连铸浸入式水口结构优化的水模型试验

１００×６５×Ｒ３２．５
１５ ０．９、１．０、１．１
１００×６５×Ｒ３２．５
１０ ０．９、１．０、１．１
１００×６５×Ｒ３２．５
５ ０．９、１．０、１．１
１０５×６５×Ｒ３２．５
１５ ０．９、１．ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、１．１
１０５×６５×Ｒ３２．５
１０ ０．９、１．０、１．１
１０５×６５×Ｒ３２．５
Ｗａｔｅｒ ｍｏｄｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ｅｎｔｒｙ ｎｏｚｚｌｅ
ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎｇｇｕｏ （Ｊｉｎａｎ Ｂｒａｎｃｈ ｏｆ Ｓｈａｎｇｄｏｎｇ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉｎａｎ ２５０１０１，Ｃｈｉｎａ）
１．２ 试 验 方 法
图１（ａ）所示为水 模 型 试 验 结 构 的 主 要 部 分， 包 括 中 间 包 、塞 棒 、浸 入 式 水 口 和 结 晶 器 。 在 上 方 与 水 口 连 接 的 是 中 间 包 ，中 间 包 可 以 上 升 和 下 降 ， 调节浸入式水口浸入深度。中间包内的塞棒可以 上升 和 下 降，以 控 制 水 口 的 流 量。 结 晶 器 是 １ 个 近似长方形的容 器，为 方 便 分 析 液 面 的 波 动 情 况 和上下涡心的具 体 位 置，在 结 晶 器 的 表 面 画 有 水 平线和竖直线以建立坐标系，如图 １（ｂ）所 示。 拟 定水平 方 向 为 Ｘ 轴，竖 直 方 向 为Ｙ 轴，并 以 水 口 吐出孔的中间位置为坐标的原点 Ｏ；坐标系中，每 １格为１０ｍｍ。 利 用 水 代 替 钢 液 进 行 试 验，观 察 结晶器内液面的波动情况。将水注入中间包内， 水通过浸入式水 口 流 到 结 晶 器 中，达 到 稳 定 平 衡 后，即 流 量 恒 定 的 情 况 下，测 量 所 需 试 验 数 据，如 液 面 波 动 时 的 波 峰 、波 谷 和 上 、下 涡 心 的 位 置 。
结晶器是连 铸 坯 成 型 器、凝 固 器 及 化 学 冶 金 和物理冶金的交 接 点，钢 水 在 结 晶 器 内 的 流 动 状 态对结晶器内钢 水 卷 渣、铸 坯 裂 纹 的 形 成 等 均 有 重要影响，合理的 流 场 分 布 可 以 防 止 保 护 渣 的 卷 入 和 坯 壳 的 不 均 匀 生 长，促 进 钢 液 中 夹 杂 物 上 浮 。 ［１－２］ 济钢中厚板 厂 １ 号 板 坯 连 铸 机 主 要 生 产 船板 钢 和 锅 炉 容 器 钢，断 面 尺 寸 主 要 为 ２７０ ｍｍ ×２ １００ｍｍ，在实际生产过 程 中 铸 坯 表 面 纵 裂 纹 频发。经分析认 为，铸 坯 表 面 纵 裂 的 主 要 原 因 是 浸 入 式 水 口 结 构 不 合 理 ，使 得 热 区 下 移 、铸 坯 在 结 晶器内的流场和 温 度 场 不 合 理，导 致 出 生 坯 壳 凝
２．１ 波 高
结 晶 器 中 ，在 钢 水 达 到 平 衡 的 情 况 下 ，观 察 液 面的波动。在液面的最低点和最高点作上标记， 即液面波动时的 波 峰 和 波 谷，波 高 即 波 峰 与 波 谷 的差值，可以 反 应 液 面 的 波 动 情 况。 不 同 拉 速 条 件下浸入式水口结构对波高的影响如图３所示。 可 以 看 出 ，同 一 拉 速 条 件 下 ，液 面 波 动 随 浸 入 式 水 口侧孔倾角和出口尺寸的增大而减小。在这２种 因 素 的 影 响 下 ，侧 孔 倾 角 为 ５°，出 口 尺 寸 为９５ ｍｍ ×６５ｍｍ×Ｒ３２．５ ｍｍ 的 水 口 液 面 波 动 最 大；侧 孔倾角 为 １５°，出 口 尺 寸 为 １０５ ｍｍ×６５ ｍｍ× Ｒ３２．５ｍｍ 的水口液面波动最小。 从图 ３ 还可以 看出水口侧孔倾 角 或 出 口 尺 寸 一 定 的 条 件 下，随 着 拉 速 增 加 ，液 面 波 动 增 大 。
固和生长不均匀，铸 坯 出 结 晶 器 后 受 到 各 种 力 的 作用而产生 纵 裂 纹。 通 过 水 模 型 试 验 研 究，分 析 浸入式水口结构 对 结 晶 器 流 场 的 影 响，为 获 得 较 为合理的浸入式 水 口 结 构，优 化 结 晶 器 流 场 及 传 热 均 匀 性 ，解 决 铸 坯 表 面 纵 裂 问 题 提 供 试 验 依 据 。
口 尺 寸 、侧 孔 倾 角 加 以 变 化 ，研 究 了 相 同 插 入 深 度 （１３５ ｍｍ）、相 同 断 面 尺 寸 （２７０ ｍｍ×２ １００ ｍｍ）、 不同拉速条件下浸入式水口结构对结晶器流场的 影 响 ，试 验 参 数 见 表 １。
序号
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９
１ 试 验 内 容
１．１ 试 验 原 理
