薄板坯连铸浸入式水口的结构优化

张华，倪红卫，陈光友，刘吉刚武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北武汉（430081）E-mail：[e-mail]摘要：针对薄板坯连铸的生产条件，采用正交设计的水模型实验和数值模拟，通过测量结晶器液面波高和注流冲击深度，研究了浸入式水口出口面积比、出口倾角、浸入深度和拉速对结晶器流场的影响规律。研究结果表明：出口面积比为1.4，出口倾角为50°，浸入深度为240mm，可以满足高拉速生产的需要。关键词：薄板坯连铸；浸入式水口；结晶器；流场；水模型中图分类号：TF777.71.引言结晶器是薄板坯连铸核心设备，结晶器内钢液的流动情况对钢液的凝固传热、夹杂物的上浮和凝固坯壳的形成有重要影响，直接关系着铸坯的表面和内部质量。薄板坯连铸拉速快，结晶器断面小，结晶器内钢液流动剧烈，给结晶器液面的稳定、凝固坯壳的均匀形成及连铸工艺带来了新的问题[1]。而优化浸入式水口的结构是改善钢液流动、提高连铸坯质量的有效途径。本文结合某钢厂薄板坯生产情况，通过水模型实验[2～4]和数值模拟[5～7]，对使用不同结构浸入式水口的薄板坯结晶器流场进行研究，找出最佳浸入式水口结构及操作工艺参数，优化结晶器内钢水流场，对改善薄板坯质量，提高产量具有重要意义。2.水模型实验方案连铸结晶器内的钢液流动主要受惯性力、重力及粘性力作用。根据相似原理，为保证模型与原型相似，应确保两者的Fr相等，且Re在同一自模区。经计算本实验选用1:2的实验模型。水模型实验装置见图1。图1水模型实验装置示意图Fig.1Experimentequipmentofwatermodel1本课题得到教育部博士点基金（20050488001）和湖北省教育厅科研基金（2004Z001）的资助。在实验中，通过改变浸入式水口的出口面积比（水口两个出孔面积之和与主通道面积之比）、出口倾角（α）、浸入深度及拉速来研究结晶器内的流动情况，得到适合高拉速的浸入式水口结构参数及工艺参数。浸入式水口结构如图2所示。图2浸入式水口结构示意图Fig.2StructureofSEN为了减少实验次数并且要保证实验的科学性和可靠性，本实验采用正交实验方法。实验采用L9（34）正交表，实验的因素和水平如表1所示。表1正交实验的因素和水平Table1Factorsandlevelsoforthogonalexperiment因素出口面积比出口倾角(°)插入深度(mm)拉速(m/min)水平11.0502104.0水平21.2402404.5水平31.4302705.0最佳浸入式水口结构应为在高拉速的条件下，也能保证钢液面不产生剧烈波动，并且同时保证较小的注流冲击深度。实验中采用中科院水力学研究所开发的DJ800型多功能监测仪实时检测结晶器液面波高；采用示踪法和流场照相进行流场显示测量结晶器内注流的冲击深度。3.水模型实验结果及分析3.1结晶器液面波高的影响因素从水模型实验可以观察到，结晶器液面波动较传统两侧孔浸入式水口要小得多。结晶器弯月面处液面波动较大，水口附近产生明显的涡流，液面波动应重点考察这两个位置。结晶器弯月面处液面波高实验数据的计算结果如表2所示。表2弯月面处液面波高指标Y值统计计算数据Table2Yvalueofthewaveamplitudeatmeniscus因素出口面积比出口倾角浸入深度拉速水平121.9015.0018.8014.60水平214.6016.6016.5015.90水平313.4018.3014.6019.40极差8.503.304.204.80从表2可见，结晶器弯月面处液面波动随水口出口面积比的增大、出口倾角的增大、浸入深度的增大及拉速的减小而减小。其中出口面积比由水平1到水平2，即由1.0增大到，液面波动明显减小。拉速由4.5m/min增大到5.0m/min，液面波动也显著增加。对表2中数据进行方差分析，结果如表3。表3弯月面处液面波高方差分析表Table3Varianceanalysisofthewaveamplitudeatmeniscus因素偏差平方和自由度F比显著性出口面积比14.1122.46较显著出口倾角1.8220.32—浸入深度2.9520.51有影响拉速4.1120.72有影响误差22.998由表3可知，对结晶器弯月面处液面波动影响的显著性高低依次为：出口面积比、拉速、浸入深度和出口倾角。因此，减小弯月面处液面波动，首先应提高出口面积比，其次为稳定工作拉速、增大浸入深度。结晶器水口附近液面波动实验数据的计算结果如表4所示。表4水口附近液面波高指标Y值统计计算数据Table4YvalueofthewaveamplitudearoundSEN因素出口面积比出口倾角浸入深度拉速水平120.4016.5020.2015.50水平217.7018.5018.3018.70水平315.9019.0015.5019.80极差4.502.504.704.30从表4可见，水口附近液面波动随水口出口面积比的增大、出口倾角的增大、浸入深度的增大及拉速的减小而减小。其中，拉速由4.0m/min增大到4.5m/min，液面波动则显著增加。对表4中数据进行方差分析，结果如表5。表5水口附近液面波高方差分析表Table5VarianceanalysisofthewaveamplitudearoundSEN因素偏差平方和自由度F比显著性出口面积比3.4221.18有影响出口倾角1.1720.40浸入深度3.7321.28有影响拉速3.3321.14有影响误差11.658由表5可知，对水口附近液面波动影响的显著性高低依次为：浸入深度、出口面积比、拉速和出口倾角。