工程科学学报，第38卷，第10期：1393-1403,2016年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.10:1393-1403,October 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.10.007:http://journals..ustb.edu.cn 基于PV技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为 研究 任磊，张立峰四，王强强，赵星 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhanglifeng(@usth.cdu.cm 摘要利用粒子图像测速技术，以200mm×2040mm板坯连铸结晶器为原型，建立1：4水模型进行实验，对结晶器内钢液流 动形态、流速及各流态所占比例、液面波动、以水口为中心结晶器两侧对称点速度随时间的变化、水口两侧液面水平流速、水 口两侧对称位置液面至结晶器底部垂直方向速度和钢液对两侧窄面的冲击深度进行系统地研究和分析，并对比拉速的影响. 研究表明，粒子图像测速技术不仅可以测量结晶器内流场流速，还可以对流场对称性进行全方位、多角度定量分析，为研究连 铸参数变化，比如拉速、水口结构和水口浸入深度，对板坯连铸结晶器内钢液流动及对称性的影响提供一种较为精确的方法 和思路.通过分析得出，在本实验条件下拉速0.5mmin优于0.6mmin 关键词连铸：结品器；流体流动：粒子图像测速技术：对称性 分类号TF777.1 Study on fluid flow in a continuous casting slab mold using particle image velocimetry REN Lei,ZHANG Li-feng,WANG Qiang-qiang,ZHAO Xing School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhanglifeng@ustb.edu.cn ABSTRACT A 1/4 scale water model of slab molds was built to investigate the fluid flow and its symmetry during casting.The mod- el was established according to a 200 mm x 2040 mm actual mold.The velocity in the mold was measured by using particle image ve- locimetry (PIV).By analyzing the velocity field,the fluid flow behaviors such as flow patterns,level fluctuation,time history of speed on symmetrical points,horizontal speed below the meniscus,vertical speed nearby the narrow face and impingement depth could be studied.The effect of casting speed on the fluid flow behaviors mentioned above was investigated.The results show that the PIV technology can not only measure the velocity field,but also show the flow symmetry in a distinctive perspective so that proposing meas- ures for the continuous casting process,such as casting speed,the geometric of the submerged entry nozzle (SEN)and submergence depth of SEN.After analysis,a conclusion can be drawn that the casting speed at 0.5mminis better than 0.6mminunder the casting condition.The results show that the PIV technology is a useful method to optimize the continuous casting conditions. KEY WORDS continuous casting:molds;fluid flow;particle image velocimetry:symmetry 连铸结晶器内的钢液流动是一个复杂的三维湍流性冈、液面流速网、液面波动0等指标控制不当就会引 流动，由于其工作条件和环境所限无法对结晶器内部 起液态保护渣卷入钢液5-可，造成连铸坯质量下降. 钢液流动特征进行直接研究，但生产过程中若对其内 Yoshida等网研究发现液态保护渣卷入结晶器钢液内 部钢液的流动形态0、以水口为中心两侧流股的对称 部主要有五种方式（如图1所示）：(1)钢液从水口两 收稿日期：2015-12-31 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274034,51334002,51404019)
