发布时间 : 星期四 文章板坯连铸浸入式水口结构及结晶器流场优化研究 - 图文更新完毕开始阅读d236014859fafab069dc5022aaea998fcc22401f
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有研究还表明，结晶器内的流场并不总是沿中心对称的，这种不对称性称为
偏流。You Shin Wang认为偏流与水口出口面积和中孔面积比有关，而且随着板坯宽度增加．偏流将变得更加严重124】。J．Herbert son等认为目前还没有有效的方法控制偏流【25】。
结晶器表面形成的驻波能够从一边到另一边转换，称为振荡。结晶器内的这 种现象会使结晶器内的保护渣渣层覆盖不均匀，对结晶器传热和润滑不利，高拉 速时还将会导致保护渣卷入到钢水中，对连铸操作的顺行和铸坯质量产生严重影 响。T．Honey ands等的研究结果认为，结晶器内流场振荡的周期为6一一8Hz，相位为半个周期【26，271。
2.3结晶器流场的研究方法
国内外的专家学者在进行结晶器流场的研究时，主要采用以下三种方法，即： 示踪法、数值模拟法和物理模拟法。 2.3.1示踪法
示踪法是将放射性同位素加入钢水并随着钢水进入结晶器内，同位素由强制 对流进入液相区并随着钢水的凝固分布于铸坯中。取铸坯试样，通过自由射线照 射分析，可以区别出强制对流区、自然对流区、停滞区。该方法比较直观，可信 度商，但费用昂贵，因此应用的较少。 2.3.2数值模拟法
数学模拟是以理论代数方程和微分方程为基础建立起数学模型，通过求解方 程来定量描述一个方程或?个过程的某些方面，它分为机理模型、半经验模型和 输入输出体系模型。近年来，随着数值计算理论的不断深化，计算机辅助软件的 不断发展，数值模拟研究方法在研究冶金的传输过程中发挥着越来越重要的作用。 数值模拟方法对于冶金容器的设计和扩大实验有指导意义，同时对高温流体 的研究比较简单可行，计算机硬、软件的发展为这一研究提供了优越条件，因此 得到了广泛的应用。但用数值模拟方法对流体流动状态进行预测分析后，还需要
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用实际冶金过程或试验加以验证，因为数值模拟是建立在对许多重要的边界条件 进行假设的基础上。另外，数值模拟方法需要专业的训练，对计算机软件知识要 求相对较高。 2.3.3物理模拟法
物理模拟是建立在相似原理基础上的模型实验研究，它必须保持模型的工作 规律与实型的工作规律基本相似。进行物理模拟实验时，由于可以缩小装置的比 例，使实验费用得以大大降低。物理模拟一般有如下作用：f1)模型中定量测定的结果可按一定的关系用于真实体系的描述，直接为优化工艺过程或开发新工艺流程提供依据；(2)帮助了解研究过程的物理特征，以正确处理数值模拟时的简化项、源项及边界条件等的设定；(3)验证数值模拟的结果，使数学模型不断完善，以达到尽可能逼真的描述真实体系的目的。
在结晶器内流场的物理模拟中，大多采用的是水模型。水模型中采取的研究 方法有：观察法、高速照相法、刺激响应法和测速法。测速法又有频射照相法、 激光测速法、高速摄影法。物理模拟法简单便宜，实验现象非常直观。缺陷是小 比例模型的实验结果容易失真，有些物理量的测量比较困难，误差较大。 在结晶器内流场的优化研究的模拟过程中，数值模拟和物理模拟都具有重要的 作用，它们都可以对浸入式水口结构和结晶器流场进行很好的优化。考虑到数值 模拟和物理模拟各自的特点，国内外大批冶金工作者利用数值模拟和物理模拟相 结合的方法，对结晶器的冶金过程开展了大量的研究工作，取得了许多有重要价 值的成果【281】。数学物理模拟的研究不仅揭示了许多结晶器内的基本现象及内在规律，而且在连铸生产的系统优化、新工艺的开发中起着越来越重要的作用。因此，掌握和利用数学物理模拟研究方法是今后冶金学研究的重要内容之一。
2.4结晶器流场优化的目的
结晶器冶会是控制钢材质量的最后一道重要工序，因此研究其内部钢水的流 动行为非常重要。结晶器内不合理的钢水流动，会导致铸坯产生许多无法去除的 缺陷，如铸坯内部的气泡和夹杂物、保护渣的卷入、表面缺陷及拉漏、保护渣覆
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盖及弯月面“搭桥”等问题。所有这些都与钢水在结晶器的流动行为有关，优化 的目的就是获得合理流场，从而减少或消除上述问题的出现。
图2.2 几种常见的铸坯缺陷
2.4. 1防止保护渣卷入
在实际连铸时，结晶器熔池表面覆盖着一层保护渣，不仅可以起到隔绝空气、防止钢水二次氧化、绝热保温和吸收钢中夹杂的作用：而且熔融保护渣在结晶器壁与凝固的坯壳之问形成渣膜，起润滑作用，从而减小了拉坯阻力，防止“粘结”漏钢事故的发生，同时还可以改善铸坯传热条件，提高铸坯表面质量。不合理的结晶器流场会将保护渣卷入到熔池内部，卷入的渣滴有可能重新上浮至钢一渣界面，也有可能被凝固的坯壳前沿捕捉，形成皮下夹渣，恶化铸坯质量。结晶器内保护渣的卷入机理根据其在结晶器部位不问而分为结晶器窄面卷渣和水口附近卷渣。
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图2.3 结晶器窄面卷渣示意图
在结晶器窄面附近，由于表面流体的不稳定流动，将保护渣卷入钢水。Memling等通过水模型，研究了该种卷渣机理[301。研究结果表明：水口出口流股与结晶器窄面碰撞后形成上、下两个回流。上回流流股沿窄面向上运动，造成弯月面附近的钢水面波动。水由窄面向水口方向流动时在钢一渣界面产生剪切作用，使部分保护渣在流股方向上伸。在浮力的作用下，液渣层产生径缩和翘曲。最终在两股力的进一步作用下，径缩处的层厚度越来越小，断裂形成液渣滴被卷入钢水。其卷渣过程如图2．3所示。产生结晶器窄面卷渣的条件可用式(2．1)表示，即
式中v—钢水表面回流速度，m／s； ρ—钢水的密度，kg／m3； ρS—熔渣的密度，kg／m3； g—重力加速度，m／s2； R—渣滴半径，m；
σ—渣滴表面能，．1／m2； t—钢水回流对熔渣的剪切力，Pa。
由式(2.1)可知，随着钢水表面回流速度的增大，卷入钢水中的渣滴粒径增大；而对相同粘度的保护渣，钢水回流的表面速度越小，越不易卷入保护渣。浸入式水口附近保护渣的卷入根据其机理又可分为回流卷渣、旋涡卷渣和钢渣界面扰动卷渣三种情况。当浸入式水口插入深度过浅而拉坯速度较低时，侧孔流股冲击不到结晶器窄面，流股上回
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