结晶器流场水模试验与水口选型

世界金属导报/2014年/6月/3日/第B03版
炼钢连铸
结晶器流场水模试验与水口选型
刘振陈传磊庞志忠郭庆鹏赵友虎
济钢中厚板厂45t转炉区域4#板坯连铸机机型为R5.7/6.8/8.5/12/17/33多点矫直的超低头板坯连铸机，生产断面200mm×1400mm°超低头机型存在不利于夹杂物上浮，易黏结漏钢缺点，但这在较大程度上又取决于钢液在结晶器内的行为。

影响钢液凝固行为的因素除结晶器的振动和冷却外，主要就是结晶器内钢液的流场。

合理的流场可以减小流股对坯壳的冲击和钢液面波动，利于保护渣的熔化，防止保护渣的卷入和坯壳不均匀生长，降低黏结几率，促进夹杂物上浮。

结晶器水口参数的设计和选择对铸坯质量和生产稳定有较大影响。

可以通过水模试验对水口倾角15°、16°、17°、18°等四种水口进行对比优化选择。

本文根据相似原理，试验模拟结晶器流场，测量模拟流场内浪高值，对比四种不同倾角水口在不同拉速下结晶器内流场波动情况，选择最佳工况水口。

1水模试验原理及参数确定
根据相似原理，要保证模型与原形中流体的流动相似，需要满足几何相似和动力相。

本研究取模型(Lm)与原形(Lp)的几何相似比λ为1/2，即
为保证动力相似，需满足弗鲁德准数(Fr)相等，即
由(1)、(3)式可计算得出模型与原型间参数关系为:
式(1-4)中，λ为几何相似比；Lm Lp分别为模型和原型的特征尺寸；Frm、Frp分别为模型和原型的弗鲁德准数；Vm、Vp分别为模型和原型中液体流速，m/s；g为重力加速度，m/s2。

根据铸机拉速和铸坯断面(200mm×1400mm)，结合4式计算结果，计算确定原型拉速对应的模型流量如表1。

2水模试验设备及方案
水模试验模型由供水系统、模型结晶器系统和测试系统等三个子系统构成。

结晶器采用液体流量计(电磁流量计)来控制进水流量，结晶器底端开有一个圆形出水孔，并利用球阀控制流量。

模型结晶器系统由一个结晶器空腔(有机玻璃制品，按相似比缩小得到)组成。

测量系统采用DJ800型多功能水工监测系统来测量液面的波动，该装置可测定液面波动幅度的瞬时值，同时也能够得到一段时间的平均值，传感器测得数据由计算机进行快速采集和记录分析。

试验装置示意图如图1。

模拟结晶器内1#、2#、3#三测点将结晶器水口中心线到结晶器窄边均分，其中1#测点靠近窄边，2#测点靠近水口中心线，3#测点位于中间。

根据铸机实际情况，分别对倾角15°、16°、17°、18°，水口在插入深度140mmm、160mmm，
拉速0.9m/mmin、1.Om/min、1.1m/mmin液面波动进行检测。

试验时，不同倾角水口分别在插入深度140mm、160mmm，拉速0.9m/min、1.Om/min、1.1m/min 时检测液面波动，每个测点对同一水口都检测到6组浪高波段，每波段取平均值记为浪高。

本试验3个测点共采集72个浪高值。

3试验结果
3.11#测点
水口插入深度为140mm时，四种倾角水口在不同拉速下浪高检测值如图2。

水口插入深度为160mmm时，四种倾角水口在不同拉速下浪高检测值如图3°
图2、图3表明，1#测点显示浪高值在水口插入深度140mm及160mmm，拉速0.9m/mmin、1.0m/min、1.1m/min时，倾角16°水口浪高值最小点出现次数最多，说明倾角16°水口在1#测点位置流场波动优于其余三种倾角水口。

3.22#测点
水口插入深度为140mmm时，四种倾角水口在不同拉速下浪高检测值如图4°
水口插入深度为160mmm时，四种倾角水口在不同拉速下浪高检测值如图5。

图4、图5表明，2#测点显示浪高值在水口插入深度140mmm及160mmm，拉速0.9m/mmin、1.Om/min、1.1m/min时，倾角16°水口浪高值最小点出现次数最多，说明倾角16°水口在2#测点位置流场波动也优于其余三种倾角水口。

3.33#测点
水口插入深度为140mm时，四种倾角水口在不同拉速下浪高检测值如图6。

水口插入深度为160mm时，四种倾角水口在不同拉速下浪高检测值如图7
图6、图7表明，3#测点显示浪高值在水口插入深度140mmm，.拉速1Om/min、1.1m/mmin 时，倾角16°水口浪高值最小；拉速0.9m/min时，16°倾角水口浪高值高于15°、17°倾角水口。

插入深度160mmm，拉速1.0m/min、1.1m/min时，倾角16°水口浪高值最小；拉速0.9m/mmin，16°倾角水口浪高值最大。

3.4结论
1)1#测点、2#测点的检测结果(图2-图5)，当拉速从0.9m/min-1.1m/mim变化时，16°倾角水口浪高值最小，流场波动优于其它三种倾角水口。

2)3#测点检测结果(图6-图7)，当拉速为1.0m/min、1.1m/min时，16°倾角水口浪高变化最小，为最优流场水口；当拉速为0.9m/min时，水口浪高值大于其它三种水口。

综合考虑三种拉速条件下，16°倾角水口在3#测点浪高值最小点出现仍为最多，在3#测点为最优倾角水口。

3)对比16°倾角水口插入深度140mm、160mm的浪高值，插入深度160mm时浪高小于插入深度140mmm时浪高。

因此选择水口倾角16°，插入深度160mmm。

4)现场实践证明，16°水口插入深度160mmm，结晶器液面稳定，有利于保护渣熔化及覆盖，能很好满足连铸机生产。