工程科学学报，第 38 卷，第 10 期: 1393--1403，2016 年 10 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 10: 1393--1403，October 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 10． 007; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于 PIV 技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为 研究 任 磊，张立峰，王强强，赵 星 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: zhanglifeng@ ustb． edu． cn 摘 要 利用粒子图像测速技术，以 200 mm × 2040 mm 板坯连铸结晶器为原型，建立 1∶ 4水模型进行实验，对结晶器内钢液流 动形态、流速及各流态所占比例、液面波动、以水口为中心结晶器两侧对称点速度随时间的变化、水口两侧液面水平流速、水 口两侧对称位置液面至结晶器底部垂直方向速度和钢液对两侧窄面的冲击深度进行系统地研究和分析，并对比拉速的影响． 研究表明，粒子图像测速技术不仅可以测量结晶器内流场流速，还可以对流场对称性进行全方位、多角度定量分析，为研究连 铸参数变化，比如拉速、水口结构和水口浸入深度，对板坯连铸结晶器内钢液流动及对称性的影响提供一种较为精确的方法 和思路． 通过分析得出，在本实验条件下拉速 0. 5 m·min － 1优于 0. 6 m·min － 1 ． 关键词 连铸; 结晶器; 流体流动; 粒子图像测速技术; 对称性 分类号 TF777. 1 Study on fluid flow in a continuous casting slab mold using particle image velocimetry ＲEN Lei，ZHANG Li-feng ，WANG Qiang-qiang，ZHAO Xing School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: zhanglifeng@ ustb． edu． cn ABSTＲACT A 1 /4 scale water model of slab molds was built to investigate the fluid flow and its symmetry during casting． The model was established according to a 200 mm × 2040 mm actual mold． The velocity in the mold was measured by using particle image velocimetry ( PIV) ． By analyzing the velocity field，the fluid flow behaviors such as flow patterns，level fluctuation，time history of speed on symmetrical points，horizontal speed below the meniscus，vertical speed nearby the narrow face and impingement depth could be studied． The effect of casting speed on the fluid flow behaviors mentioned above was investigated． The results show that the PIV technology can not only measure the velocity field，but also show the flow symmetry in a distinctive perspective so that proposing measures for the continuous casting process，such as casting speed，the geometric of the submerged entry nozzle ( SEN) and submergence depth of SEN． After analysis，a conclusion can be drawn that the casting speed at 0. 5 m·min － 1 is better than 0. 