状可知：考虑凝固坯壳之后的液面变形程度比没有考虑 时更大，更易导致卷渣的发生.液面波动的功傅里叶变换分析表明：考虑坯壳之后结晶器液面的高频率波动的振幅大于无坯 壳的情形，所以考虑坯壳之后由于结晶器下部内腔变小，更多的流股能量集中在上回流区，使得上回流的湍流程度比无坯壳 时要大，进而导致了液面波动与表面流速的增大.因此，为了缩小与实际连铸过程的差别，在高拉速的物理模拟中有必要考虑 凝固坯壳的影响 关键词连铸：结晶器；凝固坯壳；水模拟；高速 分类号T℉777.1 Effect of solidified shell on level characteristics in continuous casting slab molds for high speed casting DENG Xiao-xan,HUANG Qi,WANG Xin-hua,LI Lin-ping,JI Chen-xi),ZHU Guo-sen") 1)Shougang Technology Research Center,Shougang Corporation,Beijing 100043,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:dxx042@163.com ABSTRACT A full scale water model of continuous casting was built to investigate the effect of solidified shell on fluid flow and level characteristics under high speed casting.It is found that a slight asymmetry of fluid flow occurs in the model with solidified shell.Fur- thermore,the average level fluctuation and the meniscus velocity of the mold with solidified shell is 31%and 35%larger than those without solidified shell at a high casting speed of 2.4mmin,respectively.The deformation of the top level profile of the mold with solidified shell is also larger than that without solidified shell,which can be vulnerable to slag entrapment.In addition,the fast Fourier transformation analysis of level oscillation shows that the amplitude of high frequency fluctuation in the mold with solidified shell is lar- ger than that without solidified shell due to a narrower space in the lower part of the mold,indicating that a more turbulence energy ex- ists in the upper recirculation zone than that without solidified shell and thus results in a higher level fluctuation and a larger surface ve- locity.So taking solidified shell into consideration is necessary to minimize the difference between the model and actual steel casters. KEY WORDS continuous casting;molds;solidified shell;water modeling;high speed 高拉速连铸因其高效和低成本一直是冶金工作5"连铸机拉速已经达到了3m·min[).研究表明： 者追求的目标.高拉速连铸应用最成功的是日本钢 除了设备之外，限制高拉速连铸的主要原因是保护 厂，早在20世纪70年代，日本NKK福山厂（今 渣夹杂物的卷人和表面纵裂的产生「2]，前者主要针 JFE,下同)的2板坯连铸机的拉速就达到了2m· 对冷轧薄板钢种21，而后者主要针对中碳的包晶 min).到20世纪90年代，日本NKK福山厂的 钢)，本文仅讨论冷轧薄板类钢种，主要包括低碳 收稿日期：2013-07-03 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.017;http://jourals.ustb.edu.cn

