吳春雷，劉哲霄，楊曉亮，岳瑩瑩，史純陽(yáng)

（1.遼寧科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004；2.遼寧科技學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004）

在方、圓坯連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用結(jié)晶器電磁攪拌（Mold Electromagnetic Stirrer，M-EMS）能夠優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)， 促進(jìn)凝固組織中柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，進(jìn)而提高連鑄坯的質(zhì)量［1-3］。 然而，當(dāng)M-EMS 的攪拌強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，在結(jié)晶器內(nèi)的二次流動(dòng)將鋼液凝固過(guò)程中析出的溶質(zhì)元素輸送至攪拌中心， 導(dǎo)致連鑄坯邊緣和中間區(qū)域分別出現(xiàn)較嚴(yán)重的負(fù)偏析和正偏析缺陷［4-6］。傳統(tǒng)減輕宏觀偏析的手段是增加等軸晶組織占比。然而，等軸晶組織的數(shù)量不會(huì)隨著M-EMS 攪拌強(qiáng)度的升高而無(wú)限增多，而是存在一個(gè)閾值。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出旋流水口技術(shù)來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)晶器流場(chǎng)，從而減輕連鑄方、圓坯的宏觀偏析缺陷［7-10］。

在旋流水口技術(shù)的科研工作中， 由于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無(wú)法對(duì)連鑄設(shè)備的原始尺寸和現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行復(fù)制， 這就需要采用水模型試驗(yàn)按照一定比例物理模擬各個(gè)旋流水口技術(shù)單獨(dú)或耦合應(yīng)用時(shí)的作用效果。 在水模型試驗(yàn)系統(tǒng)所需部件的制造過(guò)程中，每個(gè)試驗(yàn)條件均需要制造一根單體旋流水口， 這會(huì)耗費(fèi)過(guò)多的制造時(shí)間和加工成本。

鑒于以上問(wèn)題， 文章提出在連鑄圓坯水模型試驗(yàn)中，將傳統(tǒng)的單體浸入式水口按照上、中、下三段設(shè)計(jì)，并賦予每段水口不同的功能，這有助于節(jié)省時(shí)間與成本，并能夠?yàn)槠渌锢砟M提供借鑒意義。

1 設(shè)計(jì)過(guò)程

1.1 理論依據(jù)

在水模型試驗(yàn)中， 選擇各部件尺寸和流體流量的理論依據(jù)是相似準(zhǔn)則， 需保證模型和原始連鑄設(shè)備的雷諾數(shù)（Re）和弗勞德數(shù)（Fr）分別相似。 由于結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)Re 很大，流體流動(dòng)進(jìn)入自模化區(qū)。無(wú)論Re 數(shù)值多大， 在測(cè)試段的流速分布皆彼此相似，與Re 數(shù)無(wú)關(guān)［11］。 所以在通過(guò)水模型試驗(yàn)?zāi)M結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)時(shí)只需考慮Fr 數(shù)相似即可。

首先，按照一定比例確定模型幾何尺寸，參照公式：其中，λ 為模型與原型的相似比；L1和L2分別為模型和原型的幾何尺寸，m。

水模型系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)需保證模型和原型的弗勞德數(shù)相似，并依此計(jì)算流體流量，參照公式：其中，F(xiàn)r1和Fr2分別為模型和原型的弗勞德數(shù)；u1和u2分別為模型和原型的水口出口流體流速m·s-1；l1和l2分別為模型和原型的尺寸特征值，m；g 為重力加速度，m·s-2。