6 m·min － 1 under the casting condition． The results show that the PIV technology is a useful method to optimize the continuous casting conditions． KEY WOＲDS continuous casting; molds; fluid flow; particle image velocimetry; symmetry 收稿日期: 2015--12--31 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51274034，51334002，51404019) 连铸结晶器内的钢液流动是一个复杂的三维湍流 流动，由于其工作条件和环境所限无法对结晶器内部 钢液流动特征进行直接研究，但生产过程中若对其内 部钢液的流动形态［1］、以水口为中心两侧流股的对称 性［2］、液面流速［3］、液面波动［4］等指标控制不当就会引 起液态保护渣卷入钢液［5--7］，造成连铸坯质量下降． Yoshida 等［8］研究发现液态保护渣卷入结晶器钢液内 部主要有五种方式( 如图 1 所示) : ( 1) 钢液从水口两
·1394· 工程科学学报，第38卷，第10期 侧射出时若流速不同，流速较大一侧钢液撞击结晶器 浸入式水口 窄面后形成上回流冲击弯月面，使钢渣界面剧烈波动， 液渣层 周渣与烧结层 这有可能使液渣被卷入钢液被凝固坯壳捕获.(2)由 3 (2) 于滑板控流操作不当、水口未对中、水口堵塞等导致的 结品器 非对称流使结晶器液面水口两侧流股流速不同，在流 速较小一侧会形成卡门涡，该漩涡会将液态保护渣吸 入钢液被凝固坯壳捕获.(3)当大尺寸气泡上浮穿过 气 钢渣界面时，气泡会将部分钢液托举脱离钢液基体，当 坏壳 气泡继续上浮破裂进入大气后被脱离钢液基体的钢液 铜液 膜由于重力又回到钢液中，该过程会将少量液态渣卷 入钢液被流股带至凝固前沿被凝固坯壳捕获.(4)钢 图1 结晶器卷渣的五种主要形式) 渣界面的Kelvin--Helmholtz不稳定现象会使保护渣 Fig.1 Five mechanisms of mold powder entrapment 滴落卷入钢液被流股带至凝固前沿被凝固坯壳捕获. 冲击深度. (5)非对称流导致的水口两侧流股的速度差还会使水 口两侧形成压力差，流速较小一侧的负压会将液态保 1 实验 护渣沿着水口外壁吸入钢液，当保护渣流至水口出口 1.1 时被流股冲至凝固前沿被凝固坯壳捕获.其中(3)只 物理模拟实验方法 本实验的结晶器水模型的建立基于相似原理，模 有在吹气的情况下才会发生，而(1)、(2)、(4)和(5) 均与结晶器内部以水口为中心两侧钢液流动不对称有 型与原型比为1：4，且保证其F:准数相等，如式(1)所 关，因此生产过程中为了避免发生卷渣应设法使钢液 示为弗鲁德准数.图2为结晶器水模拟实验装置示意 在结晶器内的流动行为稳定且对称.Thomas等o和 图，包括中间包、浸入式水口和结晶器，计量泵和玻璃 Sanchez-Perez等W采用气泡示踪，Torres-Alonso等团 转子流量计.结晶器水模型断面尺寸为50mm×510 mm.浸入式水口出口形状为椭圆形，出口角度为0°， 采用墨水示踪显示钢液在结晶器内的流动形态， Chaudhary等在结晶器内某些位置布置探测器测量 如图3所示 该点流速，通过对比对称位置的速度大小及随时间的 变化研究流场对称性.但是，示踪实验虽能显示流态， 无法得知结晶器内水口两侧流速大小是否对称，而探 测器只能获得某些位置的流速无法获得流态.随着流 体力学的发展，粒子图像测速技术(particle image ve-- 流量计 流量 locimetry,PIV)被应用于研究治金反应器内部流 场4-刀，Yuan等的研究结果中获得结晶器整个范 围内的流态和流速的方法是：利用粒子图像测速技术 对结晶器分区拍摄，得到结晶器内局部流态及流速，然 空气压缩机 后将不同区域的多次测量结果求平均后拼接起来，这 种方法虽然能得到结晶器内钢液流态和流速，但是由 图2水模型实验装置图 于无法同时得到同一时刻结晶器内以水口为中心两侧 Fig.2 Water model of the mold 流场，所以无法研究连铸参数变化对结晶器内钢液流 动对称性的影响. (1) 基于此，本文采用1：4比例的水模型，利用粒子图 fr= gl 像测速技术并将拍摄区域扩大为整个流场范围，得到 由于采用模型与原型几何尺寸比例为1：4，模型与原 不同时刻钢液在结晶器内的速度场，在此基础上研究 型的速度之比经公式(2)~(4)推导所得. 结晶器内钢液流动特征，包括钢液在结晶器内流动形 Fre=Frg (2) 态、流速、各流态所占比例和液面波动，并进一步分析 2222 g。g。= (3) 拉速对板坯连铸结晶器内钢液流动的对称性的影响， 对称性优劣的评价指标包括水口两侧对称点速度随时 V (4) 间的变化、水口两侧液面水平流速、水口两侧对称位置 液面至结晶器底部垂直方向速度和钢液对两侧窄面的 式中：V为钢水流速，ms:l为特征长度，m;g为重力
