唐海燕 李京社 吉傳波 梁永昌 吳拓 王建磊

( 北京科技大學(xué))

0 引言

結(jié)晶器是連鑄機非常重要的部件，是一個強制水冷的無底鋼錠模，稱之為連鑄設(shè)備的“心臟”。其基本功能是使鋼液逐漸凝固成所需要規(guī)格、形狀的坯殼，并通過結(jié)晶器的振動，使坯殼脫離結(jié)晶器壁而不被拉漏以及不產(chǎn)生變形、裂紋等鑄坯缺陷［1］。因此，結(jié)晶器的性能對連鑄機的生產(chǎn)能力和鑄坯質(zhì)量起著十分重要的作用。連鑄板坯的表面和內(nèi)部缺陷與結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動狀態(tài)密切相關(guān)。如從浸入式水口流出的流股沖向鑄坯窄面區(qū)域，由于沖刷作用，使窄面坯殼不均勻生長，影響坯殼的傳熱，從而導(dǎo)致角部縱裂紋產(chǎn)生，嚴(yán)重時甚至造成漏鋼;另外結(jié)晶器鋼水流動模式的改變引起過大的液面波動，破壞了彎月面的穩(wěn)定凝固，容易造成局部卷渣，從而引起皮下夾渣等表面缺陷。因此，筆者對國內(nèi)外結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動行為進行了總結(jié)，并提出了未來的發(fā)展方向。

1 結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動模擬研究

結(jié)晶器內(nèi)的流場屬于湍流流動。研究它的方法很多，主要有直接測量法、水模擬法和數(shù)值模擬法。由于鋼水的高溫( ～1800 K) 直接測量方法很難實現(xiàn)。Assar 等［2］用一種電磁感應(yīng)器來測量彎月面附近鋼水的速度。也有部分學(xué)者用釘板試驗法研究結(jié)晶器表面液態(tài)渣層的形貌［3］。這些研究對實際連鑄生產(chǎn)過程中結(jié)晶器的流場提供了非常有價值的信息。然而，所有這些研究對結(jié)晶器內(nèi)復(fù)雜流動現(xiàn)象僅僅提供有限的分析，而且介于現(xiàn)場技術(shù)原因有時這些測量結(jié)果并不是很準(zhǔn)確。因而，水模型和數(shù)值模擬這兩種方法就成為研究連鑄結(jié)晶器內(nèi)流場行為的主要方法。

對結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動行為的研究主要集中在鋼液的流場以及鋼/渣界面的物理行為。

1．1 結(jié)晶器鋼水流動的水模擬

液態(tài)水和鋼水的動力學(xué)粘度系數(shù)相差很小( ～20%) ，因而以相似原理為基礎(chǔ)的水模型實驗研究廣泛應(yīng)用于模擬連鑄過程流動現(xiàn)象［4－5］。影響結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場的主要因素有: 浸入式水口結(jié)構(gòu)參數(shù)如水口直徑、出口傾角、面積、水口形狀等以及連鑄工藝參數(shù)如水口浸入深度、拉速、吹氣量等，因此水模擬實驗也主要是圍繞這些方面展開。模型與原型比例常為1∶ 1、1∶ 2 或者1∶ 3。為便于研究，經(jīng)常使用示蹤法顯示流場。使用較多的示蹤法有: 粒子示蹤法、染色示蹤法及氣泡示蹤法。

對流場的定量測量，分為接觸式測量和非接觸式測量，主要對流場的速度、壓力以及液面波動等進行測量。Thomas 和Huang［6］在1∶ 1 結(jié)晶器水模型中用熱線式風(fēng)速計測量了結(jié)晶器表面的水流速度。Honeyands 和Herberton［7］，在薄板坯水模型試驗中用超聲波流量傳感器研究結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流動現(xiàn)象，超聲波流量傳感器安裝在水面上部測量表面波動。Gupta 和Lahiri［5］通過流量傳感器的研究表明:對結(jié)晶器底部封閉和開放式兩種結(jié)晶器，表面波動和形狀波動周期分別為5 s 和50 s，表面波動振幅隨著拉速的增加而增加。水模型試驗中同樣可以利用一些非侵入性測量儀器，如激光多普勒速度測量儀( LDV)［8］和粒子圖像測速儀( PIV)［9］。