在文章水模型試驗(yàn)中，λ 取值為1.625。 根據(jù)以上公式，計(jì)算得到原模型與水模型尺寸如表1 所示。

表1 原模型與水模型尺寸

1.2 設(shè)計(jì)思路

與傳統(tǒng)單體浸入式水口的結(jié)構(gòu)不同， 本文將水模型試驗(yàn)用的水口設(shè)計(jì)成上、中、下三段。 圖1 為分體水口的設(shè)計(jì)思路。如圖所示，水口上段的結(jié)構(gòu)保留傳統(tǒng)浸入式水口上部的特征。 水口中段可選擇性地添加可拆卸的旋流轉(zhuǎn)子。 目前，旋流發(fā)生器、離心中間包、 反向渦流裝置以及電磁旋流水口技術(shù)能夠使鋼液在到達(dá)水口出口前發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 使用旋流轉(zhuǎn)子來(lái)物理模擬以上水口旋流技術(shù)的作用效果。 水口下段的出口結(jié)構(gòu)可選擇傳統(tǒng)方、 圓坯連鑄的直筒型水口結(jié)構(gòu)或切向水口。切向水口的出口在水口側(cè)面，通過(guò)調(diào)整角度和數(shù)量來(lái)調(diào)控水口出流流體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特征。

圖1 分體水口的設(shè)計(jì)思路

在水模型試驗(yàn)系統(tǒng)中， 浸入式旋流水口的材質(zhì)是有機(jī)玻璃， 相鄰各段采用螺紋旋擰的方式相互連接。 根據(jù)不同試驗(yàn)條件，選擇水口各段的組合方式。例如，在水口中段安裝旋流轉(zhuǎn)子，水口下段為傳統(tǒng)直筒型水口可用來(lái)模擬單獨(dú)應(yīng)用電磁旋流水口技術(shù)；在水口中段不添加旋流轉(zhuǎn)子， 水口下段采用切向水口來(lái)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)應(yīng)用切向旋流水口技術(shù)； 還可以在水口中段安裝旋流轉(zhuǎn)子， 在水口下段選用旋流切向水口，考察多個(gè)旋流水口技術(shù)的耦合作用效果。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果

2.1 分體水口上段結(jié)構(gòu)

圖2 為水口上段的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中水口上段的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)浸入式水口上部相同， 頂端為梯形中空結(jié)構(gòu)， 可與塞棒接觸來(lái)調(diào)整水模型系統(tǒng)中循環(huán)水的流量。 在水口上段出口內(nèi)表面加工螺紋， 能夠與水口中段頂端通過(guò)旋擰方式連接。

圖2 水口上段的結(jié)構(gòu)示意圖（a）三維效果圖 （b）剖面圖 （c）俯視圖

2.2 分體水口中段結(jié)構(gòu)

圖3 為水口中段的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中水口中段入口的外表面加工螺紋， 可與水口上段出口通過(guò)旋擰的方式連接。水口中段出口內(nèi)表面加工螺紋，可與水口下段入口外表面螺紋通過(guò)旋擰的方式連接。

圖3 水口中段的結(jié)構(gòu)示意圖（a）三維效果圖 （b）剖面圖 （c）俯視圖

由于水模型系統(tǒng)中的循環(huán)水流經(jīng)旋流轉(zhuǎn)子時(shí)，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的葉片施加切向力，造成轉(zhuǎn)子在周向移動(dòng)，因此在水口中段入口頂端設(shè)有兩個(gè)凹形卡槽， 用來(lái)固定旋流轉(zhuǎn)子，使旋流轉(zhuǎn)子不受水流沖擊力的影響。

2.3 旋流轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖4 為旋流轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中旋流轉(zhuǎn)子的頂端具有兩個(gè)矩形翅片，下部為一個(gè)螺旋葉片。翅片的尺寸與水口中段頂端凹形卡槽的尺寸相同。 當(dāng)進(jìn)行旋流起始于水口中部的水模型試驗(yàn)時(shí)， 將這種可拆卸的旋流轉(zhuǎn)子安裝在凹形卡槽內(nèi)， 而當(dāng)進(jìn)行旋流起始于水口出口的水模型試驗(yàn)時(shí)， 需使用無(wú)下部螺旋葉片的旋流轉(zhuǎn)子。

圖4 旋流轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖（a）三維效果圖 （b）剖面圖 （c）俯視圖

螺旋葉片的角度和數(shù)量應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)要求水口內(nèi)水流的旋轉(zhuǎn)速度和均勻性來(lái)確定。 通過(guò)增加旋流轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)量能夠使水口內(nèi)流場(chǎng)均勻分布。 雙葉片和三葉片的旋流轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 多葉片旋流轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)效果圖（a）雙葉片 （b）三葉片

