水口

为了提高生产效率，降低生产成本，高拉速连铸技术的开发与应用势在必行。但在连铸过程中，拉速的提高将会导致结晶器内流场的不稳定性与不对称性增大，进而导致铸坯出现保护渣卷入以及表面缺陷等质量问题，严重的甚至导致漏钢的发生。

浸入式水口（简称SEN）的结构参数很大程度上决定了结晶器内钢液的流场特征，因此通过优化SEN结构参数来得到合理的钢液流场是一种既经济又高效的途径。

SEN结构优化主要是通过优化其出口角度、底部形状、出口面积与形状等来实现。对于SEN水口出口角度与底部形状的优化，前人通过水模型试验进行了深入的研究：常规拉速下，水口倾角25°、平底、直径为40mm的圆形出口水口对于减少铸坯表面纵裂纹的发生概率，降低铸坯夹渣是最优的；高拉速下，上下角度为15°，底部形状为凹底的水口为最优。而在水口出口面积与出口形状的研究中，前人主要通过数值模拟的方法进行探究，得出了如下结论：Gupta将流股分为“旋转流股”（spinningjet）和 “光滑流股”（smooth　jet），研究表明出口总面积设计得比内径面积要大，是为了预留一定的氧化铝结瘤空间，但钢液通常只从SEN 出口的下端流出，而上端则产生负流区出现钢液倒流进入SEN的情况；Bai等人认为方形出口流股速度与负流区最大，易引起流场不对称，而矩形出口负流区与流股旋转角度最小；Najjar认为相同出口面积下，圆形出口下流股比矩形出口会产生更多的漩涡流，而方形出口的流股具有更大的湍流强度 ^[1]  。

水口出口形状对表面流速的影响

钢通量为3．20和4．48t/min时水口出口形状对平均表面流速的影响。可以发现：表面流速从水口中心处到窄面，均呈现先增大后减小的趋势，并且不同出口形状的表面流速从小到大依次为：椭圆形<矩形<方形，这与出口形状对平均波高的影响结果相一致。在高拉速下，椭圆形、矩形、方形水口的最大表面流速分别达到了0．33，0．38，0．42m/s。Kubota研究认为液面不卷渣条件是表面流速小于0．4m/s，为了减少实际生产过程中卷渣的发生，应确保表面流速小于卷渣的临界表面流速，故在高拉速生产中选用椭圆形或矩形水口能够减小保护渣卷入的可能性，从而提高铸坯与后续轧板的表面质量。

水口出口形状对流股速度分布的影响

在低拉速和高拉速下椭圆形、矩形、方形出口流股速度的分布，其中左右2个出口均建立在相同的坐标系下。由于试验是取点测量，并未能明确实际的边界条件，因此速度分布图只能显示测点以内中心部分的速度分布。在2种拉速下，水口同侧出口的速度分布均匀程度依次为：椭圆形<矩形<方形，同时不同出口形状水口的左右两侧流股速度的对称程度也为：椭圆形<矩形<方形。

通钢量为4．48t/min的高拉速下，不同水口出口形状下自由流股的竖直扩展角均遵循：椭圆形>矩形>方形的规律，并且椭圆形出口的流股是“旋转流股”，而矩形与方形出口流股则为“平滑流股”。这与Najjar的试验结论相似。在通钢量为3．20t/min的低拉速下也遵循此规律。

方形出口流股的扩展角与倾角最小，分别约为18°与17°，流股集中在出口偏下半部分处，而白线区域内的水口出口上半部分有大量空隙存在，这在实际浇注过程中容易引起该区域出现流体倒流进入SEN 产生较大负流区，造成水口结瘤。矩形出口流股的扩展角与倾角居中，分别约为25°与35°，出口处速度分布均匀程度较方形出口有所改善。椭圆形出口流股扩展角与倾角最大，分别约为39°与52°；为“旋转流股”，左边出口流股为顺时针旋转，右边出口流股为逆时针旋转，且旋转方向随着时间推移不断变化，因此在出口处流股较为分散，其流速分布最为均匀。GuptaD研究认为由于“旋转流股”具有较大旋转角度而有利于新进较高温度钢液与结晶器内较低温度钢液间的混匀，并且使射流具有较小的速度冲击窄面从而对凝固坯壳造成较小影响，故实际生产中椭圆形出口具有优势 ^[2]  。

水口出口形状对结晶器流场的影响

3种水口大致流股倾角均大于水口的设计倾角（15°），其中，椭圆形水口的流股倾角最大，均值达38°，流股冲击深度较深，形成的下回流十分发达，而上回流则相对较弱，液面较为平静；相反，方形水口的流股倾角最小，均值约为21°，流股冲击深度较浅，形成了非常发达的上回流，液面波动最为剧烈；矩形水口流股倾角居中，流股在撞击了窄面之后可以形成发达程度较为居中的上、下回流，液面波动情况也居中，这与前面平均波高和表面流速的试验结果相吻合，也与Bai，Honeyands等人的研究结果相一致。可能的原因是：当水口出口形状由矮胖型向瘦高型变化时，出口在竖直方向的导向作用越来越明显，引起流股的倾角逐渐变大，上回流的发达程度降低，同时流股在竖直与水平方向的扩展角度逐渐变大，流股由集中变得分散，冲击窄面之后的能量降低，因而自由液面的湍动能降低，表面流速与波动程度减小。

1）在通钢量为3．20和4．48t/min时，结晶器液面波动与表面流速都遵循椭圆形水口<矩形水口<方形水口的变化规律，在高拉速（4．48t/min）下，方形水口表面流速大于0．4m/s的临界表面流速而容易发生卷渣，而椭圆形与矩形水口表面流速分别为0．33和0．38m/s，其中椭圆形水口发生卷渣的概率较小。

2）矩形与方形水口的流股则为“平滑流股”，方形水口流股的扩展角最小，流股集中在出口偏下半部分处，浇注过程中易产生较大回流区发生水口结瘤；矩形水口流股扩展角、流股分散与均匀程度居中；椭圆形水口的流股为“旋转流股”，流股扩展角最大，流股分散，速度分布均匀。

3）椭圆形水口的流股倾角最大，形成的下回流十分发达，而上回流则相对较弱，自由液面最为平静；方形水口的流股倾角最小，形成了十分发达的上回流，这会导致液面波动和表面流速增大；矩形水口流股倾角居中，流股在撞击了窄面之后可以形成发达程度较为相当的上、下回流，自由液面活跃程度也居中。

4）在高拉速条件下，椭圆形水口条件下结晶器液面的平均波高为5．5mm，表面流速为0．32m/s，仍然有提高拉速的空间，且流股速度在出口处分布均匀，所以较优的水口出口形状为椭圆形 ^[3]  。