异形坯连铸结晶器流场的水模型研究

1、异形坯连铸结晶器流场的水模型研究沈昶周俐李建中摘要：通过1:2异型坯水模型实验,研究了马钢760mm×460mm×120mm异型坯结晶器在不同水口结构、不同工艺参数条件下的流场。结果表明在其他条件下相同时夹角120°水口较100°水口的流场较为合理,工作拉速下应采用正面开孔倾角为9°,侧孔倾角15°水口结构。关键词：水模型异型坯结晶器流场Research on Water Model of Flowing Distributionin Profiled Blank Continuous Casting Machine MouldShe

2、n ChangZhou Li(East Chia Metallurgy College)Li Jianzhong(Ma Anshan Iron & Steel Co.Ltd.)Abstract：Through the experiments with water model of 1:2 ratio,different flowing distribution resulted from different nozzle structures and technological parameters in 760mm×460mm×120mm profiled bla

3、nk mould in Ma Anshan Iron & Steel Co.is studied in this paper.The results show that under the same conditions,the flowing distribution at the nozzle angle 120° is more appropriate than that at 100° angle,and the ideal nozzle structure used under normal casting speed is 9° tilt an

4、gle of front spout and 15° tilt angle of side spout.Keyworks：water modelprofiled blank mouldflowing distribution1前言在连续铸钢过程中,结晶器内钢液流动状况影响结晶器内温度场、传热速率、夹杂物上浮、温度和化学成分的均匀性并从而直接关系到铸坯的内部质量和表面质量。马钢三钢厂1998年投产了我国第一台异型坯连铸机,生产的异型坯用以轧制H型材。异型坯结晶器端面形状复杂,水口结构特殊,因而结晶器内钢水流动情况也比较复杂且无法参考其他方、圆、矩规则结晶器的流场。为了改善钢液在型坯结晶

5、器内的流动,形成具有良好表面和内部质量量的铸坯、促进钢中非金属夹杂物的上浮、均匀钢液温度和化学成分,实验采用1:2水模型研究异型坯结晶器内钢液流动,确定合理流场所对应的水口结构,和插入的深度等参数,为实际生产中能获得有高质量的铸坯提供依据。2实验研究方法异型坯结晶器不同于其他方、圆、矩形结晶器,它的形状特异,其横断面形状如图1。由结晶器横断面示意图可知,该结晶器的流场较其他规则结晶器流场复杂。同样,浇注异型坯所用的浸入水口结构也比浇注规则铸坯所用浸入水口复杂;水口有3个流孔,即正面流孔和两个侧流孔,流孔有一定的倾角,水口结构的复杂主要是保证结晶器内的流场能趋于合理,浸入水口结构组合如图1和图2

6、。本文采用了水模型研究的方法对异型坯结晶器内的流场进行实验研究。图1异型坯结晶器横断面及浸入水口结构示意图图2浸入水口纵剖面示意图2.1实验原理根据相似原理的基本原则,为保证模型实验的结果能够说明原型中的现象,必须保证模型的原型具有一样的相似准数,且数值相等。但很难做到所有准数相等,一般都采用近似模化法保证一、二个决定性准数相等即可达到相似要求。结晶器内钢液的流动主要依靠惯性力作用,同时还受到粘滞力的作用,因此实验中选取了弗劳得准数和雷诺准数作为决定准数。当流动处于自模化区时,只要保证模型的原型之间Fr准数相等即可:Fr=Fr(1)gl/v2=gl/v2l=l/2v2=v2v=(1/2)0.5

7、v(2)Q=(l2v)/4(3)Q=(l2v)/4(4)式中Fr,l, v模型参数Fr,l,v原型参数实验中根据流量计的测量范围和实验室的空间大小确定水模型与原型几何尺寸比例为1:2,水模型采用有机玻璃制作,原型的几何参数对照见表1。表1原型和模型几何参数对照表结晶器浸入水口原型断面尺寸760mm×460mm×120mm结晶器长度:700mm锥度:0.76%/m水口尺寸:外径90mm内径50mm长1000mm水口开孔夹角:120°*100°*开孔倾角:15°孔径:120°夹角为等孔径30mm100°夹角,正面孔为37mm,侧

8、面孔为26mm模型断面尺寸380mm×230mm×60mm结晶器长度:1000mm锥度:0水口尺寸:外径45mm内径25mm长500mm水口开孔夹角:120°*100°*开孔倾角:15°、9°、3°、-3°孔径:120°夹角为等孔径15mm100°夹角,正面孔为18.5mm,侧面孔为13mm注:*CONCAST公司提供的水口*马钢公司目前所使用的水口 2.2实验装置根据流体所具有的稳定性即粘性流体在管道中流动时,不管入口出速分布如何,流经一段距离后,流体速度分布即可固定下来。在进行模型实验时,只

9、要在模型入口前有一段几何相似的稳定段,就能保证进口速度分布相似。因而实验中浸入水口直接用水管连接,并在每个相似的稳定段,就能保证进口速度分布相似。因而实验中浸入水口直接用水管连接,并在每个水口的进水管上都装有流量计,便于稳定控制模型流理。其水模型实验装置如图3。图3水模型实验装置简图2.3实验方案根据(1)(4)式可以得出:Q/Q=(l2v)/(l2v)=(1/2)2.5(5)由实际铸速换算的钢水流量并结合上式计算出模型水流量的范围,同时根据不同水口结构的倾角和夹角变化,设计了实验方案设定倾角15°、9°、3°、-3°,以夹角为120°、100