關(guān)于水口形狀對流場的影響，R． Chaudhary等［10］研究了底部結(jié)構(gòu)為山形和凹形水口對結(jié)晶器內(nèi)流場的影響。結(jié)果表明使用山形水口，結(jié)晶器的表面流速比凹形水口高50%，因而更易造成表面卷渣。

N．A． Mcphereson［11］比較了橢圓形側(cè)孔和圓形側(cè)孔的不同之處，結(jié)果表明橢圓形側(cè)孔的較高部位處存在較大的壓力差，因此產(chǎn)生不穩(wěn)定的水流。而采用圓形出口，鋼液較為穩(wěn)定。

雷洪、朱苗勇等［12］研究了長方形水口和圓形水口對改善卷渣的影響，結(jié)果表明:前者比后者更為有效。

N．Tsukamoto 等［13］用1∶ 1 水模型實驗研究了浸入式水口的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn): 在相同出口面積下，方形側(cè)孔的流股噴出速度比圓形側(cè)孔大，流股沖擊深度也大。但方形側(cè)孔的流股散射程度小，對結(jié)晶器寬面的沖刷小，利于坯殼生長。

包燕平［14］針對薄板坯連鑄高拉速的需要，開發(fā)了一種耗散型浸入式水口，并通過與普通雙側(cè)孔水口的比較，得出了耗散型水口是一種適合薄板連鑄高拉速生產(chǎn)的新型水口。

關(guān)于連鑄和水口工藝參數(shù)對結(jié)晶器流場的影響，國內(nèi)外的學(xué)者也做了大量的水模擬實驗研究。

T．honeyands 等［15］研究了薄板坯連鑄過程中浸入式水口的結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流充填率和傾角的影響。結(jié)果表明:在相同的條件下，大內(nèi)徑的水口射流噴射角比小內(nèi)徑的水口大。雷洪等［16］通過實驗說明，出口面積增大，明顯降低了水口出口處鋼水流股速度，一方面會減小流股沖擊窄面的速度、使表面波動降低;另一方面，由于鋼流速度偏角的減小，造成沖擊點上移引起更大的波動。

B．G．Thomas［17］等對不同水口傾角下結(jié)晶器流場進行了水模型實驗。結(jié)果表明: ①隨著水口傾角的下降，有效射流角度增加，射流與窄面的沖擊位置下移;②水口浸入深度小，液面波動劇烈; ③隨著浸入深度變大，射流與窄面的沖擊點下移，但流場的基本形狀不發(fā)生變化;④不同拉速下，結(jié)晶器內(nèi)流場的基本形狀相似;但隨著拉速的增加，結(jié)晶器內(nèi)的流速增大，沖擊深度變深，結(jié)晶器液面的波動加劇; ⑤吹入氬氣改變了結(jié)晶器上回流的流動方式，使注流與結(jié)晶器窄面的撞擊點上移，回流區(qū)的位置上移，當(dāng)含氣鋼液流至上表面時，流向水口處的回流減緩，向結(jié)晶器寬面有輕微的漂移，其影響程度隨含氣率的增加和氣泡尺寸的降低而增加; 但吹入氬氣對下回流的影響很小。

Hua Bai 等［18］研究認(rèn)為: 氬氣的吹入增大了鋼液的湍動，使射流傾角上傾，減小了回流區(qū)( 鋼液重新流回水口上方) 的大小，且隨著拉速的增加，吹氬的影響減弱。水口中的最小壓力受吹氬量的影響，吹氬量增加，水口中的壓降減少，最小壓力提高，從而減少了水口堵塞的可能性。

陸巧彤等［19］采用1∶ 1 的水模型研究了工藝參數(shù)對大板坯結(jié)晶器內(nèi)流場表面波動的影響。結(jié)果表明:隨著拉速和吹氣量的增加，液面波動加劇。但結(jié)晶器寬度不同，吹氣量影響也不同，隨著結(jié)晶器寬度的增加，液面波動明顯增大。

GUPTA 和A． K． LAHIRI［5］研究了結(jié)晶器內(nèi)液體流動的不對稱性，結(jié)果表明:當(dāng)結(jié)晶器的厚寬比為1∶ 6．25 或更小時，水口出口處旋轉(zhuǎn)的渦流與結(jié)晶器寬面的碰撞會導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)的流動方式不對稱;射流的不穩(wěn)定與渦流方向的改變會引起流動方式的改變。