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 年 月 凝 固 坯 壳 对 高 拉 速 板坯 连 铸结 晶 器 液 面特征 的 影 响 邓 小 旋 ， 黄 椅 ， 王新华 ， 李 林平 ， 季晨曦 朱 国 森 首钢技术研究 院 ， 北 京 北 京 科技 大学 冶 金 与 生 态 工 程学 院 ， 北京 通 信作者 ， 摘 要 采用 的 水模型研究 了 高拉速条件下凝 固 坯壳对结晶 器 内 的 流场与 液 面特征 的 影 响 结果表 明 ： 考虑凝 固 坯壳 时 结晶 器 内 的 流场 出 现 了 轻微 的 不对称现象 在髙拉速条件下 有 坯壳 时结 晶 器液 面最 大平均 波高 与 表 面 流 速 比 没有坯壳 时分别 大 和 对 比有 无坯壳条件下 自 由 液面形状可知 ： 考虑凝 固 坯壳之后 的 液面变形 程度 比没有 考虑 时更大 ， 更易 导致卷渣 的 发生 液面波动 的 功傅里 叶变换分析表 明 ： 考虑坯壳之后结 晶 器液 面 的 高 频率波动 的 振 幅大于无坯 壳 的 情形 所 以 考虑坯壳之后 由 于结 晶 器下部 内 腔变小 更 多 的 流股能量集 中 在 上 回 流 区 使得上 回 流 的 湍 流程 度 比 无坯壳 时要大 ， 进而导致 了 液面 波动与 表面流速 的增 大 因此 为 了 缩小与 实 际连铸过程 的差别 在 高拉速 的 物理模拟 中 有 必要 考虑 凝 固 坯壳的影 响 关键词 连铸 ； 结 晶器 ； 凝 固 坯壳 ； 水模拟 ； 高速 分类号 ’ ’ 、 ’ ’ 同 ： ， ， ； ； ； ； 高拉速连铸 因 其高效和低成本一直是冶金工作 连铸机拉速 已 经达到 了 研究 表 明 ： 者追求 的 目 标 高拉速连铸应用最成功 的是 日 本钢 除 了 设备之外 ， 限 制 高 拉速连 铸 的 主要 原 因 是保护 厂 ， 早 在 世 纪 年 代 ， 日 本 福 山 厂 （ 今 渣夹杂物 的卷人和 表 面纵裂 的 产生 ， 前者 主要针 下 同 ） 的 板坯 连 铸 机 的 拉速 就 达 到 了 对冷轧薄 板 钢 种 ， 而 后 者 主 要 针 对 中 碳 的 包 晶 到 世 纪 年代 ， 日 本 福 山 厂 的 钢 本文仅讨论冷 轧 薄 板类钢 种 ， 主 要 包括低碳 收稿 日 期 ： ； ：

·1248· 北京科技大学学报 第36卷 铝镇静钢(LCAK)、超低碳铝镇静钢(ULCAK)等. 式中：d为凝固坯壳的厚度，mm;K为凝固系数， 因此，大尺寸保护渣夹杂物的卷入是限制冷轧薄板 mm.min-o.s;L为距弯月面的距离，m;V为拉速， 类钢种高拉速生产的重要原因. m·min.根据现场数学模型的计算结果，K取值 结晶器内液面卷渣的机理归纳起来主要有： 为l9 mm-min-o.5,实验中把结晶器出口处的凝固 (1)结晶器内流场的偏流与不对称导致浸入式水口 坯壳厚度设定为拉速为l.8m·min1时所对应的 (SEN)卡门涡的形成，这些漩涡有可能将保护渣颗 厚度(d=l3mm),假定出结晶器后的凝固坯壳以 粒吸入钢液之中[4)：(2)钢液上回流与保护渣层的 与结晶器内相同的生长速率继续生长.第(2)种 高速剪切应力将保护渣带人钢液之中51；(3)吹人 结晶器的示意图如图2所示.由于实验还模拟了 钢液的氩气泡会扰动保护渣/钢液界面，导致保护渣 不同拉速与水口浸入深度条件下结晶器内的流场 的卷入[6).以上现象都与结晶器内的流场密切相 与液面特征，因此对本实验中模拟坯壳的工况作 关.因此，优化结晶器内的流场以减少卷渣的发生 如下假设： 是连铸研究的热点之一， (1)忽略拉速和水口浸人深度的变化对凝固坯 前人利用水模型5-61和数值模拟？-]的方法 壳厚度的影响； 对结晶器内流场进行了大量的优化工作，其中包 (2)认为宽面和窄面的坯壳生长速率相等，所 括改变浸入式水口的结构、水口浸入深度、中包钢 以在同一个截面上，宽面和窄面的坯壳厚度相等； 水液位、吹气量等.