10、°浸入深度分别设定为75mm、85mm、95mm,模型中水流量分别设定为300 L/h、400 L/h、500 L/h、600 L/h,分别在不同倾角下改变夹角,浸入深度和水流量进行实验实验中通过观察流体在X、Y、Z轴方向的流动分布,液面波动等现象,采用发泡粒子作示踪剂,用数码相机对流场从X,Y方向(结晶器的窄纵断面和宽纵断面)进行拍照,对Z方向(结晶器横断面)流场进行记录和描述,同时测量涡旋中心的位置,穿透深度等参数,通过这些结果的比较,得到合理流场的对应水口结构和工艺参数。3实验结果和分析实验中分别从X,Y,Z轴三个方向对结晶器内流体的流动进行观察,记录不同夹角、倾角,不同水口浸

11、入深度时铸流的穿透深度,结晶器内流体涡旋运动的涡心位置及变化趋势,液面波动对熔融保护渣流动等影响结晶器内流场的现象和特点。并采用发泡粒子作为示踪剂对流场从X,Y方向进行拍照,记录稳定态流场的流动分布。通过实验的观察以及对照片的分析,发现结晶器内流场的显著变化主要是浸入水口夹角不同所造成的,其次是由于水口倾角的变化对流场有一定的影响,而水口浸入深度对流场的影响甚微。浸入水口流孔夹角为120°时,流体射流从侧孔流出后,射流斜向冲击结晶器窄面板,然后沿着窄面板向翼梢外角部流动,撞击翼梢外部形成扇面向内角流动,一部分流经内缘和水口的间隙流入腹板,另一部分在翼缘处形成旋涡(如图4和图5所示)。

12、旋涡中心随着流量增大,逐渐靠近翼梢。流体在翼梢处一部分旋转向上运动,另一部分则旋转向下运动,旋涡半径逐渐减小呈倒锥型。这种夹角结构的水口所形成的流场,基本没有死区,而且在易产生表面裂纹的内缘处和内裂纹的翼缘处,由于流体沿着壁面流动,可以冲断、熔化柱状晶,抑制了柱状晶的生长和裂纹的形成。同时流动对翼梢角部液面的扰动较小,促进结晶器和铸坯之间的传热,和等轴晶的生长减少角部裂纹的产生。图4浸入水口开孔夹角为120°流场示意图图5从窄面板方向拍摄的600L/h,15°倾角120°开孔夹角的流场示意图不同倾角对流场也会产生一定的影响。倾角的变化主要影响结晶器腹板处的流动分布

13、,上倾角为15°时,由正面流孔流出的射流在腹板中心相撞后大部分向上流动形成强烈的上旋涡,当流量较大时,旋涡切向速度增大造成腹板处液面波动剧烈。随着上倾角减小,上旋涡逐渐减弱,流体向下的旋涡流动就越来越强烈,而且在大流量情况下,射流从3°和-3°倾角的正面水口流出,在腹板相撞后射流大部分向下流动,并且在强烈的下拽力的作用下,流体无法形成旋涡流动,而是直接向下流动形成一个流动通道(如图6所示),将夹渣带入熔池深部,造成夹杂上浮困难。为保证流入结晶器的夹杂上浮并且保持液面稳定,水口正面流孔倾角可选择9°。而在翼缘部位,由于向下的流动旋转向下,夹杂物同样无法上浮

14、,因此应采用较大的15°上倾角,使流动方向大部分向上,促进夹杂物上浮,同时由于旋涡流动切向速度大,对液面扰动的影响较小。综合腹板和翼缘两方面的因素,120°夹角水口在工作拉速下采用正面流孔倾角为9°,侧面开孔倾角为15°结构,流动分布是比较合理的。图6由结晶器宽面拍摄的流量500L/h,开孔倾角3°,夹角120°的流场示意图3.2夹角100°情况下的流场流孔夹角为100°时,射流从侧孔流出后直接冲击翼梢的内角部,射流有反弹的趋势,但又被随后跟进的射流抑制住,因此射流分为上、下两股流顺着外角部向上下流动,在翼缘部位未

15、形成涡旋流动。翼缘部位的横向流动极弱,流体无法经过内级流入腹板,从而在内缘和窄面板中心形成死区(如图7所示)。致使内缘部位的柱状晶易生长,容易表面裂纹和内部裂纹;由于没有流动,该部位在凝固时偏析情况会较其他部位严重,容易造成铸坯缺陷。在翼梢角部,由于流动方向大部分垂直上下,形不成涡旋流动,导致向下的流动将夹杂带入铸坯的内部无法能上能下浮,而向上的流动在翼梢角部容易引起液面波动。实验中流量在400 L/h以上,翼梢角部的液面即有较大的扰动。由图7及以上记录可看出100°夹角结构的浸入水口所对应的流场是明显的不合理要求的。图7浸入水口开孔夹角为100°的流场示意图3.3其他参数

16、的分析比较在相同夹角情况下的其他工艺参数的比较中,实验发现流量的变化对液面扰动影响较大,流量较大时,液面的扰动较大,流量较小时,液面趋于平稳。水口浸入深度对流场几乎没有影响。实验中浸入深度分别为75mm、85mm、95mm时,流动分布没有变化,而且75mm和95mm浸入深度相比液面扰动情况也几乎没有变化。4结语根据以上的分析和研究,得出以下结论:(1)对于异型坯结晶器这种形状的熔池,夹角120°的浸入水口所对应的流场较为合适。(2)在工作流量条件下(500600 L/h),为保证夹杂物上浮及液面扰动较小,应采用正面流孔倾角为9°,侧面流孔倾角为15°的结构。(3)在夹角相同的情况下,对液面扰动影响较大的因素为流量,至浸入深度及倾角的影响均较小。作者单位：沈昶(华东冶金学院)周俐(华东冶金学院)李建中(马鞍山钢铁公司)参考文献：1张先棹.冶金传输原理,北京:冶金工艺出版社,19872K.Kim H.N.Nan,