CSP结晶器内卷渣的瞬态特征

D01:10.13374.isml00103x.2009.06.0I2 第31卷第6期 北京科技大学学报 Vol.31 No.6 2009年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jum.2009 CSP结晶器内卷渣的瞬态特征 王现辉) 王新华)张炯明 王万军1) 柴毅忠2)洪兵雄2) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)广州珠江钢铁有限公司，广州510730 摘要利用11的水力学模型对双侧孔水口结构下的CSP结晶器内卷渣现象进行了模拟.结果表明：由于双侧孔水口下结 品器内液面的动态失稳现象.导致其液面卷渣呈周期性：液面失稳态时会发生连续剪切卷渣.液面卷渣有效涡主要出现在液 面失稳态.拉速对液面卷渣影响较大.分析了液渣滴在结品器内运动的瞬态特征.CSP结品器内液面卷渣的周期性导致铸坯 内大型夹杂物纵向分布差异较大. 关键词结晶器：卷渣：水模型；流场：液面波动 分类号TF777 Transient slag entrapping characteristics in a CSP mould WANG Xian-hui.WANG Xin-hua.ZHANG Jiong-ming.WANG Wan-jun.CHAI Yi-z hong2),HONG Bing-xiong2) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and T echnology Beijing.Beijng 100083,China 2)Zhujiang Iron Steel Co.Ltd.,Guangzhou 510730,China ABSTRACT A full scale water modeling experiment w as carried out for slag entrapment in a CSP funne-shaped mould w ith a bifur- cated SEN.The structures of the mould and SEN cause meniscus dynamie distortion phenomena of the free surface in the mould w hich result in periodical mould slag entrapment.The emergent distortion of the bath surface causes short time continuous entrapment by shear foroe and the appearance of entrapping effectual vortices.Among casting parameters,casting speed has the greatest influence on slag entrapment.The transient behaviors of mov ement of entrapped slag dmps in the CSP mould were also studied.It is shown that periodical slag entrapment leads to a larger distribution difference of large incusions in the casting direction of slabs. KEY WORDS mould slag entrapment;w ater modeling:fluid field level fluctuation 结晶器内卷渣现象是造成铸坯纯净度及缺陷的 本文以国内珠钢CSP薄板坯连铸实际生产参 重要因素之一，严重的卷渣甚至会导致浇铸事故发 数为原型，建立11水力学模型对双侧孔水口下 生.国内外有不少学者可对结晶器内卷渣现象进 CSP结晶器内的瞬态卷渣行为进行冷态模拟，以期 行了研究.薄板坯连铸结晶器内钢液流动强度大、 通过对双侧孔水口下CSP结晶器内液面瞬态卷渣 流场运动复杂，前人研究认为薄板坯结晶器内 行为的研究，更准确、直观地探索CSP结晶器内卷 流场具有一定的不稳定性.笔者利用水模型研究发 渣的机理，为CSP薄板坯连铸结晶器卷渣控制提供 现双侧孔水口下CSP(compact strip production)结晶 理论依据. 器内流场不稳定，具有周期性变化规律.包燕平和 陈芝会等利用水模型对CSP薄板坯结晶器内的 1实验方法 卷渣行为进行了模拟，研究了工艺参数对液面卷渣 根据相似原理，在研究钢液卷渣问题时通常应 的影响.为了更深地了解CSP结晶器内卷渣现象的 满足模型与原型的雷诺准数(Re)、弗劳德准数(Fr) 机理，实现对其控制目的，需要对CSP结晶器内卷 相等.本模型采用11的比例，实验中选择水/润滑 渣现象的瞬态特征进行研究. 油分别模拟钢水/液渣层.钢液和水的物性参数无 收稿日期：200806-20 作者简介：王现辉(1979一)，男，博士：王新华(1952一），男，教授，博士生导师，E-maik w angxinhua(@vip.sohu.mm