而浸人式水口结构又包括水口 (3)忽略结晶器锥度对结晶器内钢液体积的 出口角度[)、水口出口面积81、水口壁厚)、水口 影响； 底部形状[1等.关于水口结构与其他工艺参数对 (4)忽略糊状区对结晶器内钢液体积的影响. 结晶器流场的影响可详见Zhang和Thomas「]的综 注水口 塞棒 述.大部分的水模型实验没有考虑凝固坯壳的作 用，而实际的连铸过程结晶器内有一定的坯壳厚 液位监视窗 流量计 度，在拉速方向上液态钢液的流动空间是不断缩 阀门 浸入式水口 小的，因此为了缩小模型与实际结晶器的差别，有 波高仪 表面流速仪 必要考虑凝固坯壳的影响.近年来，Jin等2-3]考 流速数据 波动数据 采集仪 虑了凝固坯壳的作用并对比研究了有/无凝固坯 采集仪 结晶器 壳的情况，但他们使用的是比例为1：0.55的水模 缓流槽 阀门 型.相关文献指出1)：在研究流体间力与状态的 溢流管 水泵 相似问题上，最好采用全比例的水模型，使其可以 同时满足模型的Re与Fr准数与原型相等，基于 三一①超声波流量计 此，本文通过1：1的水模型研究了在高拉速情况下 有/无凝固坯壳对结晶器内流场与液面特征的 图1水模型实验装置图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup 影响 1实验设计 1050mm 公 247mm 1.1实验装置 本次水模型设备在保证模型与原型的R准数 和Fr准数相等的前提下采用1：1的比例制作.结晶 221m 凝固坯壳 器采用有机玻璃制成，其厚度为20mm.整个实验装 置的示意图如图1所示.本实验模拟两种结晶器： (1)不考虑凝固坯壳的结晶器：(2)考虑凝固坯壳的 任工出 结晶器.第(2)种结晶器是在第(1)种结晶器的基 础上黏上凝固坯壳制作而成.其中，凝固坯壳由有 图2水模型实验中带有凝同坯壳的结晶器的示意图以及尺寸： 机玻璃制成，坯壳在拉速方向上的厚度按照经典的 (a)主视图：(b)侧视图 平方根定律来计算 Fig.2 Schematic illustration and dimensions of the mold with solidi- d=K(L/V)i2. (1) fied shell in water modeling:(a)front view;(b)side view

北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 铝镇静钢 （ 、 超 低 碳 铝 镇 静 钢 （ 等 式 中 乂 为 凝 固 坯 壳 的 厚 度 ， ； 为 凝 固 系 数 ， 因 此 ， 大尺寸保护 渣 夹 杂 物 的 卷入是 限 制 冷 轧 薄 板 为 距 弯 月 面 的 距 离 ， 为 拉 速 ， 类钢 种 高拉速生产 的 重要原 因 根据 现 场 数学 模 型 的 计算 结 果 ， 尺 取 值 结 晶 器 内 液 面 卷 渣 的 机 理 归 纳 起 来 主 要 有 ： 为 实 验 中 把 结 晶 器 出 口 处 的 凝 固 结 晶 器 内 流场 的偏 流 与 不对称 导致 浸 入式水 口 坯壳 厚度 设 定 为 拉 速 为 … 时 所 对 应 的 卡 门 涡 的 形 成 这 些漩 涡 有 可 能 将保护 渣 颗 厚度 二 假 定 出 结 晶 器 后 的 凝 固 坯壳 以 粒吸人钢 液 之 中 ； 钢 液 上 回 流 与 保 护 渣 层 的 与 结 晶 器 内 相 同 的 生 长 速 率 继 续 生 长 第 （ 种 高 速剪切 应 力 将 保 护 渣 带 入 钢 液之 中 ； 吹 入 结 晶 器 的 示 意 图 如 图 所 示 由 于 实 验 还 模 拟 了 钢 液 的 氩气泡会扰 动保护渣 钢 液界面 ’ 导致保护渣 不 同 拉速 与 水 口 浸 入 深 度 条 件 下 结 晶 器 内 的 流 场 的 卷入 以 上 现 象 都 与 结 晶 器 内 的 流 场 密 切 相 与 液 面 特 征 ， 因 此 对 本 实 验 中 模 拟 坯 壳 的 工 况 作 关 因 此 优化结 晶 器 内 的 流 场 以 减 少 卷渣 的 发 生 如 下 假设 ： 是连铸研究 的 热点 之一 （ 忽 略拉速和 水 口 浸入深度 的 变化对凝 固 坯 前人利 用 水 模 型 和 数 值 模 拟 的 方 法 壳厚度 的 影 响 ； 对结 晶 器 内 流 场 进 行 了 大 量 的 优 化 工 作 ， 其 中 包 （ 认为 宽面 和 窄 面 的 坯 壳 生 长 速 率相 等 ， 所 括改 变浸人式 水 口 的 结 构 、 水 口 浸 入 深 度 、 中 包 钢 以 在 同 一 个截 