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浸入式水口出口形状对连铸结晶器流场及卷渣影响的研究报告

第一作者及单位

本研究由重庆大学材料科学与工程学院/重庆市钒钛冶金及先进材料重点实验室的甘美娟（Meijuan Gan）、潘伟杰（Weijie Pan）、王强强（Qiangqiang Wang）、张旭斌（Xubin Zhang）和何生平（Shengping He）合作完成，研究成果发表于《Metallurgical and Materials Transactions B》2020年12月刊（Volume 51B, pp. 2862–2870）。

学术背景

研究领域与动机
研究聚焦于冶金工程中的连铸工艺（continuous casting），重点探讨浸入式水口（Submerged Entry Nozzle, SEN）的出口形状对结晶器内钢液流场及卷渣行为（slag entrainment）的影响。
背景知识
- SEN是连铸过程中的关键部件，其设计直接影响钢液流动稳定性、夹杂物去除效率和铸坯质量。
- 传统矩形出口（n-r）易因流场不均导致水口堵塞（clogging）和卷渣缺陷，而近似椭圆形出口（n-ao）在实际生产中表现出更优性能，但其机理尚不明确。
研究目标
通过数值模拟（LES模型）与物理实验（水模型+PIV技术），揭示n-ao与n-ao流场差异，明确卷渣发生的临界条件及与涡量（vorticity）的关联性。

研究流程与方法

1. 数值模拟（LES大涡模拟）
- 研究对象：两种SEN（n-ao与n-r）及其对应的结晶器流场，网格数约188万。
- 关键技术：
- 采用Smagorinsky-Lilly亚格子模型模拟湍流，时间步长25秒，捕捉瞬时流动特征。
- 设置钢液物性参数（密度7020 kg/m³、黏度0.0067 Pa·s）和实际工艺条件（拉速1.5 m/min）。
- 数据分析：提取出口流速分布、低速区（<0.2 m/s）比例及涡量变化特性。

2. 物理实验（水模型+PIV技术）
- 实验设计：
- 按1:0.25比例建立水模型，以Fr数（Froude number）为相似准则，模拟实际结晶器流动。
- 使用机油-煤油混合物模拟保护渣（slag），调整黏度（0%–30%煤油含量）研究其对卷渣频率的影响。
- PIV测量：
- 通过激光片光源和CCD相机记录流场瞬时速度，分析1/4结晶器宽度处的液面流速和涡量。
- 卷渣判定标准：油滴被拖拽进入水相即计为一次卷渣，统计5分钟内发生频率。

主要研究结果

1. 流场特性对比
- 出口流速差异：n-ao出口高速区（>1.6 m/s）占比15.6%，显著高于n-r的3.6%，表明其主流速度更高，有利于减少夹杂物滞留。
- 低速区比例：n-ao低速区（<0.2 m/s）平均占比0.805%，低于n-r的0.962%，说明n-r更易因回流导致水口堵塞（图7-9）。

2. 卷渣行为分析
- 临界拉速差异：n-r在较低拉速（0.55 m/min）下即发生卷渣，而n-ao需0.65 m/min（图5）。
- 卷渣频率：n-r在0.7 m/min拉速下的卷渣频率为n-ao的2倍，与实际生产数据一致（表I）。

3. 涡量与卷渣的关联性
- 无直接相关性：卷渣发生时，涡量值（vorticity）可高可低（图12a），但均伴随涡量变化速率（change rate of vorticity）的极值点（图12b），表明卷渣由涡量剧烈变化触发，而非其绝对值大小。

研究结论与价值

科学结论
1. n-ao通过优化出口流速分布，减少低速区，显著降低卷渣频率与水口堵塞风险。
2. 卷渣机制的核心是涡量变化速率，而非传统认为的液面流速或涡量大小。

应用价值
- 为SEN结构设计（如优先选择椭圆形出口）提供理论依据，可直接指导钢厂优化连铸工艺，减少铸坯缺陷（如热轧与冷轧板卷缺陷率降至1%–1.2%）。

研究亮点

1. 创新方法：结合LES模拟与PIV实验，首次将涡量变化速率与卷渣机制关联，突破传统流速分析的局限性。
   
2. 工业验证：研究结果与某钢厂实际生产数据高度吻合，证实n-ao的工程适用性。
   

其他价值

• 提出的低速区比例（<0.2 m/s）可作为评估SEN抗堵塞性能的新指标。
  
• 研究团队开发的PIV分析流程（如52秒连续采样）为后续流场研究提供了标准化方法。
  

（全文约1800字）