工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 侧射出时若流速不同，流速较大一侧钢液撞击结晶器 窄面后形成上回流冲击弯月面，使钢渣界面剧烈波动， 这有可能使液渣被卷入钢液被凝固坯壳捕获． ( 2) 由 于滑板控流操作不当、水口未对中、水口堵塞等导致的 非对称流使结晶器液面水口两侧流股流速不同，在流 速较小一侧会形成卡门涡，该漩涡会将液态保护渣吸 入钢液被凝固坯壳捕获． ( 3) 当大尺寸气泡上浮穿过 钢渣界面时，气泡会将部分钢液托举脱离钢液基体，当 气泡继续上浮破裂进入大气后被脱离钢液基体的钢液 膜由于重力又回到钢液中，该过程会将少量液态渣卷 入钢液被流股带至凝固前沿被凝固坯壳捕获． ( 4) 钢 渣界面的 Kelvin--Helmholtz［9］不稳定现象会使保护渣 滴落卷入钢液被流股带至凝固前沿被凝固坯壳捕获． ( 5) 非对称流导致的水口两侧流股的速度差还会使水 口两侧形成压力差，流速较小一侧的负压会将液态保 护渣沿着水口外壁吸入钢液，当保护渣流至水口出口 时被流股冲至凝固前沿被凝固坯壳捕获． 其中( 3) 只 有在吹气的情况下才会发生，而( 1) 、( 2) 、( 4) 和( 5) 均与结晶器内部以水口为中心两侧钢液流动不对称有 关，因此生产过程中为了避免发生卷渣应设法使钢液 在结晶器内的流动行为稳定且对称． Thomas 等［10］和 Sanchez-Perez 等［11］采用气泡示踪，Torres-Alonso 等［12］ 采用墨水示踪显示 钢液在结晶器内的流动形态， Chaudhary 等［13］在结晶器内某些位置布置探测器测量 该点流速，通过对比对称位置的速度大小及随时间的 变化研究流场对称性． 但是，示踪实验虽能显示流态， 无法得知结晶器内水口两侧流速大小是否对称，而探 测器只能获得某些位置的流速无法获得流态． 随着流 体力学的发展，粒子图像测速技术( particle image velocimetry，PIV) 被 应 用 于 研 究 冶 金 反 应 器 内 部 流 场［14--17］，Yuan 等［18］的研究结果中获得结晶器整个范 围内的流态和流速的方法是: 利用粒子图像测速技术 对结晶器分区拍摄，得到结晶器内局部流态及流速，然 后将不同区域的多次测量结果求平均后拼接起来，这 种方法虽然能得到结晶器内钢液流态和流速，但是由 于无法同时得到同一时刻结晶器内以水口为中心两侧 流场，所以无法研究连铸参数变化对结晶器内钢液流 动对称性的影响． 基于此，本文采用 1∶ 4比例的水模型，利用粒子图 像测速技术并将拍摄区域扩大为整个流场范围，得到 不同时刻钢液在结晶器内的速度场，在此基础上研究 结晶器内钢液流动特征，包括钢液在结晶器内流动形 态、流速、各流态所占比例和液面波动，并进一步分析 拉速对板坯连铸结晶器内钢液流动的对称性的影响， 对称性优劣的评价指标包括水口两侧对称点速度随时 间的变化、水口两侧液面水平流速、水口两侧对称位置 液面至结晶器底部垂直方向速度和钢液对两侧窄面的 图 1 结晶器卷渣的五种主要形式［8］ Fig． 1 Five mechanisms of mold powder entrapment 冲击深度． 1 实验 1. 1 物理模拟实验方法 本实验的结晶器水模型的建立基于相似原理，模 型与原型比为 1∶ 4，且保证其 Fr 准数相等，如式( 1) 所 示为弗鲁德准数． 图 2 为结晶器水模拟实验装置示意 图，包括中间包、浸入式水口和结晶器，计量泵和玻璃 转子流量计． 结晶器水模型断面尺寸为 50 mm × 510 mm． 浸入式水口出口形状为椭圆形，出口角度为 0°， 如图 3 所示． 图 2 水模型实验装置图 Fig． 2 Water model of the mold Fr = V2 gl ． ( 1) 由于采用模型与原型几何尺寸比例为 1∶ 4，模型与原 型的速度之比经公式( 2) ～ ( 4) 推导所得． Frm = Frp ． ( 2) V2 m glm = V2 p glp V2 m lm = V2 p lp ． ( 3) Vm Vp = lm 槡lp = 槡 1 4 = 1 2 = 0. 5． ( 4) 式中: V 为钢水流速，m·s － 1 ; l 为特征长度，m; g 为重力 · 4931 ·
任磊等：基于PV技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究 ·1395· 75 表1原型与模型的主要参数 49.75 2 Table 1 Parameters of the actual and water model 参数 结晶器原型 1/4水模型 断面尺寸/mm2 200×2040 50×510 结品器长/mm 900 550 工作液位/mm 100 水口浸入深度/mm 160 35 拉速/(m'min-1) 0.85 0.50.6 13.75 单位：mm 16.25 通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片 φ27.5 上或电荷耦合器件相机上，摄取该区域粒子图像的帧 图3实验所用水口结构及尺寸 序列，并记录相邻两帧图像序列之间的时间间隔，进行 Fig.3 Geometric of the submerged entry nozzle (SEN) 图像相关分析识别示踪粒子图像的位移，从而得到流 体的速度场.图4所示为粒子图像测速技术原理图. 