耗散型浸入式水口对1 270 mm×150 mm板坯结晶器流场优化VIP

针对某钢厂1270mm×150mm板坯结晶器生产中存在的液面波动问题，改进了浸入式水口结构，并分析改进后的浸入式水口对结晶器流场的影响。研究结果表明，改进水口后结晶器内部流场分布更加合理，表面流速降低，最大表面流速由0.414m/s减小到0.365m/s，降低了11.8%。速度场分布的粒子图像测速(PIV)结果与数值计算结果基本吻合，验证了数值计算结果的精确性。最后分别采用原型水口和改进后耗散型水口进行了结晶器油层波动水模拟试验，结果表明采用改进的耗散型水口后，不同拉速下的最薄油层厚度均远远大于原型水口，能够保证油层覆盖液面不裸露。当拉速增加至2.0m/min时，采用原型水口最薄油层厚度仅为0.005m，而采用耗散型水口时最薄油层厚度仍有0.015m。采用新型耗散型水口能够有效降低结晶器自由液面波动，防止钢液二次氧化的发生。研究结果可为优化结晶器水口结构提供参考。

1、关键词

结晶器；数值模拟；浸入式水口；表面流速；粒子图像测速；流场优化

2、引言

结晶器在连铸过程中发挥着至关重要的作用，其冶金效果与结晶器内的湍流运动密不可分。有统计表明，近80%的铸坯表面缺陷起源于结晶器。结晶器内钢液的湍流运动直接影响铸坯表面质量。浸入式水口是连铸结晶器的重要组成部分，合理的浸入式水口结构能够改善结晶器内的流场分布，从而提高连铸坯质量。近些年来，传统浸入式水口逐渐无法满足连铸坯高质量生产要求，优化水口结构已成为改善结晶器内流场的重要途径之一。国内外学者对浸入式水口的结构优化进行了大量研究，THOMASBG等在常规双侧浸入式水口的基础上增加底部直通水口，将其变为三出水口的结构，使结晶器内部流场更加稳定，减少了结晶器自由液面的波动。YOKOYAS等研发了旋型板坯连铸结晶器浸入式水口，使流出的钢液以旋转形式进入结晶器，减少对结晶器窄面的冲击，优化了结晶器内部流场结构。CHENYF等研究了自制动板坯连铸结晶器浸入式水口，在浸入式水口两侧各设有两个上下分布、出水方向交叉的出水口，流出的钢液在出水口附近交汇使一部分动能损失，从而达到自制动的效果，使得结晶器内部流场更加稳定。优化浸入式水口结构是结晶器湍流控制的新理念，具有重要的经济意义。湍流是自然界中常见的流动状态，但直接观察和测量结晶器内钢液的湍流运动依然很难实现，通常需要借助数值模拟的方法对其进行研究。如LEEJH等对结晶器内弯月面附近的涡流分布进行数值计算，研究了涡流与弯月面变形的关系，得到减少弯月面附近的涡流能够有效减少卷渣发生的结论。陈士杰采用数值模拟的方法对1400mm×230mm板坯结晶器流场进行研究，找到了最佳水口浸入深度以及拉速范围。LIANGM等开发了一种新的数学计算模型来研究板坯连铸结晶器稳态条件下的湍流流动、过热耗散、夹杂物传输和捕捉等问题，并通过工厂试验包括测量表面流速的钉板试验等对计算结果进行了验证。笔者针对某厂1270mm×150mm板坯连铸结晶器生产中存在的液面波动问题，对浸入式水口的结构进行改进。在浸入式水口直通段设置一个湍动能耗散区，湍动能耗散区可适时启动调节功能，对浸入式水口内钢液的湍流流动起到耗散作用，从而达到优化结晶器内流场的目的。采用数值模拟的方法研究耗散型浸入式水口对结晶器内湍流流动的影响，随后进行粒子图像测速(PIV)试验验证计算结果的可靠性，最后再与结晶器油层波动的水模拟试验结果进行对比，验证了耗散型浸入式水口的合理性。

3、精选图表

4、结论借助数值模拟的方法对耗散型浸入式水口结晶器流场进行计算，随后利用PIV试验验证计算结果的可靠性，最后就耗散型浸入式水口对结晶器油层波动的影响进行了水模拟验证试验，得到如下结论。1)计算结果表明，耗散型水口能够更好地对钢液起到湍流控制作用，采用耗散型水口后结晶器内部流场分布更加合理，表面流速降低，最大表面流速由0.414m/s减小到0.365m/s，降低了11.8%。采用耗散型水口有利于维持结晶器内液面稳定。2)PIV结果与数值计算结果的速度场分布基本吻合。试验测量得到的结晶器内部流场的最大速度为2.07m/s，数值计算得到的结晶器内部最大速度为2.11m/s，结晶器宽面1/2位置处纵向速度值相差不超过5%，证实数值计算结果的精确性。3)不同拉速条件下，采用耗散型水口后最薄油层厚度均远远大于采用原型水口时的最薄油层厚度值，并能够保证覆盖液面不裸露。当拉速增加至2.0m/min时，采用原型水口时最薄油层厚度仅为0.005m，采用耗散型水口仍然有0.015m。结果表明采用耗散型水口能够有效降低油层波动，