大方坯结晶器水模拟研究①

徐益峰

(江苏苏钢集团有限公司技术中心，江苏 苏州　215151)

引　言

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，因此，人们越来越关注优化结晶器中的传质、传热过程。钢水在结晶器内的流动状态对结晶器内钢水卷渣、结晶器内保护渣对夹杂物的捕捉、连铸坯裂纹的形成等均有重要影响，因此结晶器成为控制钢水洁净度的最后环节。有人估计大约有80%的表面缺陷和皮下缺陷是在结晶器内生成的，所以研究不同条件下结晶器内流场的优化，对防止保护渣和气泡卷入、促进夹杂物聚集长大并上浮，以及防止凝固坯壳的不均匀生长等都有重要意义[1-2]。

江苏苏钢集团有限公司(以下简称“苏钢”)苏信特钢定位是一个专业化的特钢企业，产品以高端的汽车用钢、能源动力用钢等为主，产品的质量要求非常高。本研究进行的水模拟实验，找出原有水口存在的问题，对优化设计最优的水口、指导实际生产、提升产品质量均有重大意义。

1　实验方法

1.1　实验模型的建立

采用水力学模型对现用浸入式水口进行评估时，需要首先建立合适的物理模型，其中包括相似比例的选取、实验装置的建立和实验参数的确定。

1.1.1相似比例

由物理模拟的基础理论可以知道，对于结晶器内的钢液流动行为的物理模拟，主要考虑几何相似和动力相似，包括的相似准数有雷诺准数(Re)、弗鲁德准数(Fr)和韦伯准数(We)。因为结晶器内的流场大部分区域处于紊流状态，Re大于第二临界值，流体的湍流程度及速度分布不再受Re数的影响，主要考虑惯性力和重力的关系，即保证Fr准数的相似。同时，要研究结晶器内钢液面的流动行为，弯月面及钢液与保护渣界面处的表面张力对模拟的影响较大，应该考虑Wb准数的相似。因此，本研究中重点要保证Fr和Wb两准数的相似。

因此

(1)

即

(2)

(3)

所以为了保证Fr和We同时得到满足，模型尺寸应为实物的0.6倍。

(4)

(5)

(6)

其中，工厂连铸机原型的流量，也称通钢量，是指单位时间内钢液通过结晶器断面的体积。通钢量(m3·h-1)的计算公式为

Q=60×结晶器断面面积×拉速

(7)

由上面的分析可知，工厂连铸机原型和实验室模型之间的几何相似比应为1∶0.6，并由此可以确定原型中通钢量与模型中水流量的比例为1∶0.279，这是建立实验模型和确定试验条件的主要依据。

1.1.2实验装置

根据厂方提供的图纸及实际参数，依据相似原理建立实验装置，原型与模型的尺寸比例是1∶0.6，模型的材质选用有机玻璃，利用水作为介质模拟钢液，利用油和塑料粒子来模拟保护渣。实验装置如图1所示。

图1　物理模拟实验装置图

在实验装置中，通过调节流量计的进、出水量来模拟不同拉速，用塞棒来控制结晶器液面的稳定。考虑到水箱出水口对结晶器出口流体的影响，实验中将结晶器延长了50%，并在结晶器和水箱之间加了一块打有圆孔的有机玻璃板，结晶器结构示意图如图2所示。

工厂使用的直通型浸入式水口的下部结构如图3(a)所示，实验模型中水口的结构和尺寸如图3(b)所示。

图2　 结晶器模型的示意图(单位:mm)

图3　 水口结构和尺寸示意图(单位：mm)

1.1.3实验条件

根据现场的浇注条件和前面确定的几何相似比，便可以得到模型中的实验条件，表1即是现场浇注条件和模型实验条件的对应表。

表1　原型与模型对应的浇注条件

注①：该数值是由平均拉速0.60 m/min换算得到。

2　实验结果及分析

现有260 mm×340 mm断面下拉速为0.60 m/min时的液渣行为和流场情况实验。

2.1　液渣行为

液渣行为在实验过程中主要是指卷渣情况和液渣分布情况。下面对二者进行依次分析。表2给出了直通型水口浇注条件下结晶器内卷渣次数统计和液渣分布情况。其中卷渣次数为5 min内统计得到，并且进行三次统计取平均值。由表2可以看出，在现有浇注条件下，结晶器内并未出现卷渣，说明结晶器内上循环流较弱。

表2直通型水口浇注条件下结晶器内卷渣次数统计和液渣层厚度分布

参数/位置卷渣次数渣层厚度/mm左-窄0.010.78左-1/40.011.29左-水口0.010.78右-水口0.011.02右-1/40.011.02右-窄0.010.75

浇注时液渣分布的均匀性也是考察水口优劣的重要因素，现有水口浇注时液渣厚度分布如表2所示。从表中可以看出，渣层最厚处在结晶器1/4处，厚度为11.29 mm；而最薄存在于窄边，厚度为10.75 mm，厚度差为ΔD=MaxD-minD=0.54 mm，数值很低，说明结晶器内渣层分布均匀，图4所示也可证实这点。

2.2　流场情况

流场也是考察浸入式水口优劣的重要因素之一。现有水口浇注时不同时刻的流场如图5所示。由图可知，流股从水口流出，直接向下流动，并未与结晶器壁碰撞，其冲击深度非常大，在观察范围内为

无穷大。冲击深度较大，不利于夹杂物和气泡的上浮去除。

图4　现用水口浇注条件下液渣层的分布情况

图5　现用水口不同时刻的流场

3　结束语

从实验结果分析可知：目前使用的直通型水口，注流冲击深度较大，上循环流态弱，液面不活跃，表面速度过低。因此，为了进一步提高产品质量，需要设计新的水口来改进目前水口存在的问题。

参考文献：

[1] 高家锐.动量、热量、质量传输原理[M].重庆：重庆大学出版社，1992.

[2]肖兴国，谢蕴国. 冶金反应工程学基础[M].北京：冶金工业出版社, 1997.