加速度，ms2;下标m代表模型：下标p代表原型 图中T,为激光1发射时刻，us:T,为激光2发射时刻， 本文在利用粒子图像测速技术研究结晶器内部流 us;△L为T2-T,时间内示踪粒子移动的距离，m:V为 动特征后发现，在拉速为0.425m·min时，流态中单 T,-T,时间内示踪粒子的运动速度，ms 辊流所占比例较多，原因是结晶器原型为宽幅（宽厚 本实验粒子图像测速激光发射器采用北京镭宝光 比为11：1)，钢液从水口射出后要经过很长一段距离 电技术有限公司生产的型号为Vite380脉冲固体激光 才能到达窄面，动能损失较多，冲击点下移，导致上回 器系统，电荷耦合器件采用美国T$公司生产的型号 流较弱.因此，考虑适当提高连铸拉速.将水模型拉 为63062相机，运用Insight4G软件对图像分析处理 速从满足相似比的0.425m·min提升至0.5m· 拍摄模式为序列模式，数量设置为100，激光脉冲频率 min',但是拉速不能一味提高，需要考虑现场连铸的 为1.92Hz(相邻两个瞬态的时间间隔为频率的倒数， 节奏、液面波动等情况，因此本文对比了提升拉速后两 即0.52s,在结晶器液位稳定下抓拍100个瞬态)，那 种拉速0.5m'min和0.6mmin下结晶器内的流动 么连续抓拍时间为52s左右，激光延迟选择400μs,粒 特征及对称性.表1为结晶器原型与模型的主要参数 子图像测速曝光选择410μs,计算速度矢量时两帧时 对比. 间间隔1200us. 1.2粒子图像测速系统 粒子图像测速技术系统包括激光光源系统、激光 2结果分析与讨论 器电源、同步控制器、计算机以及电荷耦合器件 2.1结晶器内流态显示及流速测量 (charge coupled device,CCD)相机，其原理为在流场中 图5为拉速0.5m·min结晶器内不同时刻典型 散播示踪粒子，用脉冲激光片光源照射所测流场区域， 流态，将开始拍摄时刻记为0s.由图5(a)可知，距开 结晶器水模型 光路传输系统 激光发射器 CCD相机 日同步器 2 v= △L T-T T激光1 T,:激光2 澈光器电源 图像分析处理 图4粒子图像测速技术原理图 Fig.4 Prineiple of PIV
任 磊等: 基于 PIV 技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究 图 3 实验所用水口结构及尺寸 Fig． 3 Geometric of the submerged entry nozzle ( SEN) 加速度，m·s － 2 ; 下标 m 代表模型; 下标 p 代表原型． 图 4 粒子图像测速技术原理图 Fig． 4 Principle of PIV 本文在利用粒子图像测速技术研究结晶器内部流 动特征后发现，在拉速为 0. 425 m·min － 1时，流态中单 辊流所占比例较多，原因是结晶器原型为宽幅( 宽厚 比为 11∶ 1) ，钢液从水口射出后要经过很长一段距离 才能到达窄面，动能损失较多，冲击点下移，导致上回 流较弱． 因此，考虑适当提高连铸拉速． 将水模型拉 速从满足相似比的 0. 425 m·min － 1 提 升 至 0. 5 m· min － 1，但是拉速不能一味提高，需要考虑现场连铸的 节奏、液面波动等情况，因此本文对比了提升拉速后两 种拉速 0. 5 m·min － 1和 0. 6 m·min － 1下结晶器内的流动 特征及对称性． 表 1 为结晶器原型与模型的主要参数 对比． 1. 2 粒子图像测速系统 粒子图像测速技术系统包括激光光源系统、激光 器电 源、同 步 控 制 器、计 算 机 以 及 电 荷 耦 合 器 件 ( charge coupled device，CCD) 相机，其原理为在流场中 散播示踪粒子，用脉冲激光片光源照射所测流场区域， 表 1 原型与模型的主要参数 Table 1 Parameters of the actual and water model 参数 结晶器原型 1 /4 水模型 断面尺寸/mm2 200 × 2040 50 × 510 结晶器长/mm 900 550 工作液位/mm 100 25 水口浸入深度/mm 160 35 拉速/( m·min － 1 ) 0. 85 0. 5; 0. 6 通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片 上或电荷耦合器件相机上，摄取该区域粒子图像的帧 序列，并记录相邻两帧图像序列之间的时间间隔，进行 图像相关分析识别示踪粒子图像的位移，从而得到流 体的速度场． 图 4 所示为粒子图像测速技术原理图． 图中 T1为激光 1 发射时刻，μs; T2为激光 2 发射时刻， μs; ΔL 为 T2--T1时间内示踪粒子移动的距离，m; V 为 T2--T1时间内示踪粒子的运动速度，m·s － 1 ． 本实验粒子图像测速激光发射器采用北京镭宝光 电技术有限公司生产的型号为 Vlite380 脉冲固体激光 器系统，电荷耦合器件采用美国 TSI 公司生产的型号 为 63062 相机，运用 Insight 4G 软件对图像分析处理． 拍摄模式为序列模式，数量设置为 100，激光脉冲频率 为 1. 92 Hz ( 相邻两个瞬态的时间间隔为频率的倒数， 即 0. 52 s，在结晶器液位稳定下抓拍 100 个瞬态) ，那 么连续抓拍时间为 52 s 左右，激光延迟选择 400 μs，粒 子图像测速曝光选择 410 μs，计算速度矢量时两帧时 间间隔 1200 μs． 2 结果分析与讨论 2. 1 结晶器内流态显示及流速测量 图 5 为拉速 0. 5 m·min － 1结晶器内不同时刻典型 流态，将开始拍摄时刻记为 0 s． 由图 5( a) 可知，距开 · 5931 ·