2.4 分體水口下段結(jié)構(gòu)

水口下段可根據(jù)水模型試驗(yàn)條件選擇直筒型水口或切向水口。 圖6 與圖7 分別是直筒型水口下段和三分切向水口下段的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中直筒型水口下段和切向水口下段的頂端外表面均加工了螺紋，可通過(guò)旋擰的方式與水口中段出口連接。

圖6 直筒型水口下段的結(jié)構(gòu)示意圖（a）三維效果圖 （b）剖面圖 （c）俯視圖

圖7 三分切向水口下段的結(jié)構(gòu)示意圖（a）三維效果圖 （b）剖面圖 （c）俯視圖

直筒型水口下段底部的特征與傳統(tǒng)方、 圓坯連鑄浸入式水口的底部特征相同， 水模型系統(tǒng)的循環(huán)水從水口底面流出。 切向水口的水流出口在水口側(cè)面。出口邊緣與水口橫截面半徑呈一定角度，通過(guò)調(diào)整角度和出口數(shù)量來(lái)調(diào)控水流在結(jié)晶器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速度和流場(chǎng)分布。

2.5 分體水口的應(yīng)用

2.5.1 水口組裝過(guò)程

分體水口各段通過(guò)螺紋旋擰的方式連接， 這種方式不僅操作簡(jiǎn)單， 還解決了水口各段連接處的漏水問(wèn)題。 組裝方式以旋流僅使用旋流轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的旋流為例，圖8 為分體水口的組裝過(guò)程。 如圖所示，首先，將直筒型水口下段的頂端與水口中段底部連接。其次， 將可拆卸的旋流轉(zhuǎn)子安裝在水口中段頂端的凹形卡槽內(nèi)， 將水口上段底部與水口中段頂端旋擰連接。 最后， 將組裝后的水口安裝在水模型系統(tǒng)中間包與結(jié)晶器之間，即可開(kāi)始水模型試驗(yàn)研究。

圖8 分體水口的組裝過(guò)程

2.5.2 加工成本評(píng)估

分體水口的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)不僅操作簡(jiǎn)單， 還能夠顯著減少水口部件的制造時(shí)間和降低加工成本。 圖9給出了分體浸入式旋流水口可實(shí)現(xiàn)的基本試驗(yàn)條件。 如圖所示， 假設(shè)旋流起始于水口中部的試驗(yàn)條件為m 個(gè)，其中包括無(wú)旋流轉(zhuǎn)子、旋流轉(zhuǎn)子的不同葉片數(shù)量和角度等；假設(shè)旋流起始于水口出口的試驗(yàn)條件為n 個(gè)， 其中包括傳統(tǒng)的直筒型水口和不同出口數(shù)量和角度的切向水口。 若采用傳統(tǒng)單體水口結(jié)構(gòu)的加工方法，需要制造（m×n）根水口。 若采用本文提出的分體水口，僅需要制造1 根水口上段，1 根水口中段和（m-1）個(gè)不同結(jié)構(gòu)的旋流轉(zhuǎn)子，1 根直筒型水口下段和（n-1）根切向水口下段即可。

圖9 水模型試驗(yàn)條件

3 結(jié)論

在進(jìn)行連鑄旋流水口技術(shù)的水模型試驗(yàn)過(guò)程中，考察不同試驗(yàn)條件需要制造多根水口，這耗費(fèi)過(guò)多的制造時(shí)間和加工成本。 文章根據(jù)目前已有旋流水口的技術(shù)特點(diǎn)，提出一種分體式旋流水口，此水口各段采用螺紋旋擰的方式進(jìn)行連接， 通過(guò)水口各段和可拆卸旋流轉(zhuǎn)子的不同組合方式， 能夠考察各旋流水口技術(shù)單獨(dú)或耦合作用時(shí)的結(jié)晶器流場(chǎng)特征。這種分體式水口具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 組合操作方便的特點(diǎn)， 能夠?yàn)橥瑯邮俏锢砟M的低熔點(diǎn)合金試驗(yàn)提供借鑒。