關(guān)于結(jié)晶器卷渣，He qinglin［20］利用物理模擬實驗研究了漩渦卷渣的機理，認(rèn)為結(jié)晶器內(nèi)漩渦卷渣主要是因為在水口附近水口兩側(cè)的流股作用形成的，偏流不是漩渦卷渣形成的主要原因，但它會增大漩渦卷渣的深度和發(fā)生頻率。通過優(yōu)化水口參數(shù)，改善偏流現(xiàn)象可以有效地減少或消除漩渦卷渣現(xiàn)象。朱苗勇［21－22］等利用物理模型系統(tǒng)研究了高拉速條件下結(jié)晶器內(nèi)漩渦現(xiàn)象，分析了鋼渣界面行為以及液態(tài)渣的消耗機理。認(rèn)為表面回流鋼渣卷混是引起結(jié)晶器卷渣的主要方式，拉速、水口的浸入深度、張角以及保護渣的粘度均對結(jié)晶器內(nèi)的卷渣產(chǎn)生影響。通過增大水口向下的張角和水口浸入深度，可以防止結(jié)晶器內(nèi)卷渣的發(fā)生。

在結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場研究中，最具代表性的水模研究成果是日本的NKK 鋼鐵公司［23］采用1∶ 3水模型研究結(jié)晶器液面波動、表面流速等對結(jié)晶器卷渣的影響，提出采用F 數(shù)評價結(jié)晶器鋼水卷渣情況，F(xiàn) 數(shù)的計算公式為:

式中:ρ——鋼水的密度，kg/m3;

QL——鋼水的流量，m3/s;

θ——注流撞擊窄面的角度;

V——注流的撞擊速度，m/s;

D——撞擊點距自由面之間的距離，m。

研究表明，F(xiàn) 數(shù)在2 ～4 時，結(jié)晶器鋼水卷渣最不容易發(fā)生，鑄坯及冷軋軋板的表面缺陷最小。

陸巧彤［24］，齊新霞［25］等用實驗驗證了以上的公式。他們的研究表明: 當(dāng)F 數(shù)控制在3 ～5，即可以將液面波動控制在±(3 ～5) mm 的合理范圍內(nèi)，卷渣的幾率最小。

1．2 結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動數(shù)值模擬

水模型在直觀認(rèn)識結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生的基本現(xiàn)象和水口優(yōu)化方面發(fā)揮了很重要的作用，但畢竟結(jié)晶器內(nèi)的現(xiàn)象比較復(fù)雜，進行結(jié)晶器內(nèi)鋼流流動的計算機模擬很有必要，目前已成為研究的主要手段之一。

流體流動的數(shù)學(xué)模型主要涉及以下幾方面內(nèi)容:①結(jié)晶器內(nèi)流體流動情況、流動的非對稱性、合理的水口設(shè)計參數(shù)和工藝參數(shù)優(yōu)化［17，26］; ②研究結(jié)晶器自由液面現(xiàn)象，液渣層分布以及流動行為，結(jié)晶器液面波動大小以及卷渣情況分析［27－28］;③研究結(jié)晶器鋼液流動過程對氣泡運動軌跡［29］以及夾雜物上浮去除的影響［30］;④在電磁力作用下的鋼液流動情況，電磁制動對于結(jié)晶器內(nèi)流動和液面波動的影響［31－32］。

結(jié)晶器內(nèi)的流動屬于湍流流動。研究湍流現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型一般包括平均雷諾數(shù)Navier －Stokes 模擬方法( RANS) 、大渦流模擬方法( LES) 和直接數(shù)值模擬方法( DNS)［33］?？紤]到計算成本原因，RANS模型加上雙方程( k －ε) 模型廣泛應(yīng)用于連鑄過程水口和結(jié)晶器流動現(xiàn)象的模擬。Huang 等［34］用非穩(wěn)態(tài)RANS 數(shù)學(xué)模型研究了水口條件的變化和鋼渣界面波動劇烈的情況下結(jié)晶器內(nèi)瞬態(tài)流動現(xiàn)象。