·1396· 工程科学学报，第38卷，第10期 (a) (b) 0.5m·s速度(m·s-) 0.5m:1速度m·s ■0.30 030 -0.085 -0.085 0.170 0.170 7542 -0.255 -0.255 -0340 0.340 0.01 0.01 0475 0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 距水口距离m 距水口距离m d 0.5ms速度/m 0.5ms1速度m· 1839 0.085 222 -0.085 -0.170 942 0.255 -0.255 0.340 -0.340- -0.425 -0.425 -0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 -0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 距水口距离m 距水口距离m 图5拉速为0.5mmin1时结品器内典型钢液流动流态.(a)t=0.52s:(b)t=11.44s:(c)t=33.80s:(d)t=46.80s Fig.5 Typical flow patterns in the mold at a casting speed of 0.5m"min:(a)1=0.52s:(b)t=11.44s:(c)t=33.80s:(d)=46.80s 始拍摄时间t为0.52s时钢液从水口射出撞击窄面后 速增大结晶器内钢液流速加快 分为上回流和下回流，且左右两侧强度一致，流股较为 图7为结晶器内钢液流态及流速的52s时均图 对称，流态为双辊流：由图5(b)可知，11.44s时水口 其中图7(a)为拉速0.5mmin时结晶器内钢液时均 出口右侧钢液流较左侧明显上翘，导致水口右侧上回 流场，可以看出不同时刻结晶器内钢液的流态在不停 流强于左侧，形成右强左弱的不对称流：由图5（©）可 变化，这是湍流的特点，但是只要连铸条件选择合适能 知，33.80s时钢液从水口射出后射流角度较0.52s和 使各流态所占比例适中，能使其时均流场维持稳定的 11.44s时向下偏转，导致冲击点下移，上回流强度减 双辊流且以水口为中心结晶器左右两侧流股较为对 弱，形成单辊流；由图5(d)可知，46.80s时水口出口 称：图7(b)为拉速0.6m·min时结晶器内钢液时均 左侧钢液流较右侧明显上翘，导致水口左侧上回流强 流场，可以看出当拉速由0.5mmin增加至0.6m· 于右侧，形成左强右弱的不对称流 min时结晶器内钢液流速增大，左侧强流出现的频率 图6为拉速为0.6m·min结晶器内不同时刻典 较大，导致其52s时均流态为极其不对称的左侧强流. 型流态，同样地将开始拍摄时刻记为0s.由图6可知， Gupta和Lahiri网在研究中发现，结晶器水模型内流场 距开始拍摄0.52s时结晶器内钢液流态为左侧强流， 的对称性若排除结构的不对称（水口出口角度、形状 25.48s时为单辊流，37.44s时为双辊流，48.36s时为 等在制作时产生的误差)或者操作不当（水口未对中） 右侧强流.对比图5和图6可知，当拉速由0.5m· 与以下因素有关：结晶器水模型的出水方式（多孔排 min增大至0.6m·min时，结晶器内钢液流动的典 水或者蛇形排水)、结晶器的长度和结晶器的断面宽 型流态均为双辊流、单辊流、左侧强流和右侧强流，拉 厚比.本实验建立的水模型为多孔排水，此种排水方
工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 图 5 拉速为 0. 5 m·min － 1时结晶器内典型钢液流动流态 . ( a) t = 0. 52 s; ( b) t = 11. 44 s; ( c) t = 33. 80 s; ( d) t = 46. 80 s Fig． 5 Typical flow patterns in the mold at a casting speed of 0. 5 m·min － 1 : ( a) t = 0. 52 s; ( b) t = 11. 44 s; ( c) t = 33. 80 s; ( d) t = 46. 80 s 始拍摄时间 t 为 0. 52 s 时钢液从水口射出撞击窄面后 分为上回流和下回流，且左右两侧强度一致，流股较为 对称，流态为双辊流; 由图 5( b) 可知，11. 44 s 时水口 出口右侧钢液流较左侧明显上翘，导致水口右侧上回 流强于左侧，形成右强左弱的不对称流; 由图 5( c) 可 知，33. 80 s 时钢液从水口射出后射流角度较 0. 52 s 和 11. 44 s 时向下偏转，导致冲击点下移，上回流强度减 弱，形成单辊流; 由图 5( d) 可知，46. 80 s 时水口出口 左侧钢液流较右侧明显上翘，导致水口左侧上回流强 于右侧，形成左强右弱的不对称流． 