CSP 结晶器内卷渣的瞬态特征 王现辉1) 王新华1) 张炯明1) 王万军1) 柴毅忠2) 洪兵雄2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 2) 广州珠江钢铁有限公司, 广州 510730 摘 要 利用 1∶1 的水力学模型对双侧孔水口结构下的 CSP 结晶器内卷渣现象进行了模拟.结果表明:由于双侧孔水口下结 晶器内液面的动态失稳现象, 导致其液面卷渣呈周期性;液面失稳态时会发生连续剪切卷渣, 液面卷渣有效涡主要出现在液 面失稳态, 拉速对液面卷渣影响较大.分析了液渣滴在结晶器内运动的瞬态特征.CSP 结晶器内液面卷渣的周期性导致铸坯 内大型夹杂物纵向分布差异较大. 关键词 结晶器;卷渣;水模型;流场;液面波动 分类号 TF777 Transient slag entrapping characteristics in a CSP mould WANG Xian-hui 1) , WANG Xin-hua 1) , ZHANG J iong-ming 1) , WANG Wan-jun 1) , CHAI Yi-z hong 2) , HONG Bing-xiong 2) 1) School of Met allurgical and Ecologi cal Engineering, University of Science and T echnology Beijing, Beijing 100083, China 2) Zhujiang Iron &St eel Co .Ltd., Guangzhou 510730, China ABSTRACT A full scale wa ter modeling experiment w as carried out for slag entrapment in a CSP funnel-shaped mould w ith a bifur￾cated SEN .The structures of the mould and SEN cause meniscus dynamic distortion phenomena of the free surface in the mould w hich result in periodical mould slag entrapment .The emergent distortion of the bath surface causes sho rt time continuous entrapment by shear force and the appearance of entrapping effectual vo rtices.Among casting parameters, casting speed has the g reatest influence o n slag entrapment.The transient behavio rs of mov ement of entrapped slag dro ps in the CSP mould were also studied.It is shown that periodical slag entrapment leads to a larger distributio n difference of large inclusions in the casting direction o f slabs. KEY WORDS mould;slag entrapment ;w ater modeling ;fluid field;level fluctuation 收稿日期:2008-06-20 作者简介:王现辉( 1979—) , 男, 博士;王新华( 1952—) , 男, 教授, 博士生导师, E-mail:w angxinhua@vip.sohu.com 结晶器内卷渣现象是造成铸坯纯净度及缺陷的 重要因素之一, 严重的卷渣甚至会导致浇铸事故发 生.国内外有不少学者[ 1-6] 对结晶器内卷渣现象进 行了研究.薄板坯连铸结晶器内钢液流动强度大 、 流场运动复杂, 前人[ 7-9] 研究认为薄板坯结晶器内 流场具有一定的不稳定性 .笔者利用水模型研究发 现双侧孔水口下 CSP( compact strip production) 结晶 器内流场不稳定, 具有周期性变化规律.包燕平和 陈芝会等[ 4-5] 利用水模型对 CSP 薄板坯结晶器内的 卷渣行为进行了模拟, 研究了工艺参数对液面卷渣 的影响.为了更深地了解 CSP 结晶器内卷渣现象的 机理, 实现对其控制目的, 需要对 CSP 结晶器内卷 渣现象的瞬态特征进行研究. 