在研究連鑄湍流現(xiàn)象中，更多的是用LES 和DNS 數(shù)學(xué)模型模擬湍流速度場。在雷諾數(shù)較高的情況下由于DNS 計算成本較大，所以LES 模型更加適合研究連鑄湍流現(xiàn)象。但是LES 模型只能解決大尺度渦流，一些耗散的小渦流通常會被過濾掉，這就導(dǎo)致產(chǎn)生殘余應(yīng)力張量，這時可以用一種叫做次網(wǎng)格尺度的模型( SGS model) 來模擬。LES 模型最初是應(yīng)用在一些簡單的結(jié)構(gòu)例如在渠道或者管道中流體流動中湍流現(xiàn)象，在這些簡單的流體結(jié)構(gòu)中也使用SGS 模型研究流體的湍流現(xiàn)象［35］。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，在一些復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)中也可以利用LES 模型來解決更復(fù)雜的問題，例如湍流射流現(xiàn)象［36］及鈍體周圍流體流動的湍流現(xiàn)象［37］。

B．G． Thomas［17，26，29］采用高雷諾數(shù)湍流模型對板坯結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動進行了數(shù)值模擬，研究表明，水口的流股角度對結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動有較大影響。

Creech［38］等采用有限差分模塊CFX4．2 對結(jié)晶器內(nèi)穩(wěn)態(tài)流動和傳熱進行模擬，比較了標(biāo)準(zhǔn)K －ε模型、低雷諾數(shù)K－ε 模型和邊界修正K－ε 模型三種模型的仿真計算結(jié)果，指出邊界修正K －ε 模型與試驗測試結(jié)果吻合較好。而低雷諾數(shù)K －ε 模型對于網(wǎng)格劃分要求較高，只有當(dāng)網(wǎng)格處理較好時才能保證得到理想的結(jié)果。采用Fortran 進行壁面修正的K－ε 模型可以預(yù)測結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長情況，有助于了解坯殼生長變化規(guī)律，可以避免其它模型出現(xiàn)的坯殼過薄的情況。對于結(jié)晶器液面波動的研究，基本上都采用N－S 方程和K －ε 湍流模型［39］，而模擬的難點主要是如何選擇合適的界面邊界條件以及確定界面形狀。對結(jié)晶器液面波動進行模擬研究時，主要研究對象局限于水油界面和自由表面。

朱苗勇等［40］用K －ε 模型對不同浸入式水口側(cè)孔傾角下結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場進行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明:當(dāng)出口角度從向下到水平變化時，下部回流區(qū)變大，鋼液對結(jié)晶器窄邊的沖擊點上移，上部回流區(qū)變小，鋼流對熔池表面沖擊的強度增強，加劇了表面的波動;當(dāng)水口出口角度從水平到向上變化時，上部回流區(qū)逐漸變小，直至消失，表面擾動和不穩(wěn)定加劇，易造成卷渣和鋼液面裸露，下部回流中心上移;當(dāng)出口角度為水平時，射流到結(jié)晶器窄面的距離最短，沖擊速度最大。

Hua Bai 等［41］采用商業(yè)軟件CFX 對吹氬后浸入式水口內(nèi)的鋼液行為進行了研究。結(jié)果表明: 大部分氬氣從水口出口的上半部分逸出，而出口下半部分的注流中含有很少的氣體; 氬氣的吹入使出口射流傾角上移，鋼液擾動增加，反流入水口的回流區(qū)減小;隨著拉速的增加，氬氣對流場的影響減小。與水模型的實驗結(jié)果比較吻合。

Kouji TAKATANI 等［42］采用LES( Large Eddy Simulation) 模擬法建立了結(jié)晶器內(nèi)瞬變流場的數(shù)學(xué)模型，分析了向浸入式水口中吹入氬氣對鋼液和凝固坯殼的影響。他們把計算區(qū)域分為剛體區(qū)域和可移動區(qū)域兩部分，根據(jù)計算得出的壓力初步推測出了彎月面的形狀。

Zhang 等［43］對水口結(jié)瘤情況下的結(jié)晶器內(nèi)夾雜物上浮情況進行了數(shù)值模擬研究，認(rèn)為在水口結(jié)瘤情況下，結(jié)晶器內(nèi)水口出口兩流股呈現(xiàn)明顯的不對稱性，未結(jié)瘤一側(cè)水口出口流股湍動能較強，引起較大的液面波動，容易造成小尺寸的夾雜物卷入鋼液內(nèi)，同時由于水口結(jié)瘤，結(jié)晶器內(nèi)溫度分布不均勻，造成出結(jié)晶器時坯殼過薄，嚴(yán)重時容易產(chǎn)生漏鋼。