面上 ， 宽 面 和 窄 面 的 坯壳厚度 相 等 ； 水液 位 、 吹 气量 等 而 浸 入式水 口 结构 又 包 括 水 口 （ 忽 略 结 晶 器 锥 度 对 结 晶 器 内 钢 液 体 积 的 出 口 角 度 、 水 口 出 口 面 积 、 水 口 壁 厚 、 水 口 影 响 ； 底部形 状 等 关 于 水 口 结 构 与 其 他 工 艺 参 数 对 （ 忽 略糊状 区 对结 晶 器 内 钢 液体积的 影 响 结 晶 器 流场 的 影 响 可 详 见 和 的综 塞棒 述 大 部 分 的 水 模 型 实 验 没 有 考 虑 凝 固 坯 壳 的 作 用 ， 而 实 际 的 连 铸 过 程 结 晶 器 内 有 一 定 的 坯 壳 厚 流量计 液位监视窗 度 ， 在 拉 速 方 向 上 液 态 钢 液 的 流 动 空 间 是 不 断 缩 阀 门 一工 浸人式水 小 的 ， 因 此 为 了 缩 小 模 型 与 实 际 结 晶 器 的 差 别 ， 有 丨 麵流速 仪 必要 考 虑凝 固 坯壳 的 影 响 近 年 来 ， 等 考 据 波 珅 鞒据 — 本 呆 集仅 虑 了 凝 固 坯 壳 的 作 用 并 对 比 研 究 了 有 无 凝 固 坯 議 壳 的 情 况 但他们 使 用 的 是 比 例 为 的 水 模 缓 流槽 阀 门 型 相 关文 献 指 出 在 研 究 流 体 间 力 与 状 态 的 避 二 相 似 问 题上 ’ 最好 采 用 全 比 例 的 水 模 型 使 其可 以 同 时 满 足模 型 的 与 准 数 与 原 型 相 等 基 于 超声波流量计 此 ， 本文 通 过 的 水模 型研究 了 在 高 拉 速 情 况 下 有 无凝 固 坯 壳 对 结 晶 器 内 流 场 与 液 面 特 征 的 影 啊 实 验设计 ⑷ 丨 丨 … 实 验装 置 目 本次水模 型设备 在保证模 型 与 原 型 的 办 准数 和 准数相等 的 前提下采用 的 比 例制 作 结 晶 器采用有机玻璃制 成 其厚度 为 整 个实验装 ￡ 置 的 示意 图 如 图 所 示 本 实 验模 拟 两 种 结 晶 器 ： 不考虑凝 固 坯壳 的 结 晶 器 （ 考虑凝 固 坯壳 的 目 结 晶 器 第 （ 种 结 晶 器 是 在 第 （ 种 结 晶 器 的 基 ！ 础 上 點上凝 固 述 壳 制 作 而 成 其 中 ’ 凝 壳 ， 图 水 麵实 验 中 带有 凝 固 述 壳 的结 晶 器 的 示 意 图 以 及 尺 寸 ： 机玻璃制 成 坯壳 在 拉 速方 向 上 的 厚度 按 照 经典 的 （ ± 平方根定律来计算 ： ；

第9期 邓小旋等：凝固坯壳对高拉速板还连铸结晶器液面特征的影响 ·1249· 1.2实验数据采集 区域由深至浅依次代表注人墨水后1~4s时刻结晶 采用向塞棒孔里注入蓝色墨水的方式显示结晶 器内的流场形态 器内流场.波高数据的采集使用DJ8O0型电容式波 高仪，波高数据测量时间约为30s,测量时间间隔为 0.05s.波高的测点如图3中的1~10所示.此外， 利用旋桨式流速仪(Miniwater6mini)测量距离结 晶器自由液面20mm的水平表面流速.该设备的原 理是：通过旋桨的转动输出连续的电压信号，经过数 据采集仪收集得到这种线性的电压信号进而转化为 流速值.该设备的测量频率可高达1Hz.表面流速 的测点如图3中的1*、3、5、7和9所示，数据 采集总时间为100s.该实验模拟的参数以及相应的 取值如表1所示. 525 109°87产654321 7 图4不同拉速凝固坯壳对结晶器流场的影响.(a)1.8m min1,有坯壳：(b)1.8 m.min-,无坯壳：(c)2.4 mmin-,有 还壳：(d)2.4mmin1,无坯壳 Fig.4 Effect of solidification shell on fluid flow in the mold at differ- ent casting speeds:(a)1.8m.min,with solidification shell;(b) 4404040404040404010110L8080L80L80. 1.8 m.min,without solidification shell;(c)2.4 m.min-,with 液面波动测点 表面流速测点 solidification shell:(d)2.4 m.min,without solidification shell 图3液面波动和表面流速测点示意图（单位：mm) 以图4(a)为例说明结晶器内钢液流场的变化 Fig.3 Schematic illustration of testing points for level fluctuation and 情况.