图 6 为拉速为 0. 6 m·min － 1结晶器内不同时刻典 型流态，同样地将开始拍摄时刻记为 0 s． 由图 6 可知， 距开始拍摄 0. 52 s 时结晶器内钢液流态为左侧强流， 25. 48 s 时为单辊流，37. 44 s 时为双辊流，48. 36 s 时为 右侧强流． 对比图 5 和图 6 可知，当拉速由 0. 5 m· min － 1增大至 0. 6 m·min － 1 时，结晶器内钢液流动的典 型流态均为双辊流、单辊流、左侧强流和右侧强流，拉 速增大结晶器内钢液流速加快． 图 7 为结晶器内钢液流态及流速的 52 s 时均图． 其中图 7( a) 为拉速 0. 5 m·min － 1时结晶器内钢液时均 流场，可以看出不同时刻结晶器内钢液的流态在不停 变化，这是湍流的特点，但是只要连铸条件选择合适能 使各流态所占比例适中，能使其时均流场维持稳定的 双辊流且以水口为中心结晶器左右两侧流股较为对 称; 图 7( b) 为拉速 0. 6 m·min － 1时结晶器内钢液时均 流场，可以看出当拉速由 0. 5 m·min － 1 增加至 0. 6 m· min － 1时结晶器内钢液流速增大，左侧强流出现的频率 较大，导致其 52 s 时均流态为极其不对称的左侧强流． Gupta 和 Lahiri［2］在研究中发现，结晶器水模型内流场 的对称性若排除结构的不对称( 水口出口角度、形状 等在制作时产生的误差) 或者操作不当( 水口未对中) 与以下因素有关: 结晶器水模型的出水方式( 多孔排 水或者蛇形排水) 、结晶器的长度和结晶器的断面宽 厚比． 本实验建立的水模型为多孔排水，此种排水方 · 6931 ·
任磊等：基于PV技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究 ·1397· (b) 05m·s速度(m·s 0.5m·s1速度ms) 30 0- 0.30 -0.085 0085 2722222 0.170 -0.255 -0.255 0.30 -0.340 88 -0.425 0.42 -0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 距水口距离m 距水口距离m d 0.5 ms 速度(m· 0.5ms 速度Am·) 030 0.085 -0.085 D.7 0000 0.7 000. 87542 87542 0.255 0.255 D.0 0.09 0.340 0.0 0.340 .0 -0.425 -0.425 0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 -0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 距水口距离m 距水口距离/m 图6拉速为0.6mmin1时结品器内典型钢液流动流态.(a)t=0.52s:(b)t=25.48s:(c)t=37.44s:(d)t=48.36s Fig.6 Typical flow patterns in the mold at a casting speed of 0.6m"min:(a)t=0.52s;(b)t=25.48s:(c)t=37.44s:(d)t=48.36s (a) 0.5ms速度m·g) 0.5ms1 速度m·s 0.250 0.085- 三圆 63 0.170 0.17 0.255 -0.255 0.3540 0.0 -0.425 0.425- 0255-0.170-0.08500.0850.1700.255 0.255-0.170-0.08500.0850.1700.255 距水口距离m 距水口距离m 图7不同拉速下结品器内钢液流态52s时均图.(a)0.5 m'min-1:(b)0.6mmim1 Fig.7 Time-averaged flow patterns at different casting speeds:(a)0.5m*min:(b)0.6mmin-
任 磊等: 基于 PIV 技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究 图 6 拉速为 0. 6 m·min － 1时结晶器内典型钢液流动流态 . ( a) t = 0. 52 s; ( b) t = 25. 48 s; ( c) t = 37. 44 s; ( d) t = 48. 36 s Fig． 6 Typical flow patterns in the mold at a casting speed of 0. 6 m·min － 1 : ( a) t = 0. 52 s; ( b) t = 25. 48 s; ( c) t = 37. 44 s; ( d) t = 48. 36 s 图 7 不同拉速下结晶器内钢液流态 52 s 时均图 . ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 Fig． 7 Time-averaged flow patterns at different casting speeds: ( a) 0. 5 m·min － 1 ; ( b) 0. 6 m·min － 1 · 7931 ·