水口是指工廠在澆制模型時形成的框架與零件的結合部位。亦稱為“湯口”(澆口），意思就是熱化液態的材料流動的進出口。浸入式水口（簡稱SEN）的結構參數很大程度上決定了結晶器內鋼液的流場特徵，因此通過最佳化SEN結構參數來得到合理的鋼液流場是一種既經濟又高效的途徑。
基本介紹
- 中文名：水口
- 外文名：Nozzle
- 亦稱：湯口
- 釋義：熱化液態的塑膠流動的進出口
- 代表：浸入式水口
- 出口形狀影響：流股速度分布、結晶器流場等
介紹,相關影響,總結,
介紹
為了提高生產效率，降低生產成本，高拉速連鑄技術的開發與套用勢在必行。但在連鑄過程中，拉速的提高將會導致結晶器內流場的不穩定性與不對稱性增大，進而導致鑄坯出現保護渣捲入以及表面缺陷等質量問題，嚴重的甚至導致漏鋼的發生。
浸入式水口（簡稱SEN）的結構參數很大程度上決定了結晶器內鋼液的流場特徵，因此通過最佳化SEN結構參數來得到合理的鋼液流場是一種既經濟又高效的途徑。
SEN結構最佳化主要是通過最佳化其出口角度、底部形狀、出口面積與形狀等來實現。對於SEN水口出口角度與底部形狀的最佳化，前人通過水模型試驗進行了深入的研究：常規拉速下，水口傾角25°、平底、直徑為40mm的圓形出口水口對於減少鑄坯表面縱裂紋的發生機率，降低鑄坯夾渣是最優的；高拉速下，上下角度為15°，底部形狀為凹底的水口為最優。而在水口出口面積與出口形狀的研究中，前人主要通過數值模擬的方法進行探究，得出了如下結論：Gupta將流股分為“旋轉流股”（spinningjet）和 “光滑流股”（smooth jet），研究表明出口總面積設計得比內徑面積要大，是為了預留一定的氧化鋁結瘤空間，但鋼液通常只從SEN 出口的下端流出，而上端則產生負流區出現鋼液倒流進入SEN的情況；Bai等人認為方形出口流股速度與負流區最大，易引起流場不對稱，而矩形出口負流區與流股旋轉角度最小；Najjar認為相同出口面積下，圓形出口下流股比矩形出口會產生更多的漩渦流，而方形出口的流股具有更大的湍流強度。
相關影響
水口出口形狀對表面流速的影響
鋼通量為3．20和4．48t/min時水口出口形狀對平均表面流速的影響。可以發現：表面流速從水口中心處到窄面，均呈現先增大後減小的趨勢，並且不同出口形狀的表面流速從小到大依次為：橢圓形<矩形<方形，這與出口形狀對平均波高的影響結果相一致。在高拉速下，橢圓形、矩形、方形水口的最大表面流速分別達到了0．33，0．38，0．42m/s。Kubota研究認為液面不捲渣條件是表面流速小於0．4m/s，為了減少實際生產過程中卷渣的發生，應確保表面流速小於卷渣的臨界表面流速，故在高拉速生產中選用橢圓形或矩形水口能夠減小保護渣捲入的可能性，從而提高鑄坯與後續軋板的表面質量。
水口出口形狀對流股速度分布的影響
在低拉速和高拉速下橢圓形、矩形、方形出口流股速度的分布，其中左右2個出口均建立在相同的坐標系下。由於試驗是取點測量，並未能明確實際的邊界條件，因此速度分布圖只能顯示測點以內中心部分的速度分布。在2種拉速下，水口同側出口的速度分布均勻程度依次為：橢圓形<矩形<方形，同時不同出口形狀水口的左右兩側流股速度的對稱程度也為：橢圓形<矩形<方形。
通鋼量為4．48t/min的高拉速下，不同水口出口形狀下自由流股的豎直擴展角均遵循：橢圓形>矩形>方形的規律，並且橢圓形出口的流股是“旋轉流股”，而矩形與方形出口流股則為“平滑流股”。這與Najjar的試驗結論相似。在通鋼量為3．20t/min的低拉速下也遵循此規律。
方形出口流股的擴展角與傾角最小，分別約為18°與17°，流股集中在出口偏下半部分處，而白線區域內的水口出口上半部分有大量空隙存在，這在實際澆注過程中容易引起該區域出現流體倒流進入SEN 產生較大負流區，造成水口結瘤。矩形出口流股的擴展角與傾角居中，分別約為25°與35°，出口處速度分布均勻程度較方形出口有所改善。橢圓形出口流股擴展角與傾角最大，分別約為39°與52°；為“旋轉流股”，左邊出口流股為順時針旋轉，右邊出口流股為逆時針旋轉，且旋轉方向隨著時間推移不斷變化，因此在出口處流股較為分散，其流速分布最為均勻。GuptaD研究認為由於“旋轉流股”具有較大旋轉角度而有利於新進較高溫度鋼液與結晶器內較低溫度鋼液間的混勻，並且使射流具有較小的速度衝擊窄面從而對凝固坯殼造成較小影響，故實際生產中橢圓形出口具有優勢。
水口出口形狀對結晶器流場的影響
3種水口大致流股傾角均大於水口的設計傾角（15°），其中，橢圓形水口的流股傾角最大，均值達38°，流股衝擊深度較深，形成的下回流十分發達，而上回流則相對較弱，液面較為平靜；相反，方形水口的流股傾角最小，均值約為21°，流股衝擊深度較淺，形成了非常發達的上回流，液面波動最為劇烈；矩形水口流股傾角居中，流股在撞擊了窄面之後可以形成發達程度較為居中的上、下回流，液面波動情況也居中，這與前面平均波高和表面流速的試驗結果相吻合，也與Bai，Honeyands等人的研究結果相一致。可能的原因是：當水口出口形狀由矮胖型向瘦高型變化時，出口在豎直方向的導向作用越來越明顯，引起流股的傾角逐漸變大，上回流的發達程度降低，同時流股在豎直與水平方向的擴展角度逐漸變大，流股由集中變得分散，衝擊窄面之後的能量降低，因而自由液面的湍動能降低，表面流速與波動程度減小。
總結
1）在通鋼量為3．20和4．48t/min時，結晶器液面波動與表面流速都遵循橢圓形水口<矩形水口<方形水口的變化規律，在高拉速（4．48t/min）下，方形水口表面流速大於0．4m/s的臨界表面流速而容易發生卷渣，而橢圓形與矩形水口表面流速分別為0．33和0．38m/s，其中橢圓形水口發生卷渣的機率較小。
2）矩形與方形水口的流股則為“平滑流股”，方形水口流股的擴展角最小，流股集中在出口偏下半部分處，澆注過程中易產生較大回流區發生水口結瘤；矩形水口流股擴展角、流股分散與均勻程度居中；橢圓形水口的流股為“旋轉流股”，流股擴展角最大，流股分散，速度分布均勻。
3）橢圓形水口的流股傾角最大，形成的下回流十分發達，而上回流則相對較弱，自由液面最為平靜；方形水口的流股傾角最小，形成了十分發達的上回流，這會導致液面波動和表面流速增大；矩形水口流股傾角居中，流股在撞擊了窄面之後可以形成發達程度較為相當的上、下回流，自由液面活躍程度也居中。
4）在高拉速條件下，橢圓形水口條件下結晶器液面的平均波高為5．5mm，表面流速為0．32m/s，仍然有提高拉速的空間，且流股速度在出口處分布均勻，所以較優的水口出口形狀為橢圓形。