在连铸过程中直接观察和检测钢液的流动行 为是不现实的，一 般 采 用 水 力 学 模 型 进 行 试 验 研 究。本试验不考 虑 热 相 似 和 化 学 相 似，只 考 虑 模
作 者 简 介 ：张 明 国 （１９８６－ ），男 ，助 理 工 程 师 ，主 要 从 事 产 品 质 量 控 制 工 作 。
５ ０．９、１．０、１．１
２ 试 验 结 果
（ａ）水 模 型 结 构 ；（ｂ）坐 标 示 意 图 图 １ 水 模 型 试 验 结 构 与 坐 标 示 意 图
试验中使用的水口为济钢实际生产使用的异 形水 口，水 口 结 构 参 数 如 图 ２ 所 示。 当 前 使 用 的 水 口 侧 孔 倾 角 为 １５°，出 口 尺 寸 为 １０５ ｍｍ × ６５ｍｍ×Ｒ３２．５ｍｍ。本 试 验 将 浸 入 式 水 口 的 出
２０１４年 ８月 第４２卷 第４期
钢铁研究 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｉｒｏｎ ＆ Ｓｔｅｅｌ
Ａｕｇ． ２０１４ Ｖｏｌ．４２ Ｎｏ．４ ·１５·
连铸浸入式水口结构优化的水模型试验
张明国
（山东钢铁股份有限公司 济南分公司，山东 济南 ２５０１０１）
摘 要：以 济 钢 板 坯 连 铸 结 晶 器 为 原 型 ，采 用 几 何 相 似 比 为 １∶１，弗 鲁 德 准 数 与 原 型 相 等 的 水 模 型 进 行 试验，研究了不同拉速条件下，不同浸入式水口的侧孔倾角和出口尺寸对板坯结晶器内 流 场 和 液 面 波 动 行为的影响。结果表明：拉速一定的条件下，随着 水 口 侧 孔 倾 角 和 出 口 尺 寸 增 大，液 面 波 动 减 小，上、下 涡心位置离结晶器窄面越 近 且 冲 击 深 度 增 加。 综 合 考 虑，选 用 侧 孔 倾 角 为 ５°、出 口 尺 寸 为 １００ ｍｍ× ６５ｍｍ×Ｒ３２．５ｍｍ 的水口。 关 键 词 ：板 坯 连 铸 ；浸 入 式 水 口 ；水 模 型 中 图 分 类 号 ：ＴＦ７７７．１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００１－１４４７（２０１４）０４－００１５－０４
图 ２ 浸 入 式 水 口 结 构 图
表 １ 试 验 参 数 表
出 口 尺 寸／
侧 孔 倾 角／
拉 速／
（ｍｍ×ｍｍ×ｍｍ）
（°）
（ｍ·ｍｉｎ－１）
９５×６５×Ｒ３２．５
１５ ０．９、１．０、１．１
９５×６５×Ｒ３２．５
１０ ０．９、１．０、１．１
９５×６５×Ｒ３２．５
５ ０．９、１．０、１．１
流股经侧孔进 入 结 晶 器，沿 一 定 的 路 径 向 上 行 进 ，形 成 １ 个 环 流 （或 旋 涡 ）。 环 流 中 有 一 位 置 ， 始 终 固 定 不 变 ，这 一 位 置 就 是 上 回 流 涡 心 ，即 上 涡 心。不同拉速条 件 下，不 同 浸 入 式 水 口 结 构 时 上 涡心位置的 坐 标 值 （Ｘ、Ｙ 值）如 图 ４ 所 示。 可 以 看出，同 一 拉 速 下，水 口 侧 孔 倾 角 一 定 时，随 着 水 口 出 口 尺 寸 增 大 ，上 涡 心 位 置 越 低 ，且 离 结 晶 器 窄 面 越 近 ；水 口 出 口 尺 寸 一 定 时 ，随 着 水 口 侧 孔 倾 角 增 大 ，上 涡 心 位 置 越 低 ，且 离 结 晶 器 窄 面 越 近 。 在 侧孔倾角和出口 尺 寸 ２ 种 因 素 的 影 响 下，增 大 侧 孔 倾 角 和 出 口 尺 寸 时 ，上 涡 心 偏 下 ，对 液 面 波 动 影 响较 小；减 小 侧 孔 倾 角 和 出 口 尺 寸 时，上 涡 心 偏 上 ，对 液 面 波 动 影 响 较 大 。
２．２．２ 下 回 流 涡 心 位 置
钢 水 经 侧 孔 进 入 结 晶 器 ，沿 一 定 的 路 径 向 下 流 动 ，形 成 １ 个 漩 涡 ，漩 涡 中 有 一 位 置 固 定 不 变 的 涡 心 ，这 一 位 置 就 是 下 回 流 涡 心 ，即 下 涡 心 。 不 同 拉 速 条 件 下 ，不 同 浸 入 式 水 口 结 构 时 的 下 涡 心 位 置 坐 标 值（Ｘ、Ｙ 值）如 图 ５ 所 示 。 可 以 看 出 ，拉 速 一 定 时 ，下 涡 心 的 深 度 相 差 无 几 ，只 是 在水平位置上有所不同。水口 侧 孔 倾 角 一 定 时 ，随 着 出 口 尺 寸 增 大 ，下 涡 心 位 置 离 结 晶 器 窄 面 越 近 ；水 口 出 口 尺 寸 一 定 时 ，随 着 侧 孔 倾 角 增 大 ，下 涡 心 位 置 离 结 晶 器 窄 面 越 近 。 在 这 ２ 种 因 素 的 影 响 下 ，水 口 侧 孔 倾 角 为 ５°，出 口 尺 寸 为 ９５ ｍｍ×６５ ｍｍ×Ｒ３２．５ ｍｍ 时 ，下 涡 心 位 置 离 结晶器窄面远一些。
第４期
张 明 国 ：连 铸 浸 入 式 水 口 结 构 优 化 的 水 模 型 试 验
· １７ ·
（ａ）拉 速 为 ０．９ ｍ／ｍｉｎ；（ｂ）拉 速 为 １．０ ｍ／ｍｉｎ；（ｃ）拉 速 为 １．１ ｍ／ｍｉｎ 图 ３ 不 同 浸 入 式 水 口 结 构 时 的 波 高
