近年来，随着现代设备对钢材性能的严格要求，大型圆坯连铸技术受到越来越多的关注。在连铸过程中，结晶器的流动和凝固行为对坯料质量有着至关重要的影响，而浸入式水口（SEN）的设计直接决定了钢水在结晶器中的流场分布及夹杂物去除效率。
尽管多端口SEN在提升热传递和夹杂物去除方面的潜力已被研究证实，但其在实际工业生产中的应用仍存在挑战，例如多端口设计可能导致壳厚不均和使用寿命缩短。此外，现有研究对多端口SEN在大型圆坯结晶器中的具体性能探讨不足，尤其缺乏全面的工业试验验证。
最近，北京科技大学的张江山教授及其团队通过数值建模和工厂试验，深入研究了三种不同SEN（单口、上倾四口、下倾四口）在大型圆坯结晶器中的优化设计。团队首先利用ANSYS Fluent和Maxwell建立了磁场、流场和温度场的耦合数值模型，分析了不同SEN设计下的流动、凝固及夹杂物去除行为。随后，在实际工业环境中，研究团队测试了不同设计的SEN对结晶器表面活性、壳厚均匀性以及夹杂物去除效率的影响，验证了四口SEN在实际生产中的可行性和优势。
相关研究成果以“Numerical Modeling and Plant Trial on the Optimization of SEN Designs in a Large Round Billet Mold”为题目发表于Metallurgical and Materials Transactions B 期刊2024年第55卷12期。论文作者为：Bangming Qin, Jiangshan Zhang*, Shufeng Yang, Xiaotan Zuo, Qing Liu*。
主要研究结果和结论如下：
四口SEN（上倾和下倾）的设计显著提升了结晶器表面活性，表面速度分别为0.087 m/s和0.065 m/s，显著高于单口SEN的0.001 m/s。
上倾四口SEN和下倾四口SEN分别使结晶器表面温度达到1774 K和1768 K，相较单口SEN（1766 K）提高显著。
单口SEN壳厚均匀性最佳，其标准偏差仅为0.16，而上倾和下倾四口SEN分别达到2.33和4.90。
四口SEN的夹杂物去除效率显著高于单口SEN，100 μm夹杂物去除率提升约18.53%。
工厂试验证实，四口SEN的腐蚀程度与单口无显著差异，同时在提升等轴晶比例方面表现更优。
该论文中共有图片21张、表格3个，部分图片和表格如下：
图1. 电磁搅拌器和结晶器的几何模型
图5. 不同SEN在结晶器Y-Z截面下的速度轮廓和流线
图6. 结晶器表面速度分布（无M-EMS）
图9. 不同SEN在结晶器Y-Z截面下的温度分布
图16. 工厂试验中使用不同SEN时实际结晶器的顶部视图
图17. 工厂试验中不同SEN的腐蚀情况
图19. 下倾四口SEN和单口SEN在圆坯等轴晶比例方面的对比
图2. 计算域的几何和网格
图3. 模拟速度结果的网格独立性分析
图7. 不同SEN在无EMS和150 A/2 Hz条件下的速度轨迹
图8. 不同SEN在结晶器Y-Z截面下的速度轮廓和流线
图10. 不同SEN设计下结晶器壁面的温度分布
图11. 在不同SEN设计下计算域内多个截面的温度分布
图12. 结晶器出口处液相分布
图13. 不同SEN设计下结晶器出口壳厚分布
图14. 不同SEN下夹杂物的平均停留时间
图15. 不同粒径夹杂物的去除效率（50 μm和100 μm）
图18. 不同SEN下圆坯的等轴晶比例对比
图20. 不同SEN下夹杂物的成分分布
图21. 不同SEN下夹杂物数量密度和典型夹杂物形貌
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