本文以国内珠钢 CSP 薄板坯连铸实际生产参 数为原型, 建立 1∶1 水力学模型对双侧孔水口下 CSP 结晶器内的瞬态卷渣行为进行冷态模拟, 以期 通过对双侧孔水口下 CSP 结晶器内液面瞬态卷渣 行为的研究, 更准确 、直观地探索 CSP 结晶器内卷 渣的机理, 为 CSP 薄板坯连铸结晶器卷渣控制提供 理论依据. 1 实验方法 根据相似原理, 在研究钢液卷渣问题时通常应 满足模型与原型的雷诺准数( Re) 、弗劳德准数( Fr) 相等 .本模型采用 1∶1 的比例, 实验中选择水/润滑 油分别模拟钢水/液渣层.钢液和水的物性参数无 第 31 卷 第 6 期 2009 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.6 Jun.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.06.012

第6期 王现辉等：CSP结晶器内卷渣的瞬态特征 ·765。 法满足表征表面张力的韦伯准数(We)相等，通过量 时间运动加剧现象.液面动态失稳前和动态失稳过 纲为1分析可知，模拟所用介质应满足以下关 程中状态比较如图2所示.液面动态失稳开始前液 系10： 面波动和表面流速很小，如图2(a):液面动态失稳 Vslag/Vsteel-Voil/Vwater () 时液面运动加剧，发生较大形变，如图2(ab)中1、2 式中，y为运动黏度，m2s1. 所示.拉速越大动态失稳的周期越短，常规拉速 根据前述的用油/水模拟渣/钢时量纲为1数相 4.2~5.0mmin1下液面动态失稳周期范围是 等原则，将表1所列原型中钢、渣的物性参数代入式 25-21.5s. ()中计算得出实际生产所用的结晶器保护渣与钢 (a) 水的运动黏度之比为54~97，利用式(1)计算出模 拟实验用油的运动黏度范围在(54~97×106m2· $1.本研究中实验选用的润滑油运动黏度为 826×106m2·s1.实验中保证油层厚度与现场 实测液渣层厚度相符，保持10~14mm. b 表1钢/渣及水/油的物性参数 Table I Physical pammeters of steel/slag and water oil 密度/ 运动黏度/ 物质 (kg'm) (10-6m2s- 钢液(1550℃ 7020 095 图2液面动态失稳前与动态失稳程度最大时的液面比较.( 动态失稳过程开始前5s时刻：(b)动态失稳开始后3s时刻 渣(1300℃ 2700-2900 54-97 Fig.2 Menisci before meriscus dynamic dstortion (MDD)starting 水 1000 1 and at its maximum:(a)5s before MDD starting;(b)3s after M DD 油 880 82 实验结晶器宽度1200mm,水口角度一50°，拉 王现辉等1)研究认为CSP结晶器内MDD形 速4.2~5.0mmin1,水口浸入深度220~310mm. 成的主要原因是由于双侧孔水口下流股冲击结晶器 实验用水口结构如图1所示. 窄面后形成较强的下流股，下流股在结晶器下部形 成漩涡携带能量在水口射流形成的负压的作用下由 结晶器下部沿着射流流股下侧向上移动、聚集，并向 上耗散造成.研究发现改变水口角度及其他工艺参 水液面 数均不能消除MDD现象.CSP结晶器内MDD现 象是其双侧孔水口及结晶器的特殊结构共同作用的 特征结果. 2.2保护渣的卷入 实验研究发现，CSP结晶器内卷渣受MDD的 影响呈周期性，主要方式有两种：剪切卷渣和漩涡卷 渣，如图3所示，其中剪切卷渣是主要卷渣方式.剪 切卷渣的主要发生位置在液面漏斗形与平行的过渡 区域，如图3中C、D:漩涡卷渣现象主要发生在水口 图1实验的水口结构（单位：mm) 周围附近的液面，如图3中A、B所示. Fig.I Structure of an SEN in the experiment unit:mm) 2.21剪切卷渣 MDD过程对液面卷渣的影响如图4.液面稳态 2实验结果与讨论 时液面平静，窄面附近的保护渣层较薄，此时未发生 21结晶器内液面瞬态特征 卷渣现象，如图4)；MDD开始时液面保护渣向水 实验观测发现拉速稳定条件下CSP结晶器内 口方向聚集，如图4(b)所示，结晶器窄面附近的渣 会出现“液面动态失稳”现象，即MDD(meniscus 层迅速减薄：液面失稳程度最大时水口两侧液面的 dynamic distortion),主要表现为液面具有周期性短 保护渣层向水口方向聚集，形成向下“鼓包”，并开始