流體流動模型對描述鋼液在結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生的湍流流動行為及其對液面卷渣夾雜上浮等現(xiàn)象本質(zhì)起到了積極作用。但模型一般只考慮了坯殼較薄的結(jié)晶器內(nèi)的流動情況，而且大多只考慮了鋼液流動的情況，未充分考慮兩相區(qū)之間的相互作用，尤其是傳熱和凝固過程對流動行為的影響。

2 結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動控制技術(shù)

結(jié)晶器內(nèi)的鋼水流動控制除控制浸入式水口參數(shù)和連鑄工藝參數(shù)外，還有幾項很重要的技術(shù)就是電磁控制技術(shù)。用于板坯結(jié)晶器的電磁制動( EMBr) 、電磁攪拌( EMS) 和電磁流動控制( FC 結(jié)晶器)是結(jié)晶器鋼水流動控制技術(shù)的典型代表。

2．1 電磁制動

電磁制動技術(shù)( EMBr) 是通過對結(jié)晶器施加一個與鑄流方向垂直的靜態(tài)磁場而對流動的鋼液進行制動的技術(shù)。它可抑制水口射流速度，促進夾雜物和氣泡上浮。

電磁制動方式有很多種，分別有不同的用途。其中一種是局部電磁制動( local EMBr) ，它是在結(jié)晶器兩個寬面上分別施加兩塊磁鐵，在浸入水口出口附近產(chǎn)生一塊矩形區(qū)域磁場。這種類型的電磁制動能夠抑制并彌散水口射流、降低彎月面速度、減小結(jié)晶器表面波動［44］，如圖1 所示。

圖1 局部電磁制動工作原理圖解及對流場的作用效果

M．Y．Ha 等［45］用RANS 模型模擬了結(jié)晶器內(nèi)施加電磁制動情況下流場、溫度場及坯殼凝固現(xiàn)象，結(jié)果表明由于外加磁場的作用有效抑制了水口射流，減少了射流對結(jié)晶器窄面的沖擊作用，降低了底部循環(huán)區(qū)域的穿透深度。Takatani 等［46］使用相似的模擬方法研究電磁制動對結(jié)晶器流場的影響。結(jié)果表明外加磁場的情況下能夠整體降低結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流動速度，并且發(fā)現(xiàn)如果施加的磁場強度過大、產(chǎn)生的洛倫磁力過強，會引起水口射流在沖擊結(jié)晶器窄面之前發(fā)生彎曲并消失。Kim 等［47］的研究表明，施加局部電磁制動會使結(jié)晶器內(nèi)鋼水速度和動量有明顯的減小。

另外一種電磁制動是Ruler EMBr( 全幅一段電磁制動) 如圖2 所示。這種類型的EMBr 是在浸入水口出口處結(jié)晶器兩側(cè)安置兩塊矩形磁鐵薄片，每塊磁鐵都橫過整個結(jié)晶器寬面。和Local EMBr 一樣，這種制動方式也是為了穩(wěn)定結(jié)晶器彎月面速度和形狀。Harada 等［48］用數(shù)值模擬的方法比較了Local EMBr 和Ruler EMBr 對結(jié)晶器內(nèi)流場影響的不同。研究結(jié)果表明盡管兩種電磁制動都能有效降低結(jié)晶器彎月面速度和結(jié)晶器下部循環(huán)區(qū)域的穿透深度，但Ruler EMBr 能夠更有效的穩(wěn)定彎月面鋼水流動。Zeze 等［49］比較了水銀模型和數(shù)學(xué)模型電磁制動對流場的影響，研究表明施加Ruler EMBr 更容易產(chǎn)生活塞流。

圖2 單條全幅EMBr

2．2 電磁攪拌

電磁攪拌是利用交流電產(chǎn)生連續(xù)變化的磁場來控制結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流動方式。圖3 為板坯電磁攪拌結(jié)晶器，在彎月面附近每個寬面上布置2 個攪拌器，這種電磁攪拌方式能夠使結(jié)晶器內(nèi)鋼水順著結(jié)晶器四周有序流動，均勻彎月面處溫度進而改善鑄坯質(zhì)量［50］。

圖3 板坯結(jié)晶器電磁攪拌

2．3 電磁流動控制

電磁流動控制( FC 結(jié)晶器) 含有兩個方向相反的制動磁場，第一個位于彎月面區(qū)域，另一個位于結(jié)晶器的下部，每一個磁場都覆蓋了板坯的整個寬度。FC 結(jié)晶器的上電磁場減小了結(jié)晶器彎月面湍流，可防止保護渣卷入凝固殼和角部橫裂; 下電磁場可減小鋼液向下的流速，有利于夾雜物和氣泡上浮［51］，如圖4 所示。

