可抑制CSP薄板坯结晶器液面动态失稳的水口.pdf

可抑制CSP薄板坯结晶器液面动态失稳的水口，属于薄板坯连铸技术领域，提供了两种可稳定液面波动和结晶器内部流场的浸入式水口结构，适用于CSP薄板坯高效连铸。其特征是采用三孔水口结构和四孔水口结构。可有效的抑制CSP薄板坯结晶器内液面动态失稳现象发生，液面波动和表面流速稳定，结晶器流场内流股运动稳定；可消除液面周期性严重卷渣；均匀弯月面附近铸坯传热，进而抑制铸坯的纵裂纹等缺陷的产生。

1.  可抑制CSP薄板坯结晶器液面动态失稳的水口，其特征是采用三孔水口结构或四孔水口结构；三孔水口结构中：A，水口倾角；B，底开孔上部直径；B′，底开孔下部直径；C，水口底挡块长度；D，水口总长度；E，水口底端到水口出口上沿高度；F，扩角；G，水口宽度方向扩张角；d1，水口顶端外径；d2，水口顶端内径；d3，上水口外径；R1，出口上壁圆倒角半径；R2，出口挡块倒角半径；I，下水口外壁厚度；J，下水口内壁厚度；K，出口上沿外壁厚度；H1，上水口加厚部分；H2，圆内径部分长度；H3，上水口厚壁部分高度；尺寸范围：A，50～70°；B，φ22～φ30；B′，φ30～φ35；C，75～85mm；D，1045～1060mm；E，132～138mm；E1，80～90；F，9～12°；G，4～5°；d1，φ145～φ155；d2，φ75～φ80；d3，φ118～φ126；R1，14R～18R；R2，15R～20R；I，64～70mm；J，20～28mm；K，78～85mm；H1，125～130mm；H2，315～320mm；H3，25～30mm。

2.  如权利要求1所述1.可抑制CSP薄板坯结晶器液面动态失稳的水口，其特征是采用四孔水口结构；四孔水口结构中上水口结构与三孔水口结构d1、d2、d3、H1、H2、H3、D、G部分相同，头部结构为：L，水口底挡块长度；M，底孔间距；N，底孔长度；0，底孔宽度；P，下水口外壁厚度；Q，下水口侧开孔内腔厚度；L，165～175mm；M，38～45mm；N，38～42mm；0，20～28mm；P，65～75mm；Q，25～30mm。