法满足表征表面张力的韦伯准数( We) 相等, 通过量 纲为 1 分析可知, 模拟所用介质应满足以下关 系[ 10] : νslag/νsteel =νoil/νwater ( 1) 式中, ν为运动黏度, m 2·s -1 . 根据前述的用油/水模拟渣/钢时量纲为 1 数相 等原则, 将表 1 所列原型中钢 、渣的物性参数代入式 ( 1) 中计算得出实际生产所用的结晶器保护渣与钢 水的运动黏度之比为 54 ～ 97, 利用式( 1) 计算出模 拟实验用油的运动黏度范围在( 54 ～ 97) ×10 -6 m 2 · s -1 .本研 究中实验 选用的润 滑油运 动黏度 为 82.6 ×10 -6 m 2·s -1 .实验中保证油层厚度与现场 实测液渣层厚度相符, 保持 10 ～ 14 mm . 表 1 钢/ 渣及水/ 油的物性参数 Table 1 Physical paramet ers of st eel/ slag and w ater/ oil 物质 密度/ ( kg·m -3 ) 运动黏度/ ( 10 -6 m 2·s -1 ) 钢液( 1 550 ℃) 7 020 0.95 渣( 1 300 ℃) 2 700 ～ 2 900 54 ～ 97 水 1 000 1 油 880 82 实验结晶器宽度 1 200 mm, 水口角度 -50°, 拉 速4.2 ～ 5.0 m·min -1 , 水口浸入深度220 ～ 310 mm . 实验用水口结构如图 1 所示. 图 1 实验的水口结构( 单位:mm ) Fig.1 S tructure of an SEN in the experiment ( unit:mm) 2 实验结果与讨论 2.1 结晶器内液面瞬态特征 实验观测发现拉速稳定条件下 CSP 结晶器内 会出现“液面动态失稳” 现象, 即 MDD ( meniscus dynamic distortion) , 主要表现为液面具有周期性短 时间运动加剧现象 .液面动态失稳前和动态失稳过 程中状态比较如图 2 所示.液面动态失稳开始前液 面波动和表面流速很小, 如图 2( a) ;液面动态失稳 时液面运动加剧, 发生较大形变, 如图 2( a, b) 中 1 、2 所示.拉速越大动态失稳的周期越短, 常规拉速 4.2 ～ 5.0 m·min -1 下液 面动态失稳周期范围是 25 ～ 21.5 s . 图 2 液面动态失稳前与动态失稳程度最大时的液面比较.( a) 动态失稳过程开始前 5 s 时刻;( b) 动态失稳开始后 3 s 时刻 Fig.2 Menisci before meniscus dynamic dist ortion ( MDD) st arting and at its maximum :( a) 5s before MDD starting ;( b) 3 s after M DD st arting 王现辉等[ 11] 研究认为 CSP 结晶器内 M DD 形 成的主要原因是由于双侧孔水口下流股冲击结晶器 窄面后形成较强的下流股, 下流股在结晶器下部形 成漩涡携带能量在水口射流形成的负压的作用下由 结晶器下部沿着射流流股下侧向上移动、聚集, 并向 上耗散造成 .研究发现改变水口角度及其他工艺参 数均不能消除 MDD 现象.CSP 结晶器内 M DD 现 象是其双侧孔水口及结晶器的特殊结构共同作用的 特征结果. 2.2 保护渣的卷入 实验研究发现, CSP 结晶器内卷渣受 M DD 的 影响呈周期性, 主要方式有两种 :剪切卷渣和漩涡卷 渣, 如图 3 所示, 其中剪切卷渣是主要卷渣方式.剪 切卷渣的主要发生位置在液面漏斗形与平行的过渡 区域, 如图 3 中 C 、D ;漩涡卷渣现象主要发生在水口 周围附近的液面, 如图 3 中 A 、B 所示 . 2.2.1 剪切卷渣 MDD 过程对液面卷渣的影响如图4 .液面稳态 时液面平静, 窄面附近的保护渣层较薄, 此时未发生 卷渣现象, 如图 4( a) ;MDD 开始时液面保护渣向水 口方向聚集, 如图 4( b) 所示, 结晶器窄面附近的渣 层迅速减薄;液面失稳程度最大时水口两侧液面的 保护渣层向水口方向聚集, 形成向下“鼓包”, 并开始 第 6 期 王现辉等:CSP 结晶器内卷渣的瞬态特征 · 765 ·

。766 北京科技大学学报 第31卷 由以上研究可见，CSP结晶器内卷渣主要发生 在液面失稳态时，液面稳定态时基本不会发生卷渣 现象. 液面稳定态时基本不发生液面剪切卷渣现象， 液面失稳态时会发生连续的剪切卷渣，如图5所示， MDD周期内连续剪切卷渣时间记作Tr,开始卷 渣的临界速度记作VLc,实验测得其VLm值为 0.23ms1.在本次使用的模拟保护渣特性下，剪 切卷渣T即略小于液面的失稳态时间.为了方便比 较，定义剪切卷渣率概念如下： 图3卷渣方式及位置 T wap (2) Fig 3 Schematic of mould pow der entrapment kp一TD 其中，Am为剪切卷渣率；T即为周期内平均连续剪 发生连续的剪切卷渣，如图中1所示；MDD高潮时 切卷渣时间，s;TD为MDD平均周期，s. 卷渣较剧烈，如图4(c)中1、2所示. (a4 水/油界面 (b) Tis 图5液面剪切卷渣示意图。()表面流速变化：(b)对应的卷指 数 Fig.5 Schematic of shear force entrapment:(a)variation in surface 剪切卷情 velocity:(b)corresponding entrapment index 可见，即与液面失稳比概念类似，但其值比相 应的失稳比小.