２．２．１ 上 回 流 涡 心 位 置
· １６ ·
钢铁研究
第 ４２ 卷
型与原型在几何和动力学上的相似。以济钢中厚 板厂１号板坯连 铸 机 结 晶 器 为 原 型，按 照 １∶１的 几何相似比（弗鲁 德 准 数 与 原 型 相 等），采 用 有 机 玻璃制成结 晶 器 模 型 进 行 试 验 。 ［１，３］ 流 场 显 示 采 用颗粒轨迹显示 法，借 助 示 踪 颗 粒 获 得 颗 粒 的 轨 迹特征和液面的波型。
２．２ 涡 心 位 置
试验中可以观察到结晶器宽面出现对称的流 场，从浸入式水口 侧 孔 喷 射 出 的 流 股 冲 击 到 结 晶 器窄面后分成２ 个 流 股，其 一 是 向 上 的 回 流 到 达 表面，其二是向下 的 流 股 达 到 最 大 穿 透 深 度 然 后 向 上 回 流 ，即 上 回 流 区 和 下 回 流 区 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ｓｌａｂ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｓｔｉｎｇ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅｒ ａｔ Ｊｉｎａｎ Ｂｒａｎｃｈ ｏｆ Ｓｈａｎｇｄｏｎｇ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，ｗａｔｅｒ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ ｒａｔｉｏ ｏｆ １∶１ａｎｄ ｔｈｅ ｓａｍｅ Ｆｒ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ａｓ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃａｓｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｉｄｅ ｈｏｌｅ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ｅｎｔｒｙ ｎｏｚｚｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｆｌｏｗ ｆｉｌｅｄ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅｒ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｅｒｔａｉｎ ｃａｓｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ，ｗｈｅｎ ｓｉｄｅ ｈｏｌｅ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｓｉｚｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ，ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅ ｕｐ ａｎｄ ｄｏｗｎ ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ ｃｅｎｔｅｒ ａｒｅ ｃｌｏｓｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｎａｒｒｏｗ ｗａｌｌ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅｒ，ａｎｄ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｄｅｐｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｆａｃｔｏｒｓ，ｔｈｅ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ｅｎｔｒｙ ｎｏｚｚｌｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｈｏｌｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ５°ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｓｉｚｅ ｏｆ １００ ｍｍ×６５ ｍｍ×Ｒ３２．５ ｍｍ ｗａｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｌａｂ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｓｔｉｎｇ；ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ｅｎｔｒｙ ｎｏｚｚｌｅ；ｗａｔｅｒ ｍｏｄｅｌ