Idogawa et al［52］用數(shù)值模擬的方法研究FC 結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流動情況。研究表明FC 結(jié)晶器能夠有效降低結(jié)晶器內(nèi)鋼水的整體流動速度。

3 本課題組的研究工作

圖4 FC 結(jié)晶器

林曉川等［53］以國內(nèi)某鋼廠板坯連鑄結(jié)晶器為原型，采用1∶ 1的水模型，用OA型光纖式流速儀測定結(jié)晶器內(nèi)流體流速，研究了拉速、浸入式水口出口角度、水口浸入深度、水口底面結(jié)構(gòu)及結(jié)晶器斷面寬度等工藝參數(shù)對板坯結(jié)晶器內(nèi)表面流速的影響。其實驗參數(shù)見表1。

表1 實驗工藝參數(shù)

結(jié)果表明: 拉速對表面流速的影響最大，隨著拉速的提高，結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面流速明顯增大，當(dāng)斷面寬度為1650 mm，拉速由0．7 m/min 提高到1．4 m/min，表面流速由0．04 m/s 提高到0．1 m/s;波浪面結(jié)構(gòu)的浸入式水口表面流速效果最優(yōu)。

此外，他們通過在結(jié)晶器表面不同位置處布置波高傳感器測定瞬時波高，研究了拉速、浸入式水口出口角度、水口浸入深度、水口底面結(jié)構(gòu)等工藝參數(shù)對板坯結(jié)晶器內(nèi)流場和液面波動行為的影響。結(jié)果表明: 拉速對板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)液面波動的影響最大，水口傾角次之;各工藝參數(shù)之間對結(jié)晶器內(nèi)部流場的影響是相互制約的;提高拉速時，應(yīng)適當(dāng)增大水口浸入深度來控制液面波動。在此實驗基礎(chǔ)上他們提出了優(yōu)化結(jié)晶器流場的工藝參數(shù)，并應(yīng)用于現(xiàn)場取得了一定效果［54］。

陳永峰等［55］以某廠板坯結(jié)晶器為原型建立1∶ 1的物理模型，通過監(jiān)測液面波動，研究了浸入式水口結(jié)瘤物對結(jié)晶器流場造成的影響。實驗結(jié)果表明:水口結(jié)瘤物的存在會導(dǎo)致結(jié)晶器水口兩側(cè)流場的明顯不對稱，水口堵塞側(cè)鋼液更多集中于結(jié)晶器上部，下回流占據(jù)區(qū)域較小;未堵塞一側(cè)漩渦卷渣出現(xiàn)的頻率較高;較大拉速下，隨著水口傾角的增大，液面平均波動逐漸減弱; 拉速提高會造成水口兩側(cè)平均波高的差距變大，結(jié)瘤物脫離水口后液面恢復(fù)穩(wěn)定的時間延長;結(jié)瘤物脫離瞬間會導(dǎo)致流場迅速惡化，影響鑄坯質(zhì)量。

付建勛等［56］研究了鑄坯展寬現(xiàn)象及其與拉速的關(guān)系。通過對5 個連鑄工廠結(jié)晶器設(shè)置的調(diào)查，對鑄坯展寬的普遍性進行了研究; 在提出衡量鑄坯展寬指標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用儀器在線監(jiān)測鑄坯的展寬。結(jié)果顯示: X60 鋼的目標(biāo)展寬率范圍為1． 25% ～3．63%，平均為3．01%; Q235 鋼目標(biāo)展寬率范圍為0．77% ～2．91%，平均為2．04%; 且鑄坯的展寬和拉速有明顯的一致性，拉速恒定，展寬也基本保持穩(wěn)定。拉速降低，展寬減小，展寬的變化略滯后于拉速的變化。