实验观察发现，拉速越大，水口浸入 深度越浅时，两者的值越接近 拉速和水口浸入深度对液面剪切卷渣率p的 关系如图6所示.可见，ra即随拉速的增加而增大， 图4MDD过程对卷渣的影响.(aMDD开始前：(b)MDD开 拉速越大，拉速的增加对其影响越明显，拉速 始：(dMDD高潮 5.0mmin1时1r高达0.3l,如图6(a),这说明在 Fig.4 Influence of MDD process on pow der entrapment:a)be- 此拉速下液面31%的时间都在发生剪切卷渣：水口 fore MDD starting:(b)when MDD starting:(c)at the MDD maxi- mum 浸入深度对液面即的影响如图6(b),在拉速 0.35 0.22 (a） (b) 结品器宽：1200mm 030 结品器宽：1200mm 水口角度：-50 ● 水口角度：-50 0.20- 拉速：45m-min 浸入深度：250mm 025 020 0.16 0.15 42 4.4 46 4.8 220 240260280300320 拉速(mmin) 水口浸人深度mm 图6拉速(a)和水口浸入深度(b)对的影响 Fig.6 Influence of casting peed (a)and impaction depth (b)on

图 3 卷渣方式及位置 Fig.3 S chematic of m ould pow der entrapment 发生连续的剪切卷渣, 如图中 1 所示 ;M DD 高潮时 卷渣较剧烈, 如图 4( c) 中 1 、2 所示. 图4 MDD 过程对卷渣的影响.( a) MDD 开始前;( b ) MDD 开 始;( c) MDD 高潮 Fig.4 Influence of MDD process on pow der entrapment:( a) be￾fore MDD starting ;(b) when MDD st arting ;( c) at the MDD maxi￾mum 由以上研究可见, CSP 结晶器内卷渣主要发生 在液面失稳态时, 液面稳定态时基本不会发生卷渣 现象. 液面稳定态时基本不发生液面剪切卷渣现象, 液面失稳态时会发生连续的剪切卷渣, 如图 5 所示, MDD 周期内连续剪切卷渣时间记作 Ttrap, 开始卷 渣的临界速度记作 V t, crit , 实验测得其 V t, crit 值为 0.23m·s -1 .在本次使用的模拟保护渣特性下, 剪 切卷渣 Ttrap略小于液面的失稳态时间 .为了方便比 较, 定义剪切卷渣率概念如下: ηtrap = T trap T D ( 2) 其中, ηtrap为剪切卷渣率;Ttrap为周期内平均连续剪 切卷渣时间, s ;T D 为 MDD 平均周期, s . 图 5 液面剪切卷渣示意图.( a) 表面流速变化;(b) 对应的卷指 数 Fig.5 S chematic of shear force entrapment:( a) variation in surface velocity ;( b) corresponding entrapment index 可见, ηtrap与液面失稳比概念类似, 但其值比相 应的失稳比小.实验观察发现, 拉速越大, 水口浸入 深度越浅时, 两者的值越接近. 拉速和水口浸入深度对液面剪切卷渣率 ηtrap的 关系如图 6 所示.可见, ηtrap随拉速的增加而增大, 拉速 越大, 拉速 的增加 对其影 响越明 显, 拉速 5.0 m·min -1时 ηtrap高达 0.31, 如图 6( a) , 这说明在 此拉速下液面 31 %的时间都在发生剪切卷渣 ;水口 浸入深度对液面 ηtrap的影响如图6 ( b ) , 在拉速 图 6 拉速( a) 和水口浸入深度( b) 对 ηtrap的影响 Fig.6 Influence of casting speed ( a) and impaction depth (b) on ηtrap · 766 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第6期 王现辉等：CSP结晶器内卷渣的瞬态特征 767。 45mmin的情况下，当水口浸入深度由220mm 透深度，致使涡尖可以脱落进入结晶器流场内，称之 增加到310mm时，p由0.2减小到0.167，减小的 为有效涡，如图3中B:否则称之为无效涡，如图3 趋势较明显但幅度不大， 中A,无效涡不会造成卷渣. 拉速大不但液面连续剪切卷渣的即大，卷进 实验发现，液面稳定态时基本不会出现有效涡， 液渣的粒度直径也越大，保护渣卷入的速度较快. 液面失稳态时容易出现有效涡，尤其是水口两侧的 22.2漩涡卷渣 液面失稳态非对称时形成的卡门涡.