当墨水加人1s后，射流股从水口吐出，流股 surface velocity unit:mm) 较为对称，并恰好撞击窄面：当墨水加人2$后，流股 表1水模型实验模拟的参数 分成两部分，一部分流股顺着窄面往上运行，另一部 Table 1 Casting parameters in water modeling 分沿着窄面往下发展：当墨水加人3s后，上部流股 结晶器尺寸 原型 水模型 向水口靠近，下流股继续往下运行：当墨水加人4s 宽度/mm 1050 1050 后，上流股一部分与水口出口的射流发生碰撞，另一 厚度/mm 247 247 部分与对面的表面流发生碰撞在液面形成漩涡，而 高度/mm 900 2000 此时下流股也开始往上折返并移向水口，形成所谓 模拟工艺参数 工艺参数取值 的“下回流”.在当前的工艺参数条件下，不管有无 拉速/(mmin-l) 1.8,2.4 坯壳，结晶器内的流场都是“双辊流”(double-roll 水口浸入深度/mm 110,130.150,170.190 ow).此外，通过对比有/无坯壳条件下结晶器内的 塞棒吹氩 西 流场，发现有坯壳条件下结晶器的流场出现轻微的 水口内径/mm 78 不对称现象.原因可能是在考虑坯壳条件下结晶器 水口出口角度/（°） 向下15 内钢液自由运动的空间变窄，内部流体的非稳定湍 水口出口形状 70mm×90mm 流的能量比无坯壳时大 水口底部形状 凹底 2.2对结晶器平均波高的影响 图5为两种拉速下不同浸人深度时，凝固坯壳 2 凝固坯壳的影响 对平均波高的影响.由图5(a)可见，不管对于哪种 浸人深度，有坯壳条件下的平均波高比无坯壳条件 2.1对结晶器内部流场的影响 下的大.以浸入深度170mm为例，有坯壳条件下的 图4为不同拉速时有无坯壳条件下注入的墨水 最大平均波高为4.2mm,比没有坯壳时的波高(3.7 在结晶器内的耗散示意图.通过墨水的耗散可以得 mm)大13%.高拉速条件下(2.4 m.min-),有坯壳 到钢液的流场随时间的动态变化过程.图4中颜色 的最大平均波高为5.9mm,比没有坯壳时的波高

第 期 邓 小 旋 等 ： 凝 固 坯 壳 对 高 拉 速 板 坯连 铸结 晶 器 液 面特征 的 影 响 实 验数 据 采 集 区 域 由 深至浅依次代表注人墨水后 时刻结 晶 采用 向 塞棒孔 里注入蓝 色 墨水 的 方式显示结 晶 器 内 的 流场形态 器 内 流场 波高数据 的米集使用 型 电 容式 波 高 仪 ， 波高 数据测 量时 间 约 为 测 量时 间 间 隔 力 波高 酬点 如 图 中 的 所示 此外 ， 麵旋奖 式 流 速仪 测 量 距 离 结 晶 器 自 由 麵 。 的 平麵流 设 备 的 理是 ： 通过旋桨 的转 維出 连续 的 电 压信号 ， 经碰 ■丨 据采集仪收集得到 这种线性的 电 压信号进而转化 为 流速值 该设备的 测 量 频率可 高 达 表 面 流 速 酬点 如 图 中 的 、 、 、 和 所 示 ， 数 据 采 集 总 时 间 为 该实验模拟 的参数 以 及相 应 的 取值如 表 所示 ： 图 不 同 拉 速 凝 固 述 壳 对 ： 丨 通 结 晶 器 流 场 的 影 响 （ 隱 ， 有 述壳 ， 无 述 壳 ， 有 一 — 还 壳 ； ， 无述 壳 ： “ ； ； 液 面波动 测点 表 面流速测 点 图 液 面 波 动 和 表 面 流 速测 点 示 意 图 单 位 以 图 为 例 说 明 结 晶 器 内 钢 液 流 场 的 变 化 士 、 情 况 当 墨水 加 人 后 ， 射 流 股 从 水 口 吐 出 ， 流 股 ： 较 为 对称 ， 并恰好撞击 窄 面 当 墨水加 人 后 ， 流股 表 水模 型 实 验模拟 的 参数 分成两部 分 ， 一 部分流股顺着 窄 面往上运 行 ， 另 一 部 分沿着窄 面往下 发 展 ； 当 墨 水 加 入 后 ， 上 部 流 股 结 晶 器 尺 寸 原 型 水模 型 向 水 口 靠 近 ， 下 流 股继 续 往 下 运 行 ； 当 墨 水 加 入 宽 度 后 上 流股一 部 分与水 口 出 口 的 射流发生碰撞 ， 另 一 厚 度 部分与对 面 的 表面 流 发 生 碰撞 在 液 面 形 成漩 涡 ， 而 高 度 此 时 下 流股也开始 往 上 折返并 移 向 水 口 ， 形 成 所 谓 模拟 工艺参数 工 艺参 数取 值 的 “ 下 回 流 ” 在 当 前 的 工 艺 参数 条 件 下 ， 不 管 有 无 拉速 『 坯壳 ， 结 晶 器 内 的 流 场 都 是 “ 双 辊 流 ” （ 水 口 浸 人 深度 此外 ， 通过 对 比 有 无还壳 条件下结 晶 器 内 的 塞 棒 吹氩 否 流场 ， 发现有坯壳 条 件 下 结 晶 器 的 流 场 出 现 轻 微 的 水 口 内 不 对称现象 原 因 可能 是在考 虑 述壳 条件下结 晶 器 水 口 出 口 角 度 。 ） 向 下 内 钢 液 自 由 运动 的 空 间 变 窄 ， 内 部 流 体 的 非 稳 定瑞 水 口 出 口 形 状 丨 流 的 能量 比 无还壳 时大 水 口 底 部形 状 凹 底 对 结 晶 平 均 波 局 的 影 响 图 为 两 种 拉速 下 不 同 浸 人 深度 时 凝 固 坯壳 对平均波 高 的 影 响 由 图 可 见 ， 不 管对于 哪种 ‘ 浸人深度 ， 有坯壳 条件 下 的 平 均 波 高 比 无坯壳 条件 对结 晶 器 内 部流 场 的 影 响 下 的 大 以 浸人深度 为 例 有坯壳条件下 的 图 为 不 同 拉速时有 无坯壳条件下 注人的 墨 水 最大平均波高 为 ， 比没有 坯壳时 的 波 高 （ 在结 晶 器 内 的 耗散示意 图 通 过 墨水 的 耗 散 可 以 得 大 高拉速条件下 口乂 ！ ！！ ， 有坯壳 到 钢 液 的 流场 随时 间 的 动 态 变 化过程 图 中 颜 色 的 最 大平 均 波 高 为 比 没 有 坯 壳 时 的 波 高

·1250· 北京科技大学学报 第36卷 (a ■有还壳.110mm 无坏壳，110mm 。有环130mm 无 130 。有坯卖，110mm 。无坏 8 m 150mm 130mm y无坯壳，170mm有坯壳，170mm ◆有坏壳，190mm 7 ◆无坯壳，190mm ◆有坏壳，190mm ■ ◆ 4 5 ◆ s" 8 0 3 2 100150200250300350400450500 2 100150200250300350400450500 距水口中心的距离mm 距水口中，心的距离mm 图5不同拉速时凝固坯壳对平均波高的影响。(a)1.8mmim-1:(b)2.4mmim1 Fig.5 Effect of solidification shell on average level fluctuation at different casting speeds:(a)1.8mmin(b)2.4mmin (4.5mm)大31%.可见在水力学模型实验中，尤其 液面的值为所测点的所有波动值的平均值，并将其 是在高拉速条件下，如果不考虑凝固坯壳会使波动 标准差作为评价该测点波动水平的指标.图6(a) 值明显偏小， 和(b)展示了拉速为1.8m·min'、浸入深度为170 2.3对结晶器自由液面的影响 mm时凝固坯壳对自由液面的影响，图7(a)和(b) 结晶器自由液面的形状研究对钢/渣的界面行 为与其对应的工艺参数下平均自由液面的照片.由 为以及保护渣的卷入有较大意义.在本文中，自由 图7(a)可知：在没有坯壳时，结晶器自由液面的轮 15- (a) (b) 0、 0 5 是 5 10 10 钢液 -15 铜液 20 -20- 100 150200250300350400450500 100 150200250300350400450500 距水口中心的距离mm 距水口中心的距离/mm 15 15 (c) 5 5 0 -5 是 -10 钢液 -15 钢液 -15 -20- -20- 100150200250300350400450500 100150200250300350400450500 距水口中心的距离mm 距水口中心的距离/mm 图6不同拉速时凝周坯壳对自由液面的影响.(a)1.8mmin1,无坏壳：(b)1.8mmin,有坏壳：(c)2.4mmin1,无坯壳：(d)2.4m min-l,有坏壳 Fig.6 Effect of solidification shell on average free surface at different casting speeds:(a)1.8 mmin,without solidification shell;(b)1.8 m. min,with solidification shell;(e)2.4mmin,without solidification shell;(d)2.4mmin,with solidification shell

