辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）
浸入式水口结构和浸入深度是改善结晶器内钢水流动状态，减小流股冲击深度，均匀由流股带入的热量，促进结晶器内坯壳均匀生长及夹杂物上浮的简单易行的重要手段。浸入式水口出口倾角按与水平面的夹角可分为向上倾角、向下倾角和水平倾角。随水口出口倾角的变化，结晶器内流场基本特征一般没有改变。但倾角由下向上增加时，钢水在结晶器内上回流增强，这有利于结晶器内夹杂物的上浮；但钢水流股对熔池表面的冲击强度随之增强，加剧了液面的波动和不稳定状态，从而导致钢水的二次氧化和卷渣。反之，当倾角由上向下增大时，结晶器流股对液面的冲击强度减弱，液面波动减小，冲击深度随之加深，可能导致结晶器熔池表面和弯月面处钢水不活跃，不利于保护渣的熔化和夹杂物的上浮，同时由于流股与结晶器窄面的冲击点下移，在高拉速时易造成漏钢事故。在拉速一定，浸入式水口截面积相同的情况下，随水口出口面积的增加，出口流股速度随之降低，对液面的冲击强度也随之减弱，液面趋于平静，液面波动幅度减小，卷渣可能性减小。而且钢水从浸入式水口流出的初速度减小，向下流肢的流程变短，冲击深度减小。但过大的出口面积将在出口处产生倒吸，使水口附近液面产生旋涡，影响结晶器液面的平稳。浸入式水口的出口形状一般有圆形、椭圆形和矩形三种。出口形状对结晶器流场影响不大，但影响流股速度及其散射程度。N．Tsukamotol等通过水模型实验研究指出，在出口面积相同时，方形出口射流速度、流股冲击深度比圆形出口大，但方形出口流股散射程度小，对结晶器窄面的冲刷小，利于坯壳均匀生长；椭圆形出口与圆形出口相比，椭圆形出口上下部位由于存在较大的压力差，流股不稳定【551。雷洪等通过对武钢二炼钢连铸结晶器流场优化研究认为，使用矩形水口能有效减少卷渣发生的可能[561。
浸入式水口底部形状大致可分为平底型、凸型和凹型三种。水模拟以及现场试验研究表明，凹型结构水口流股对窄面的冲击力和冲击深度与凸型水口相比都有明显降低，且结晶器弯月面较活跃，有利于保护渣的熔化，改善了铸坯坯壳与结晶器壁之间的润滑条件15”。高文芳等研究指出凹型水口在改善结晶器流场、提高铸坯质量方面优于凸水口。但使用凹型水口存在开浇时结晶器内钢水上翻及水口出口处耐火材料受钢水冲刷侵蚀严重等问题f5”。
水口浸入深度对结晶器内流场、液面波动、坯壳生长、气泡以及夹杂物上浮去除都有显著影响。随浸入深度的增加，流股与结晶器窄面的冲击点下移，上、下两回流涡心明显下移，结晶器液面钢水流速减小，液面湍动能也相应减小，液面波动减弱，这有利
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于防止保护渣卷入；但冲击深度过深，增加了夹杂物和气泡卷入铸坯深处的机会，使铸坯内部缺陷增多，同时由于热点下移，影响初生坯壳生长，使结晶器下沿的铸坯初生坯壳变薄，增加了漏钢的几率，不利于高拉速操作条件下连铸工艺的进行【59】。结晶器内湍流流动一旦形成，就有一定的稳定性，不同浇铸速度下结晶器流场很相似，浇铸速度对流体流动的影响不是主要的，但对夹杂物行为和铸坯凝固传热具有重要影响。拉速增大，水口出口流速随之增大，冲击深度增大，结晶器液面变得不稳定，不利于夹杂物和气泡上浮去除以及防止保护渣的卷入，同时流股对结晶器窄面冲击强度增大，单位时间内传递更多的热量，从而减慢了凝固坯 壳的生长速度，增大了漏钢的几率【60】。
近年来，冶金工作者还尝试通过改变浸入式水口内腔形状的来达到优化结晶 器流场的目的。
日本的横谷真一郎等在浸入式水口模型中安放叶片导向装置，进行了水模型 实验和数值分析，认为结晶器内钢水流动状态得到了很大改善。在对结晶器内钢 水流动和凝固传热耦合数值分析和水模型实验研究的基础上，提出一种新型水口 结构，依靠钢水本身具有的流动动能，实现结晶器内的钢水自旋转搅拌，取代结 晶器内电磁搅拌，能够极大地减少设备投资，节省能耗【61 J。S．Yokya开发了一种带台阶收缩型的浸入式水口，通过水模拟和数值模拟研究认为这种带台阶的收缩水口能够在滑动水口以下短距离范围内使不均匀的钢水流动达到均匀，而且是轴对称流动【6“。 综上所述，浸入式水口结构以及连铸工艺操作参数对结晶器内钢水流动、结晶器传热等有重要影响，进而影响铸坯质量。针对不同的生产情况，应优选合适的浸入式水口结构和连铸工艺操作参数，使之既保证结晶器液面及弯月面活跃，又不致使液面波动过大，同时控制好流股冲击深度，有利于夹杂和气泡的上浮及保证坯壳的均匀生长，获得高质量的铸坯。
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3 CSP 连铸结品器的水力学模拟实验
3.1 CSP 连铸结品器的水力学模拟实验装置
3.1.1 水力学模拟实验装置及尺寸
图3- 1 为设计的连铸结品器水模实验装置示意图.该装置周有机玻璃制成，与实际装置儿何尺寸相似比为1 ：1.
图3. 1 主铸结晶然水模拟实验装贵图
3.1.2 相似准数
为减少结品器和浸入式水口模型的边界状态对流动的影响，我们取模型与原型儿何 相似比为1 ：I. 并保证雷诺数Re 和弗鲁德数Fr 同时相等，以便模型与原型结晶器内 液体流动状态相似.这样，由水模型得出的液流速度与实际钢液流速一致. 即由Fr =
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U2/gL 相等， 令Frm =Frp,则有Um=Up( 其中m-模型,p-原型) 。根据湖南华菱涟钢产品大纲，本实验选择了其中最宽和最窄的断面尺寸进行水力学3模拟实验，井由上述相似理论，计算并给出了对应于实际不同铸坯拉速下模拟的液流量，见表3.1 。
表3.1 对应于实际铸坯拉速下模型的液流量
结晶器断面尺寸，mm2
实际铸坯拉速，m/min
5.5
1500×70
4.5 3.5 5.5
900×70
4.5 3.5
模型水流量，1/min
616 504 392 346.5 283.5 220.5
3.1. 3水口
本实验所用浸入式水口为维苏威高级陶瓷(苏州)有限公司应用于湖南华菱涟销 CSP 连铸的铝碳质实际水口，这样可避免因水口加工误差引起的结晶器内流态的变化.
3.2实验方法及条件
3.2.1 模型液流量的测定
模型液流量极阁2-1 所示系统测定.在模型结晶器的下方接一缓冲辙， 用水泵从缓 冲器内抽出水注入到中间包内，中间包内的水经浸入式水口再流入结晶器内，结品器内 的水又回到缓冲器， 如此循环。当中间包液面和结晶辑内液面在规定刻度保持稳定时， 转子流量计显示的流量即为该工况下的液流量.每-工况稳定5-10 分钟后进行实验
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