可抑制CSP薄板坯结晶器液面动态失稳的水口
技术领域
本发明属于薄板坯连铸技术领域，提供了两种可稳定液面波动和结晶器内部流场的浸入式水口结构，适用于CSP薄板坯高效连铸。
背景技术
结晶器钢液的流动对铸坯质量的影响至关重要。CSP结晶器内腔狭小加上其复杂的漏斗形结构和复杂的水口结构致使其内部流场较传统板坯结晶器内钢液的流动更加复杂。
E.Torres-alonso等人利用1∶1水模型和数学模型对CSP结晶器内的非稳态流动行为进行了研究。研究发现使用双侧孔水口下的CSP结晶器内的流动不稳定，主要体现是液面会出现周期性的波动加剧。(在文献：E.Torres-alonso，R.D.Morales，L.G.Demedices，Alfonso .Flow Dynamics in Thin Slab MoldsDriven by Sustainable Oscillating Jets from the Feeding SEN.ISIJ International，Vol.47(2007)，No.5，pp.679.中记载)
A.Ramos-banderas等人，利用数学模型和1∶2水模型对结晶器宽940mm，厚100mm，水口出口下倾角15°的双侧孔水口下的板坯结晶器内流动行为进行了研究。发现双侧孔水口下流场容易产生偏流现象。(在文献：A.Ramos-banderas，R.Sanchez-perez etc.Mathmatical simulation and physical modeling of unsteadyfluid flows in a water model of a slab mold.Metallurgical and materials transactionsB.2004.6(35)：449.中记载)
笔者利用水模型对目前国内某钢铁公司CSP生产使用的双侧孔水口下结晶器内流场进行了研究。发现，双侧孔水口结构下CSP结晶器内液面不稳定，具有周期性短时间液面运动加剧现象，称之为“液面动态失稳”，如图1所示。液面失稳前，表面流速和液面波动很小，液面不够活跃；液面失稳态时，液面运动又过于活跃，造成周期性剧烈卷渣。
产生液面动态失稳现象的主要原因：CSP结晶器内腔狭小，双侧孔水口下流股冲击深度较深，强大的下流股在结晶器下部形成携带能量的漩涡，两漩涡在射流产生负压区沿射流向上移动并长大，漩涡长大同时其携带的能量也逐渐增加，最后在水口底端的下方在高Reynolds应力作用下，湍动能的迅速耗散导致上回流的迅速增大所致。实验示踪结晶器内流股不稳定，出水口对称的流股在运动过程中其方向发生弯曲，如图2所示。
进一步研究发现，改变水口倾角、浸入深度等工艺参数均不能消除CSP结晶器液面动态失稳现象。
因此，双侧孔水口并不适合CSP连铸及其高效化生产，合理的CSP薄板坯连铸水口结构有待开发。
发明内容
本发明目的在于提供可以消除CSP结晶器液面动态失稳现象，并可获得较稳定的液面波动和内部流场的高效CSP连铸水口结构。
本发明通过水模型和数学模型为依据，并验证其合理性。经过计算和多次实验得以下两种水口结构可以有效抑制CSP结晶器内液面动态失稳现象，并且可获得较合理的液面波动和内部流场。
可抑制CSP薄板坯结晶器液面动态失稳的水口，其特征是采用三孔水口结构和四孔水口结构。
(1)三孔水口结构：如图3～5所示。其中：A，水口倾角；B，底开孔上部直径；B′，底开孔下部直径；C，水口底挡块长度；D，水口总长度；E，水口底端到水口出口上沿高度；F，扩角；G，水口宽度方向扩张角；d1，水口顶端外径；d2，水口顶端内径；d3，上水口外径；R1，出口上壁圆倒角半径；R2，出口挡块倒角半径；I，下水口外壁厚度；J，下水口内壁厚度；K，出口上沿外壁厚度；H1，上水口加厚部分；H2，圆内径部分长度；H3，上水口厚壁部分高度。尺寸范围：A，50～70°；B，φ22～φ30；B′，φ30～φ35；C，75～85mm；D，1045～1060mm；E，132～138mm；E1，80～90；F，9～12°；G，4～5°；d1，φ145～φ155；d2，φ75～φ80；d3，φ118～φ126；R1，14R～18R；R2，15R～20R；I，64～70mm；J，20～28mm；K，78～85mm；H1，125～130mm；H2，315～320mm；H3，25～30mm。
三孔水口结构可分散水口流股强度，合适的底孔结构可以有效的抑制侧流股形成的旋涡携带能量上移从而可以抑制液面动态失稳现象的发生，形成较合理的双回流流场。经过计算和实验验证，双侧孔水口底部开孔的三孔水口结构可以有效的抑制液面动态失稳现象，
(2)四孔水口结构。四孔水口结构示意图如图7～10所示，四孔水口结构中上水口结构与三孔水口结构d1、d2、d3、H1、H2、H3、D、G部分相同，头部结构为：L，水口底挡块长度；M，底孔间距；N，底孔长度；O，底孔宽度；P，下水口外壁厚度；Q，下水口侧开孔内腔厚度；L，165～175mm；M，38～45mm；N，38～42mm；O，20～28mm；P，65～75mm；Q，25～30mm。
四孔水口结构可分散水口流股强度，有效防止流场内能量的局部聚集和移动，从而结晶器内流场较稳定。实验证明发明所得四孔水口结构可以有效的消除液面动态失稳现象，形成稳定的上回流，液面波动合理、稳定。
本发明的优点在于：可有效的抑制CSP薄板坯结晶器内液面动态失稳现象发生，液面波动和表面流速稳定，结晶器流场内流股运动稳定。三孔水口流场如图6所示，瞬态液面波动如图12所示；四孔水口下结晶器器流场如图11所示，瞬态液面波动如图13所示；可消除液面周期性严重卷渣；均匀弯月面附近铸坯传热，进而抑制铸坯的纵裂纹等缺陷的产生。
附图说明
图1双侧孔水口结构下液面的瞬态波动特征。
图2双侧孔水口结构下示踪流股运动状态。
图3发明所得可有效抑制液面动态失稳现象的三孔水口结构主视图。其中：A，50～70°；B，φ22～φ30；B′，φ30～φ35；C，75～85mm；D，1045～1060mm；E，132～138mm；E1，80～90；F，9～12°；G，4～5°；d1，φ145～φ155；d2，φ75～φ80；d3，φ118～φ126；R1，14R～18R；R2，15R～20R。
图4发明所得可有效抑制液面动态失稳现象的三孔水口结构俯视图。
图5发明所得可有效抑制液面动态失稳现象的三孔水口结构左剖视图。其中：I，64～70mm；J，20～28mm；K，78～85mm；H1，125～130mm；H2，315～320mm；H3，25～30mm。
图6三孔水口结构下CSP结晶器内流场内流股运动状态。可见，三孔水口结构下结晶器内流场较对称。
图7发明所得可有效抑制液面动态失稳现象的四孔水口头部结构图。其中：L，165～175mm；M，38～45mm；N，38～42mm；O，20～28mm；
图8发明所得可有效抑制液面动态失稳现象的四孔水口三维图。
图9发明所得可有效抑制液面动态失稳现象的四孔水口上端俯视图。
图10发明所得可有效抑制液面动态失稳现象的四孔水口底端仰视图。其中：P，65～75mm；Q，25～30mm；其它尺寸同上(图3)。
图11四孔水口结构下CSP结晶器流场内流股运动状态。可见，四孔水口结构下结晶器内流场较对称。
图12水模型实验拉速5.0m/min时三孔水口下CSP结晶器内液面瞬时波动。(结晶器宽度1200mm，水口浸入深度250mm)
图13水模型实验拉速5.0m/min时四孔水口CSP结晶器内瞬时液面波动。(结晶器宽度1200mm，水口浸入深度250mm)
具体实施方式
在国内某钢铁公司CSP生产线上对以上发明的三孔水口和四孔水口进行了现场实验。其中：A，55°；B，φ30；B′，φ35；C，82mm；D，1060mm；E，138mm；F，9°；G，5°；H，φ118；I，27mm；J，65mm；K，82mm；L，168mm；M，40mm；N，38mm；O，21mm。
结晶器宽度1200mm，厚度60mm，常规拉速下(4.5～5.0m/min)浇铸ZJ330钢过程顺利，液面稳定。拉速4.8m/min时，铸坯纵向不同位置取试样进行大型夹杂物分析，铸坯内大型夹杂物较少，三孔水口下平均4.5mg/10kg，四孔水口下平均5.2mg/10kg，而且在铸坯拉坯方向分布较均匀，说明没有发生严重卷渣。相同工艺条件下使用发明三孔水口铸坯的纵裂纹发生率由原来的9％降低到2.4％；使用四孔水口时，铸坯的纵裂纹发生率由原来的9％降低到2.6％。