吉傳波等［57］采用數(shù)值模擬及鋼水表面插釘法，對電磁制動條件下薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動進行研究，分析了不同磁場強度對結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動及彎月面波動的影響。模擬結(jié)果表明，電磁制動能夠明顯抑制高速流動的鋼水，減小對結(jié)晶器窄面的沖擊及鋼水表面卷渣的影響，磁場電流強度由180 A增加到284 A 時，鋼水表面速度最大值由無電磁制動的0．85 m/s 分別降低至0．50 m/s、0．16 m/s。插釘法可作為一種經(jīng)濟有效的方法檢測鋼水表面速度，且測量值與模擬結(jié)果比較吻合。通過合理控制磁場電流強度約260 A 可以優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動，進而改善鑄坯質(zhì)量。

他們也采用雷諾平均( RANS) 數(shù)學(xué)模擬方法，研究波浪形和山形水口底部結(jié)構(gòu)對結(jié)晶器內(nèi)鋼水湍流現(xiàn)象及表面流速的影響。表明波浪形水口可以抑制水口流出鋼水的射流，改善結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場，降低表面流速，穩(wěn)定液面，進而改善鑄坯表面質(zhì)量［58］。

結(jié)晶器內(nèi)鋼水渦流現(xiàn)象是連鑄過程中普遍存在的非定?，F(xiàn)象。尤其是在高拉速條件下，容易導(dǎo)致連鑄結(jié)晶器內(nèi)強烈的非穩(wěn)態(tài)湍流，而鋼液的湍流狀態(tài)又決定了夾雜物和氣泡的運動分布，進而最終影響鑄坯質(zhì)量。因此，隨著對鑄坯質(zhì)量要求的提高，冶金工作者越來越關(guān)注這一現(xiàn)象。課題組的吉傳波等人［59］用LES 大渦模擬的方法對水口和結(jié)晶器內(nèi)湍流現(xiàn)象進行了分析，比較了雷諾應(yīng)力對水口和結(jié)晶器內(nèi)湍流脈動的影響，分析了結(jié)晶器寬面中心面內(nèi)不同位置點的瞬時速度波動，以及采用本征正交分解方法對水口底部和結(jié)晶器內(nèi)射流區(qū)域不同湍流尺度分離，分析不同模態(tài)下速度脈動和能量分布。

研究表明:

1) 水口底部的漩渦流呈現(xiàn)交替旋轉(zhuǎn)變化，水口出口區(qū)射流的上下波動，引起射流向結(jié)晶器內(nèi)流動呈階梯狀分布;

2) 采用LES 對結(jié)晶器內(nèi)速度模擬比實驗測量結(jié)果更能準(zhǔn)確捕捉流體內(nèi)的復(fù)雜湍流現(xiàn)象以及速度波動情況;

3) 采用本征正交分解方法對水口和結(jié)晶器寬面中心面處、水口底部及射流區(qū)域的速度隨時間和空間變化進行降維處理，能夠識別流動中的主要能量結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并通過奇異值分解方法對速度場進行重構(gòu)，提取不同尺度湍流所積累能量的關(guān)系。

4) 控制結(jié)晶器內(nèi)的湍流，最主要的是控制低階模態(tài)下含有高能量的大尺度湍流結(jié)構(gòu)，由于低階模態(tài)下的流體包含主要的能量，通過控制低階模態(tài)下的湍流運動進而控制水口流出的流體向結(jié)晶器內(nèi)擴散作用，為最終優(yōu)化鑄坯質(zhì)量提供理論支持。

4 結(jié)晶器流場研究中國內(nèi)外的差距及未來的發(fā)展方向

4．1 國內(nèi)外差距

1) 目前國內(nèi)所進行的水模擬實驗大多是用粒子、墨汁等作為示蹤劑，簡單地模擬流場情況，而國外已開始使用激光多普勒速度測量儀( LDV) 和粒子圖像測速儀( PIV) ，它們具有準(zhǔn)確、清晰、多維等特點。

2) 國內(nèi)水模擬實驗很少采用1∶ 1 的模型，主要原因是1∶ 1 模型體積太大，需要較大的實驗空間。根據(jù)相似原理模型可以按照比例縮小，但研究表明采用1:1 的模型實驗結(jié)果更準(zhǔn)確。國外水模型通常按1∶ 1 制作。另外國內(nèi)結(jié)晶器模擬還存在一個問題，就是由于空間限制，通常結(jié)晶器模型的長度不夠，造成實驗結(jié)果不盡準(zhǔn)確。

