滑板在水口中以其准确控制钢水的浇注流量,易于实现自动控制,且操作简便、安全等优点,被板坯连铸机广泛使用。然而引入滑板控流系统后,由于滑板对钢液的抑制、挤压作用,使水口内的钢水出现挤压又突然扩展的现象,进而先后产生压缩、突扩、分离等流态,使浸入式水口内部、水口出口射流,以及结晶器内部的钢液流动变得十分复杂,在结晶器中形成非对称和非稳定流态,直接影响钢水中夹杂物、气泡等的去除效率和效果,同时对铸坯初凝壳的形成和均衡生长产生重要影响(如无规律或规律不明显的表面裂纹及局部漏钢等)。本文围绕滑动水口的浇注工艺,研究了不同湍流模型对水口内部和水口出口射流的适应性,以及不同连铸工艺条件下,水口出流和结晶器内钢水流动的流态、流速分布,及其物理特征;讨论了不同湍流模型对滑板控流的水口和结晶器内部流动行为和状态的预测能力,展示了标准k-ε模型和雷诺应力模型(RSM)的基本假定及特点,以及在计算连铸浇注和结晶器内钢水运动方面的适应性和准确度等问题;同时,采用水力学物理模拟和超声波多普勒测速等方法定量地研究了水口滑板在不同开度和/或水口部分堵塞的条件下,各工艺(如拉速)和结构参数(如滑板下方浇管长度)等对水口射流流态(如旋转或平直出流)、结晶器内非稳定/非对称流场、液面涡流及其形成规律的影响,其评价指标包括流速分布、液面水平流动、液流对结晶器窄面的冲击和冲刷强度与位置等。在此基础上,总结各种工艺和结构参数对板坯结晶器内非稳定/非对称流场的作用规律,为优化操作工艺、改善铸坯质量提供理论指导或参考。文中首先讨论了标准k-ε模型和雷诺应力模型(RSM)在模拟滑板沿垂直于结晶器宽面开启条件下,水口内部和水口出口射流特征的适应性,进而研究水口入口速度、滑板开度和水口浇管长度等因素对水口出口射流特征的影响规律。结果表明:与标准k-ε模型相比,RSM能够准确地预测水口出口射流的旋转特征,并与物理模拟实验中超声波流速测量的结果相一致,其计算准确度优于前者,具有较强的适应性;水口入口速度对水口出口的射流特征不会产生大的影响;在滑板开度小于35%时,滑板下方浇管内先后出现二次流和分离流,浇管较长(600 mm)时,水口底部出现自滑板堵塞侧经由水口底部向滑板开启侧流动的旋转射流,该射流的旋转方向与水口浇管长度有关,当浇管长度减小到400 mm时,射流的旋转方向与前者相比将发生逆转;在滑板开度为35~40%之间时,在浇管中的液流在流体惯性力、湍流脉动性和流线扩张效应之间出现动态平衡点,届时水口出口射流表现为对称/平滑出流;以后,随滑板开度增大,射流的旋转方向也随之改变,即滑板开度为40~65%的区间范围内,射流由滑板开启侧经由水口底部向滑板堵塞侧旋转,且该旋转方向不再受浇管长度影响;当滑板开度在65~70%之间时,水口内的液流面临第二个对称/平滑出流的动态平衡点,此后,随着浇管长度减小,水口内滑板所引起的扩张流指向滑板堵塞侧内壁方向的速度分量的作用逐渐增强,在浇管长度较小的情况下,将出现滑板开度小于35%时同向的旋转射流;而当水口滑板开度超过90%后,水口出口射流的旋转现象基本消失,液流表现为准对称/平滑出流状态。其次,文中讨论了湍流模型在不同滑板开启条件下对结晶器内部钢水流动的模拟和预测能力,并采用水力学物理模拟实验和超声波多普勒流速测量的方法研究多种操作工艺参数对结晶器内非对称流等的影响规律。这里,通过调节水口滑板的开度或部分堵塞水口出口来形成结晶器内液流的非对称流态,并根据物理模拟实验结果分析和总结滑板开度与水口堵塞度等对结晶器内非对称流场的影响规律。结果表明:(1)在滑板沿垂直于结晶器宽面开启条件下,水口的旋转出流使结晶器两边宽壁面附近及两侧的流动出现不对称,对此,RSM三维计算能够相对准确地反映结晶器上部的流态、流速分布和流动特征,但对结晶器下部的计算结果与物理模拟实验实测的结果仍有差距;在该种滑板开启方式下,水口出口一侧堵塞会对结晶器内流场的对称性产生严重影响。(2)在滑板沿平行于结晶器宽面开启条件下,其不全开启使水口左右两侧出流不平衡,呈现出两侧射流的冲击深度和射流角不对称,导致结晶器内流场呈现左右不平衡状态;对此,标准k-ε模型和RSM均能够计算和预测出结晶器内钢水的基本流动特征,而RSM的结果与物理模拟实验实测的结果更为接近,显示出其在模拟该类问题时的优势。(3)水口的浸入深度和结晶器宽度对结晶器内流场非对称的影响不大;增加拉速,可使水口两侧出流的冲击点位置上移,结晶器内流场的不对称度将减弱;另外,增加水口滑板下方的浇管长度,有利于消除滑板不全开启时水口出流旋转等非对称现象。最后,本文采用物理模拟实验和流速超声波实测研究板坯结晶器内出现液面涡流的规律和分布情况,以及连铸操作工艺对其的影响。在板坯连铸结晶器中,若液面流不均衡,水口两侧的液面来流(上回流)会在水口一侧某点相遇并发生剪切,形成旋转的流态,进而引发周围液流呈圆周运动,并在离心力作用下形成螺旋形水涡(又称液面涡流),该涡流是铸坯液面卷渣、吸气、二次氧化的主要原因。本文进行了不同工艺参数组合条件下的物理模拟实验,考察和分析工艺参数对涡流形成的影响。结果表明:形成液面涡流的原因,一是表面流的湍动性造成的水口两侧表面流动量不对称;二是操作工艺导致的水口两侧表面流不对称。在结晶器液面,涡流出现形式分为水口一侧单涡流、水口一侧双涡流和水口附近区域对角双涡流三类,均与水口周围的液流流态有关。涡流“强度”(文中用涡流直径和长度表征),以及涡流出现的频度均随表面液流的动量增大而增加,而连铸中增大水口浸入深度或增加水口出流的射流角度均有利于减小液面涡流出现的频度和强度。