‘ 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 工比 士 ， ■ 有还壳 无还壳 ■ 有还壳 有坯壳 无还壳 有 坯壳 本释空’ ▲ 肴还壳 “ ▲ 无还壳， ▲ 肴还壳 ▼ 有 坯壳 无坯壳， ▼ 有坯壳， 〕 孝还 ■ 有 坯壳 ■ 无坯壳 有 坯壳 令无还冗 ■ ■ ■ 巨 ■ 巨 ■ ！ 專 山 、 念 “ ” ？ ！ ！ 距水 口 中 心 的距 离 距水 口 中 心 的距 离 图 不 同 拉速 时凝 固 还 壳 对平 均 波 局 的 影 响 （ “ ； ： 大 可见在水力 学模 型 实 验中 ， 尤 其 液 面 的 值为所测 点 的 所 有 波 动 值 的 平 均 值 并 将 其 是在高拉速 条件下 ， 如 果 不 考虑凝 固 坯壳 会使 波 动 标准 差 作 为 评价该测 点 波 动 水 平 的 指 标 图 值 明 显偏小 和 （ 展示 了 拉 速 为 “ 、 浸 人 深度 为 对 结 晶 器 自 由 液 面 的 影 响 时凝 固 坯壳对 自 由 液 面 的 影 响 ， 图 和 （ 结 晶 器 自 由 液 面 的 形 状 研 究 对 钢 渣 的 界 面 行 为与 其对应 的 工艺参数下 平均 自 由 液 面 的 照 片 由 为 以 及保护渣 的 卷人有 较 大 意 义 在 本 文 中 ， 自 由 图 可 知 ： 在 没 有 坯壳 时 ， 结 晶 器 自 由 液 面 的 轮 —— ； ； 钢液 钢液 — 一 — —— 距水 口 中心 的 距离 距水 口 中 心 的距离 — ⑷ ： ■ ， 钢液 ‘ — — 距水 口 中 心 的距 离 距水 口 中 心 的距离 图 不 同 拉 速 时 凝 固 还壳对 自 由 液 面 的 影 响 “ ， 无述壳 ； “ ， 有 还壳 ； （ — ， 无还壳 （ ， 有 还壳 ： ， ； ， ； ， ；

第9期 邓小旋等：凝固还壳对高拉速板还连铸结晶器液面特征的影响 ·1251· 7.1mm和10.8mm. 14 拉速：18 mmin 拉速：2.4mmin 12 10 面凝固坯壳 64 无坯壳 有坯壳 无坯壳 有坯壳 羊面凝固坯壳 图8不同拉速条件下凝固坯壳对波动幅度的影响 图7不同拉速时有无还壳自由液面的水模型图片.(a)1.8m· Fig.8 Effect of solidified shell on wave amplitude at different casting min-1,无坯壳：(b)1.8mmin-1,有坯壳：(c)2.4mmim',无 speeds 坯壳：(d)2.4mmin-1,有坯壳 2.4对结晶器表面流速的影响 Fig.7 Free surface in the water model without and with solidified 除了前文所述的波动特征，表面流速也是影 shell at different casting speeds:(a)1.8mmin,without solidifi- 响结晶器液面卷渣的关键参数.过大的表面流速 cation shell;(b)1.8 m.min-,with solidification shell:(c)2.4 m .min,without solidification shell;(d)2.4 m.min-,with solidi- 会导致卷渣的发生，但对冷轧薄板钢种来说，表面 fication shell 流速过低反而会导致自由液面的冷凝与结壳，进 而影响保护渣的熔化以及促进钩状坯壳结构 廓比较稳定，没有出现明显的凹陷（波谷）与凸起 (Hook)的过度生长[6]，因此表面流速应控制在一 (波峰)：而在有坯壳的情况下，自由液面在窄面附 个合理的范围内.文献报道最佳的表面流速范围 近出现了液面凸起，在宽面1/4处出现了凹陷（见 为0.2-0.4ms[7-181.图9(a)为拉速1.8m· 图7(b)).王现辉等51对CSP薄板坯结晶器自由 min-1、浸入深度为110~190mm时凝固坯壳对表 液面的这种变形现象进行了详尽的研究并提出了液 面流速的影响，无坯壳时结晶器表面流速最大值 面的“周期性失稳”现象.为了对图6中的液面变形 为0.34m·s↓，而考虑坯壳条件下表面流速最大 程度进行定量化研究，定义波动幅度（自由液面波 值为0.43m·s,比无坯壳时表面流速大26.5%， 蜂值与波谷值之差)来表征不同工况下的液面变形 超过了Kubota等7推荐的最大值，有可能导致卷 程度，如图8所示.在拉速为l.8m·minl时，无坯 渣的发生.在高拉速(2.4m·min1)条件下（见图 壳和有坯壳条件下波动幅度分别为2.2mm和5.1 9(b)),考虑坯壳时表面流速最大值为0.54m· mm;而在高拉速(2.4mmin1)下，对应的值分别为 s·,比无坯壳时的流速(0.40ms1)大35%.