统计拉速及水 研究发现，双侧孔水口下CSP结晶器内漩涡卷 口浸入深度对液面漩涡的影响如图7所示.可见， 渣较剪切卷渣弱的多.而且，并非所有的漩涡都可 无效涡产生的频率要远高于有效涡：拉速越大，有效 以造成液面卷渣.按照出现漩涡对卷渣的效果，可 涡出现的频率越高；水口浸入深度越小，有效涡出现 分为有效涡和无效涡.漩涡强度较大，有足够的穿 的频率越高：相对而言，拉速对其影响较大， (a (b) ·一有效涡 ◆一有效涡 。一无效涡 ● 。-无效涡 5 结晶器宽度：1200mm 结品器宽度：1200mm 水口浸人深度：250mm 拉速：45mmin 水口倾角：-50° 水口倾角：-50° 2 4.4 4.6 4.8 5.0 220 240 260 280300 320 拉速/(m,min) 水口浸入深度mm 图7拉速（及水口浸入深度(b)对液面漩涡的影响 Fig 7 Influence of casting speed (a)and im paction depth (b)on wortexes 2.3被卷入液渣滴的运动及上浮 发生漩涡卷渣，如图8(a)中，渣滴从位置1脱落，脱 以上研究对CSP结晶器内液面保护渣从液面 落的渣滴有近一半向水口方向运动并在水口附近上 的脱落进入钢液内情况进行了讨论，但是脱落的渣 浮到液面去除，如图中2，剩下的渣滴被较强上回 滴并非完全被捕获进入铸坯中.CSP结晶器内流场 流带到水口附近位置2，在此处与水口主流股汇合： 运动复杂，势必造成渣滴在其内运动也比较复杂. 此时渣滴随主流股上侧一起向结晶器窄面运动，运 图8()表示液面失稳态时渣的卷入和运动状 动过程中较大的渣滴，在主流股强大剪切作用下粉 态，图8(b)表示液面稳定态时渣滴运动状态.假设 碎成细小的渣滴，如图8()中3；被粉碎的细小渣滴 图8(a)表示结晶器内液面的第1个失稳态，之前结 随主流股冲击窄面后，大部分随上回流股向上运动， 晶器内没有卷渣.液面MDD开始后，液面B位置 小部分随下流股沿结晶器窄面向下运动，如图8() 开始发生连续的剪切卷渣，C位置时而出现有效涡， 中5：此时，流场内结晶器上部形成两个较大的漩涡 图8结品器内渣滴的运动示意图.（液面失稳态时的渣滴运动：(b)液面稳定态时渣滴运动 Fig 8 Schematic of slag dops movement in the mould

4.5 m·min -1的情况下, 当水口浸入深度由 220 mm 增加到310mm 时, ηtrap由0.2 减小到0.167, 减小的 趋势较明显但幅度不大. 拉速大不但液面连续剪切卷渣的 ηtrap大, 卷进 液渣的粒度直径也越大, 保护渣卷入的速度较快. 2.2.2 漩涡卷渣 研究发现, 双侧孔水口下 CSP 结晶器内漩涡卷 渣较剪切卷渣弱的多.而且, 并非所有的漩涡都可 以造成液面卷渣.按照出现漩涡对卷渣的效果, 可 分为有效涡和无效涡.漩涡强度较大, 有足够的穿 透深度, 致使涡尖可以脱落进入结晶器流场内, 称之 为有效涡, 如图 3 中 B ;否则称之为无效涡, 如图 3 中 A, 无效涡不会造成卷渣. 实验发现, 液面稳定态时基本不会出现有效涡, 液面失稳态时容易出现有效涡, 尤其是水口两侧的 液面失稳态非对称时形成的卡门涡 .统计拉速及水 口浸入深度对液面漩涡的影响如图 7 所示 .可见, 无效涡产生的频率要远高于有效涡;拉速越大, 有效 涡出现的频率越高 ;水口浸入深度越小, 有效涡出现 的频率越高 ;相对而言, 拉速对其影响较大 . 图 7 拉速( a) 及水口浸入深度( b) 对液面漩涡的影响 Fig.7 Influence of casting speed ( a) and im paction depth ( b) on vortexes 2.3 被卷入液渣滴的运动及上浮 以上研究对 CSP 结晶器内液面保护渣从液面 的脱落进入钢液内情况进行了讨论, 但是脱落的渣 滴并非完全被捕获进入铸坯中 .CSP 结晶器内流场 运动复杂, 势必造成渣滴在其内运动也比较复杂. 图 8( a) 表示液面失稳态时渣的卷入和运动状 态, 图 8( b) 表示液面稳定态时渣滴运动状态 .假设 图 8( a) 表示结晶器内液面的第 1 个失稳态, 之前结 晶器内没有卷渣 .液面 MDD 开始后, 液面 B 位置 开始发生连续的剪切卷渣, C 位置时而出现有效涡, 发生漩涡卷渣, 如图 8( a) 中, 渣滴从位置 1 脱落, 脱 落的渣滴有近一半向水口方向运动并在水口附近上 浮到液面去除, 如图中 2 ＊, 剩下的渣滴被较强上回 流带到水口附近位置 2, 在此处与水口主流股汇合; 此时渣滴随主流股上侧一起向结晶器窄面运动, 运 动过程中较大的渣滴, 在主流股强大剪切作用下粉 碎成细小的渣滴, 如图 8( a) 中 3 ;被粉碎的细小渣滴 随主流股冲击窄面后, 大部分随上回流股向上运动, 小部分随下流股沿结晶器窄面向下运动, 如图 8( a) 中 5 ;此时, 流场内结晶器上部形成两个较大的漩涡 图 8 结晶器内渣滴的运动示意图.( a) 液面失稳态时的渣滴运动;( b) 液面稳定态时渣滴运动 Fig.8 Schematic of slag drops' movemen t in the mould 第 6 期 王现辉等:CSP 结晶器内卷渣的瞬态特征 · 767 ·