3) 水模中經(jīng)常用到渣和夾雜物的模擬，通常采用一定配比的油來模擬渣層，利用聚乙烯粒子來模擬夾雜物，它們和水的密度比很難和鋼渣的密度比一致，到目前還沒有很好的辦法來模擬頂渣和夾雜物，尤其是液態(tài)夾雜物，所以水模得到的卷渣和夾雜物去除指標(biāo)也只具有相對比較的價值，還不能和實際生產(chǎn)的情況完全對應(yīng)起來。國外用玻璃粒子來模擬夾雜物。

4) 在實驗設(shè)備方面目前國內(nèi)主要應(yīng)用中國水利水電科學(xué)院開發(fā)的DJ800 型水工多功能檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)配有電導(dǎo)率儀、波高傳感器和壓力傳感器，能夠分別檢測溶液的電導(dǎo)率、液面的波高和某一位置的壓力。對流體流速的測量僅局限于對結(jié)晶器表面局部點速度的測量。國外的一些水模擬實驗室用到了超聲波多普勒測速儀( UDV) 和粒子圖像測速儀( PIV) ，它們具有分辨率高、測速更準(zhǔn)確、多分量同時測量等特點，能夠更全面地反映流場全貌。

4．2 未來的發(fā)展方向

在目前結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動的研究中，對于瞬態(tài)的、脈動的行為還不能有效預(yù)測，對于高溫液態(tài)鋼水的一些測量工作還不能如愿展開，還需要加大科技的投入。

1) 對連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場進行數(shù)值模擬，大部分研究者采用的都是標(biāo)準(zhǔn)k－ε雷諾平均( RANS) 數(shù)學(xué)模型，模型對鋼水流場進行時均化處理，總的來說可以預(yù)測流場的平均運動狀態(tài)，但是對鋼水湍流中的小尺度脈動不能有效進行計算，因此無法預(yù)測到流體隨時間變化的脈動行為;

2) 對縮小比例的結(jié)晶器內(nèi)水模型采用大渦模擬( LES) ，并通過PIV 實驗室測量結(jié)果與模擬結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)LES 模型可以準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場，并能夠捕捉到小尺度脈動湍流，但是并未對LES模擬結(jié)果的具體湍流信息進行分解描述，只是簡單地預(yù)測了鋼水的瞬態(tài)流動形態(tài);

3) 對結(jié)晶器內(nèi)流場測量，多是針對水模型中局部速度及結(jié)晶器表面波動，對現(xiàn)場高溫條件下鋼水表面速度的測量工作較少;

4) 對連鑄結(jié)晶器內(nèi)施加電磁制動的研究，由于實驗條件所限大多是采用數(shù)值模擬方法預(yù)測其效果，而且對薄板坯內(nèi)鋼水流場模擬多忽略了凝固坯殼的影響，事實上在凝固坯殼界面的質(zhì)量和動量損失對結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場影響較大。

鑒于冶金工業(yè)中連鑄結(jié)晶器工作環(huán)境的特殊性，因此，未來的發(fā)展方向應(yīng)該還是通過物理和數(shù)值模擬的方法研究結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場。為了準(zhǔn)確顯示結(jié)晶器內(nèi)流場運動情況，物理模擬力求采用1∶ 1的模型，并配合多種測量手段，以獲得結(jié)晶器內(nèi)三維空間上的流速分布。數(shù)學(xué)模擬則應(yīng)開發(fā)計算速度更快、能對結(jié)晶器不同尺度的湍流信息進行分解描述的模型，如由本課題組開發(fā)的Filter URANS 模型，采用了本征正交分析( POD) 方法，對水口和結(jié)晶器內(nèi)流場進行降維重構(gòu)，提取不同尺度湍流所積累能量的關(guān)系，并且識別流動中的主要能量結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

5 結(jié)束語

結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動狀態(tài)與連鑄坯的表面和內(nèi)部缺陷密切相關(guān)。國內(nèi)外主要通過水模擬配合多種測量手段以及數(shù)值模擬研究結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動狀態(tài)，考察各種因素對流動的影響。水模擬具有直觀、可動態(tài)實時地進行控制測量等特點，但受模型比例及水的物性限制，且冷態(tài)和熱態(tài)對流場也有一定的影響，尤其是在吹氣條件下。數(shù)值模擬具有速度快、成本低等特點，但其中網(wǎng)格的劃分、邊界條件和殘差的設(shè)置、求解方法的選擇對計算結(jié)果影響很大。如何進一步提高物理模擬和數(shù)學(xué)模擬的準(zhǔn)確性是未來的主要發(fā)展方向。

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