可 05 05 0.4 ◆ ◆ ◆ 0.3 西 器 盘 0.3 0.2 ■无坯壳，110mm ■有坯壳.110mm 0.2 无坏壳，110mm ■有坯壳，110mm 。无坯壳.130mm 。有坯壳，130mm 。无还壳.130mm ●有坯壳.130mm 0.1F A无坯壳.150mm ▲有坏壳.150mm A无坯壳，150mm ▲有坯克，150mm y无坯壳，170mm 有坯壳，170mm 01 可无坯壳，170mm 有坯壳，170mm ◆无坯壳，190mm ◆有坯壳，190mm ◆无坯壳.190mm ◆有坯壳，190mm 0 100150200250300350 400 450 100 150200250300350400 450 距离水口中心的距离/mm 距离水口中心的距离/mm 图9不同拉速时凝围坯壳对结晶器平均表面流速的影响.(a)1.8m~min-':(b)2.4m·min- Fig.9 Effect of solidified shell on average surface velocity at different casting speeds:()1.8mmin(b)2.4mmin

第 期 邓 小 旋 等 ： 凝 固 坯 壳 对 高 拉 速 板坯 连 铸 结 晶 器 液 面特 征 的 影 响 、 ‘ ‘ “ 、 和 拉速 ： ！ 拉速 ： 无坯壳 有坯壳 无坯壳 有坯壳 ■ ■■ ■■■ 图 不 同 拉速 条件下 凝 固 坯壳 对波动 幅度 的影 响 — 、 图 不 同 拉速 时有 无坯壳 自 由 液 面 的水 模 型 图 片 （ — 丨 ， 无还壳 ； ， 有 还壳 ， 无 还壳 ； ⑷ — 有 还壳 对 结 晶 器 表 面 流 速 的 影 响 除 了 前 文 所 述 的 波 动 特 征 ， 表 面 流 速 也 是 影 ： “ ， 、 士 工 私 、 乂 也 、 丄 士 工 、 十 、 士 响 结 晶 器 彼 面 卷 渣 的 关 键 参 数 过 大 的 表 面 流 速 ； ， ； 会 导致 卷 渣 的 发 生 ， 但 对 冷 轧 薄 板 钢 种 来 说 表 面 ， ； ， 流 速 过低 反 而 会 导 致 自 由 液 面 的 冷 凝 与 结 壳 ， 进 而影 响 保 护 渣 的 熔 化 以 及 促 进 钩 状 坯 壳 结 构 廓 比 较 稳 定 ， 没 有 出 现 明 显 的 凹 陷 （ 波 谷 ） 与 凸 起 （ 的 过 度 生 长 ， 因 此 表 面 流 速 应 控 制 在 一 波 峰 ） ； 而 在 有 坯 壳 的 情 况 下 ， 自 由 液 面 在 窄 面 附 个合理 的 范 围 内 文 献 报 道 最 佳 的 表 面 流 速 范 围 近 出 现 了 液 面 凸 起 ， 在 宽 面 处 出 现 了 凹 陷 （ 见 为 图 为 拉 速 图 王 现 辉 等 对 薄 板 坯 结 晶 器 自 由 、 浸 入 深 度 为 时 凝 固 坯 壳 对 表 液 面 的 这 种 变 形 现象进 行 了 详尽 的 研究并提 出 了 液 面 流速 的 影 响 ， 无 坯 壳 时 结 晶 器 表 面 流 速 最 大 值 面 的 “ 周 期性失 稳 ” 现象 为 了 对图 中 的 液 面 变形 为 而 考 虑 坯 壳 条 件 下 表 面 流 速 最 大 程度 进 行定 量 化研 究 ， 定 义 波 动 幅 度 （ 自 由 液 面 波 值 为 ‘ 比 无还壳 时 表 面 流 速 大 峰值与 波谷值之差 ） 来 表 征 不 同 工 况 下 的 液 面 变形 超 过 了 等 推 荐 的 最 大 值 ， 有 可 能 导 致 卷 程度 ， 如 图 所示 在 拉速 为 时 无 坯 渣 的 发生 在 高 拉 速 （ 条 件 下 （ 见 图 壳 和有 坯壳 条件 下 波 动 幅 度 分别 为 和 ， 考 虑 坯 壳 时 表 面 流 速 最 大 值 为 而在高拉速 下 ， 对应 的 值 分别 为 — 比 无坯壳 时 的 流 速 （ — 大 可 ° ° “ 會 ： ° § 县 ： 音 ？ ° 碟 ■ 无还壳， ■ 有 还壳 ？ ■ 无还壳， ■ 有述悫 ， 剛 无还壳 有 还壳， “ 无还壳“ 有还壳’ 畢 ▲ 无述壳， ▲ 有 还壳， 】 ▲ 无还 ， ▲ 有还蹇 ■ 无坯壳， ▼ 有 坯壳 ▽ 无坯 ， ▼ 有坯 无坯壳， 着 坯壳 无坯壳 ， 〖 有坯壳 — 距离水 口 中 心 的 距离 距 离水 口 中心 的距离 图 不 同 拉速 时 凝 固 还壳 对结 晶 器平 均 表 面 流速 的 影 响 （ ； “ ： ；