因此，减小水口附近液面波动，应增大浸入深度，提高出口面积比、稳定工作拉速。3.2冲击深度的影响因素水模型实验中注流冲击深度的统计计算结果如表6所示。可见，注流冲击深度随水口出口面积比的减小、出口倾角的增大、浸入深度的增大及拉速的增大而增大。对表6中数据进行方差分析，结果如表7。表7注流冲击深度方差分析表Table7Varianceanalysisoftheimpactdepth因素偏差平方和自由度F比显著性出口面积比435520.61有影响出口倾角295520.41—浸入深度735521.02有影响拉速1415521.97较显著误差288208由表7可知，对注流冲击深度影响的显著性高低依次为：拉速、浸入深度、出口面积比和出口倾角。因此，减小注流冲击深度，应采用较低拉速，减小浸入深度，增大出口面积比，减小出口倾角。3.3方差分析结果的讨论根据薄板坯连铸结晶器的冶金功能，钢液流动应满足以下要求：（1）减小液面波动，使液渣均匀覆盖钢液，减少卷渣；（2）控制合理的注流冲击深度，减少对凝固坯壳的冲刷，坯壳生长均匀，减少出现裂纹及拉漏的危险。从减少液面波动的角度出发，首先应增大出口面积比和水口浸入深度，其次控制拉速；从减小注流冲击深度的角度出发，首先应控制拉速，其次适当减小浸入深度。综合考虑各因素的影响后，选取出口面积比水平为3，出口倾角水平为1，浸入深度水平为2，拉速水平为2，即优化的浸入式水口结构为出口面积比为1.4，出口倾角为50°，优化的工艺参数为浸入深度为240mm，拉速为4.5m/min。对水模型实验结果正交优化后的参数组合，进行了验证实验。使用结构优化的浸入式水口在浸入深度为240mm、拉速为4.5m/min下，结晶器内弯月面处和水口附近的波高平均值分别为3.7mm和3.9mm，注流冲击深度为810mm，完全能满足生产的要求。4.数值模拟应用连续性方程、动量方程和k-ε双方程湍流模型描述结晶器内钢液的湍流流动状态，建立结晶器流场的三维数学模型，根据工艺参数设定初始条件和边界条件，应用PHEONICS流体计算软件求解。对使用结构优化后浸入式水口，并应用优化的工艺参数下的结晶器流场，进行了三维数值模拟计算，图3为水口浸入深度为240mm，拉速为4.5m/min的数值模拟计算流场及水模型实验照片。—数值模拟计算流场图；b—水模型实验流场照片Fig.3FlowfieldofmoldusedoptimizedSENa-flowfieldpatternofnumericalsimulation;b-flowfieldphotoofwatermodel由图3可见，结晶器流场的数值模拟结果与水模型实验结果基本一致，数值模拟结果可信。数值模拟研究结果发现，从结晶器窄面至水口方向，自由液面上水平速度分布表现为逐渐增大，再逐渐减小，而垂直速度分布表现为由向上最大逐渐减小为0，然后由0逐渐增至向下最大。使用结构优化后的浸入式水口后，结晶器自由液面附近速度较小，水平速度均小于0.2m/s，垂直速度绝对值均小于0.1m/s，液面波动小，不会有卷渣的危险。同时，注流的冲击深度也不大，和水模型结果一致。数值模拟结果也表明，结构优化的浸入式水口完全能满足薄板坯连铸高拉速生产的要求。5.结论（1）薄板坯结晶器液面波动随水口出口面积比的增大、出口倾角的增大、浸入深度的增大及拉速的减小而减小。（2）注流冲击深度随水口出口面积比的减小、出口倾角的增大、浸入深度的增大及拉速的增大而增大。（3）对弯月面处液面波动影响的主次顺序为：出口面积比、拉速、浸入深度和出口倾角。对水口附近液面波动影响的主次顺序为：浸入深度、出口面积比、拉速和出口倾角。（4）对注流冲击深度影响的显著性高低依次为：拉速、浸入深度、出口面积比和出口倾角。（5）优化的参数组合为出口面积比1.4，出口倾角为50°，浸入深度为240mm，可满足高拉速（4.5m/min）生产的要求。参考文献[1]田乃媛．薄板坯连铸连轧[M]．北京：冶金工业出版社，1998．[2]闫清军，李宏新，郭宝志，等．板坯高效连铸浸入式水口结构优化[J]．连铸，2006，9（3）：22-23，43．[3]包燕平，田乃媛，徐保美．薄板坯连铸机新型浸入式水口[J]．北京科技大学学报，2002，24（3）：262-265．[4]GuptaD.,LahiriA.K..WaterModelStudyoftheFlowAsymmetryInsideaContinuousSlabCastingMold.MetallMaterTransB[J],1996,27B(10):757-764．[5]干勇，仇圣桃，萧泽强．连续铸钢过程数学物理模型[M]．北京：北京:冶金工业出版社，2001．[6]张桂芳，沈厚发，王镭，等．薄板坯连铸结晶器流场模拟和验证[J]．钢铁钒钛，2005，26（2）：31-34，53．[7]Hwa-SooPARK,HoseokNAM,J.K.YOON.NumericalAnalysisofFluidFlowandHeatTransferintheParallelTypeMoldofaThinSlabCaster[J].ISIJInt.,2001,41(9):974-980．StructureOptimizationofSubmergedEntryNozzleofThin-SlabContinuousCastingZhangHua,NiHongwei,ChenGuangyou,LiuJigangKeyLaboratoryforFer