。768 北京科技大学学报 第31卷 分居在水口两侧，涡心部位具有的能量较低，一小部 滴的几率达最大值.所以，结晶器内液渣的捕获程 分沿结晶器窄面上升的液渣滴在运动过程中被“吸” 度最大的时间在MDD高潮后1~2s;液面进入稳态 入涡心，并随涡心流股一起旋转，如图8()中4：向 后，渣滴卷入停止，卷入结晶器内的渣滴逐渐上浮去 上运动的渣滴到达液面后一部分被液面渣层吸附， 除，铸坯对液渣的捕获率开始降低. 如图8(a)中6，另一部分继续随主流股进行下一轮 的运动，如图8()中7.此过程中，液态渣滴运动主 要集中在结晶器内水口主流股的上部和结晶器窄面 附近，很少有液渣运动到达水口底端下部的I区. (a) 液面失稳态结束后，液面恢复平静，液面卷渣基 本停止，结晶器内液渣滴的运动特征如图8(b)所 Tis 示.此时，流股的冲击深度很深，窄面附近的上回流 (b) 股很弱，残留在结晶器上半部的渣滴在向上流股和 浮力的作用下，开始逐渐上浮去除（如图8(b)中2）， 012.54.5 Tis 被图8(a)中下回流带入结晶器底部的较少量渣滴 图9液渣捕获示意图.(a)某MDD周期内表面流速变化：(b) 随下流股向水口中心线方向聚集并上升（如图8(b) 对应周期内液渣的捕获 中3)，一部分随流股下侧漩涡运动（如图8(b)中 Fig.9 Schematic of slag-capturing (a)su face velocity in an M DD 6,一部分向水口底端运动，过程中遇到主流股又将 period;(b)slag-capturing corresponding to the period 被带回，只有很少渣滴可以随中心上升流运动到液 2.5铸坯中的大型夹杂物 面A处去除（如8(b)中5）.由此可见，在图8(a)过 珠江钢铁公司利用电炉一CSP流程生产普板 程中被带入结晶器底部的渣滴很难上浮到液面 ZJ330B.铸坯宽度1200mm,厚度56mm,拉速 去除. 5.0mmin1,采用双侧孔水口浇铸.生产稳态时. 2.4液渣滴的捕获 取铸坯样利用大样电解手段进行大型夹杂物分析. 由以上研究可知，液渣在结晶器内的运动可分 以上研究可知，拉速5.0m°mim时，MDD平 成两部分：图8()表示保护渣的卷入及失稳态时运 均周期约21.5s,一个MDD周期内生产的铸坯长度 动：图8(b)表示液面稳定态时保护渣的上浮运动. 约1.8m.在铸坯宽度的1/4处、拉坯方向间隔 液渣滴在运动过程中被凝固前沿所捕获，才会真正 1000mm的位置取三个电解试样，依次为1”、2和 进入铸坯内.分析一个周期内的保护渣被凝固坯壳 3.试样电解每10kg出夹杂物量分别为3.33， 捕获趋势如图9，假设液面开始发生卷渣行为的时 19.4,6.1mg,平均9.61mg.夹杂多为球型或者类 刻为0.图8(a)中液渣滴由1到2过程，渣滴大，较 球型，能谱分析可知其主要来源于液面卷渣：1#、2# 密集，与结晶器宽面的接触面积很小，甚至接触不到 和3位置大型夹杂物数量分布差距较大：1”处电 宽面，再加上此处结晶器由于漏斗形结构相对较厚， 解出最大的夹杂物尺寸约350m,2处所得最大夹 所以这个过程液渣滴很少与结晶器壁接触.根据实 杂物尺寸约500严m,3处电解出最大的夹杂物尺寸 验观察及数值模拟计算可知，常规拉速下(4.2~ 约380m.以上实验结果也可以由双侧孔水口下 5.0mmim-)、水口浸入深度250mm时，被卷入的 CS结晶器内卷渣的瞬态特征解释：液面失稳态时， 液渣滴由1到2过程时间约为1s,因此从液面卷渣 卷渣剧烈，卷入渣滴大，未来得及上浮的大渣滴被凝 开始到1s之间结晶器内液渣滴很少被捕获，如图9 固前沿捕获形成大直径的夹杂物：液面稳态时，液面 中0~1s:被卷入的液渣滴遇到水口主流股后经约 基本不会发生卷渣，且尺寸较大夹杂物多数己经上 1s随流股运动到达结晶器窄面，此过程中大的液渣 浮，因此这时形成的铸坯内夹杂物少，粒径相对 滴被流股破碎成细小渣滴并迅速扩散，与结晶器铸 较小 坯凝固前沿的接触面积迅速增加（尤其是与结晶器 3结论 宽面凝固前沿的接触面积增加更显著)，被凝固坯壳 捕获的几率迅速增大：液面失稳高潮时液渣滴的卷 (I)由于双侧孔水口下CSP结晶器内液面的动 入速度最大，但MDD高潮卷入的渣滴运动到 态失稳现象，导致其液面卷渣呈周期性；常规拉速 图8(a)位置2以后，结晶器主流股上半部分流场内 下，液面稳定态时基本不会发生卷渣：液面失稳态时 渣滴的扩散密度达最大值，此时铸坯捕获保护渣液 会发生连续剪切卷渣，且此时在水口附近易出现卷

分居在水口两侧, 涡心部位具有的能量较低, 一小部 分沿结晶器窄面上升的液渣滴在运动过程中被“吸” 入涡心, 并随涡心流股一起旋转, 如图 8( a) 中 4 ;向 上运动的渣滴到达液面后一部分被液面渣层吸附, 如图 8( a) 中 6, 另一部分继续随主流股进行下一轮 的运动, 如图 8( a) 中 7 .此过程中, 液态渣滴运动主 要集中在结晶器内水口主流股的上部和结晶器窄面 附近, 很少有液渣运动到达水口底端下部的Ⅰ区. 液面失稳态结束后, 液面恢复平静, 液面卷渣基 本停止, 结晶器内液渣滴的运动特征如图 8( b) 所 示.此时, 流股的冲击深度很深, 窄面附近的上回流 股很弱, 残留在结晶器上半部的渣滴在向上流股和 浮力的作用下, 开始逐渐上浮去除( 如图 8( b) 中 2) , 被图 8( a) 中下回流带入结晶器底部的较少量渣滴 随下流股向水口中心线方向聚集并上升( 如图 8( b) 中3) , 一部分随流股下侧漩涡运动( 如图 8 ( b) 中 6) , 一部分向水口底端运动, 过程中遇到主流股又将 被带回, 只有很少渣滴可以随中心上升流运动到液 面A 处去除( 如 8( b) 中 5) .由此可见, 在图 8( a) 过 程中被带入结晶器底部的渣滴很难上浮到液面 去除 . 2.4 液渣滴的捕获 由以上研究可知, 液渣在结晶器内的运动可分 成两部分:图 8( a) 表示保护渣的卷入及失稳态时运 动;图 8( b) 表示液面稳定态时保护渣的上浮运动 . 液渣滴在运动过程中被凝固前沿所捕获, 才会真正 进入铸坯内.分析一个周期内的保护渣被凝固坯壳 捕获趋势如图 9, 假设液面开始发生卷渣行为的时 刻为 0 .图 8( a) 中液渣滴由 1 到 2 过程, 渣滴大, 较 密集, 与结晶器宽面的接触面积很小, 甚至接触不到 宽面, 再加上此处结晶器由于漏斗形结构相对较厚, 所以这个过程液渣滴很少与结晶器壁接触.根据实 验观察及数值模拟计算可知, 常规拉速下( 4.2 ～ 5.0 m·min -1 ) 、水口浸入深度 250 mm 时, 被卷入的 液渣滴由 1 到 2 过程时间约为 1 s, 因此从液面卷渣 开始到 1 s 之间结晶器内液渣滴很少被捕获, 如图 9 中 0 ～ 1 s ;被卷入的液渣滴遇到水口主流股后经约 1 s随流股运动到达结晶器窄面, 此过程中大的液渣 滴被流股破碎成细小渣滴并迅速扩散, 与结晶器铸 坯凝固前沿的接触面积迅速增加( 尤其是与结晶器 宽面凝固前沿的接触面积增加更显著) , 被凝固坯壳 捕获的几率迅速增大;液面失稳高潮时液渣滴的卷 入速 度最大, 但 M DD 高潮卷 入的渣 滴运动 到 图 8( a) 位置 2 以后, 结晶器主流股上半部分流场内 渣滴的扩散密度达最大值, 此时铸坯捕获保护渣液 滴的几率达最大值 .所以, 结晶器内液渣的捕获程 度最大的时间在 MDD 高潮后 1 ～ 2 s ;液面进入稳态 后, 渣滴卷入停止, 卷入结晶器内的渣滴逐渐上浮去 除, 铸坯对液渣的捕获率开始降低. 图 9 液渣捕获示意图.( a) 某 MDD 周期内表面流速变化;( b) 对应周期内液渣的捕获 Fig.9 S chematic of slag-capturing:( a) su rf ace velocity in an M DD period;( b) slag-capturing corresponding to the period 2.5 铸坯中的大型夹杂物 珠江钢铁公司利用电炉-CSP 流程生产普板 ZJ330B, 铸坯 宽度 1 200 mm, 厚度 56 mm, 拉速 5.0 m·min -1 , 采用双侧孔水口浇铸.生产稳态时, 取铸坯样利用大样电解手段进行大型夹杂物分析. 以上研究可知, 拉速 5.0 m·min -1时, M DD 平 均周期约 21.5 s, 一个 MDD 周期内生产的铸坯长度 约 1.8 m .在铸坯宽度的 1/4 处 、拉坯方向间隔 1 000 mm的位置取三个电解试样, 依次为 1 # 、2 #和 3 # .试样电解每 10 kg 出夹杂物量分别为 3.33, 19.4, 6.1 mg , 平均 9.61 mg .夹杂多为球型或者类 球型, 能谱分析可知其主要来源于液面卷渣 ;1 # 、2 # 和 3 #位置大型夹杂物数量分布差距较大 ;1 #处电 解出最大的夹杂物尺寸约 350 μm, 2 #处所得最大夹 杂物尺寸约 500μm, 3 #处电解出最大的夹杂物尺寸 约 380 μm .以上实验结果也可以由双侧孔水口下 CSP 结晶器内卷渣的瞬态特征解释:液面失稳态时, 卷渣剧烈, 卷入渣滴大, 未来得及上浮的大渣滴被凝 固前沿捕获形成大直径的夹杂物 ;液面稳态时, 液面 基本不会发生卷渣, 且尺寸较大夹杂物多数已经上 浮, 因此这时形成的铸坯内夹杂物少, 粒径相对 较小. 3 结论 ( 1) 由于双侧孔水口下 CSP 结晶器内液面的动 态失稳现象, 导致其液面卷渣呈周期性 ;常规拉速 下, 液面稳定态时基本不会发生卷渣 ;液面失稳态时 会发生连续剪切卷渣, 且此时在水口附近易出现卷 · 768 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