（钢铁冶金专业论文）连铸结晶器中流场优化与控制的物理模拟.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 现代连铸技术正朝着高效的方向发展，而高效的核心是高拉速条件下生产高质量铸 坯。随着铸坯拉速的提高，水口出流的流量和流速增加，如果控制不当就会造成冲击深 度增加、初生坯壳的冲刷加剧、坯壳厚度不均、表面振痕加深、夹杂物和气泡难以上浮 等一系列铸坯质量问题。为稳定高速连铸的浇铸过程，冶金工作者利用电磁场的力学特 性，开发了铸流约束、电磁搅拌、电磁制动等技术，通过电磁场的应用达到改善铸坯质 量的效果。本文在前人研究的基础上，采用物理模拟方法研究了旋流式水口在方坯连铸 结晶器上的应用和板坯连铸过程中气液两相流在电磁制动条件下的变化规律。 为控制小方坯连铸过程中水口注流冲击深度以及液面不活跃，本文提出在水口中段 安置电磁搅拌器，使水口旋转出流以降低注流钢液的冲击深度并形成上升回流，保证小 方坯连铸过程中液面熔渣和凝固坯壳的厚度，以及合金成分的均匀性。本文通过在连铸 水口的水力学模型内安置旋流叶轮来模拟水口电磁搅拌的作用，使模型实验中水口出流 呈螺旋状流态，并在此基础上，用超声波多普勒测速仪定量测量结晶器模型内液流的垂 直及水平速度，以此检验水口电磁搅拌的效果，优化工艺参数。结果表明：旋流式水口 有利于改善结晶器内的流场，可有效降低冲击深度，增大液流向弯月面区域的回流，使 液面形成水平环流，进而提高液面的活跃度，并增强钢液表面熔渣效果。 由于板坯连铸过程中水口吹氩造成结晶器内钢液流动控制成为一个非常复杂的过 程，目前关于结晶器内气液两相流的实验研究开展的工作很少，尤其是电磁场作用下结 晶器内气液两相流流场方面的工作更是付之阙如。本文采用水银氮气作为模拟介质， 采用电阻探针研究气泡在结晶器内有、无电磁制动条件下的统计规律。实验表明：无电 磁制动时，多数气泡能够达到液面下6 5 r a m ，结晶器窄面附近分布的气泡较多，且随吹 气量增加，弯月面处波差不断增加，最大达到9 5 m m 。施加电磁制动后，大多数气泡的 冲击深度为液面下4 5 r a m ，因此有效地降低了气泡在结晶器内的分布范围，同时冲击到 结晶器窄面的气泡也明显减少，弯月面处液面波差降低2 0 - 4 0 。 关键词：连铸，旋流水口，气泡，两相流，电磁制动 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g ha c t i v ec o n t i n u o u sc a s t i n gh a sb 戗x ) m et h et a r g e to fm o d e mp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y w h i l et h ec e n t e ri sh i g hc a s t i n gw i t hh i g hq u a l i t yp r o d u c t i o no ft h ec a s t i n gb i l l e t w i t ht h e i n c r e a s eo fc o n t i n u o u sc a s t i n gs p e e d , m o r ed r a m a t i ce n h a n c eh a sb e e na c q u i r e di nl i q u i ds t e e l f l u xa n ds p e e dt h o u g hs e n i fi ti sc o n t r o l l e di n c o r r e c t l ym a y b ei tc a nc 迓b s e dd e e p e ni ni m p a c t d e p t h , f l u s h i n gs e r i o u s0 1 1i n i t i a ls h e l l ，t h i c k n e s sd i s p 撕t yo ff r e e z i n gs h e l l ，o s c i l l a t i o nm a r k s i n c r e a s e , u n e a s yr i s i n ga b o v eo fi n c l u s i o na n da i rb u b b l e , s e r i e so fq u a l i t yp r o b l e ma r e g e n e r a t e d e l e c t r o m a g n e t i ct e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nc a s t i n gp r o c e s sf o rm a k i n g t h eh i g hs p e e dp r o c e s so fc a s t i n gs t a b i l i z ea n di m p r o v i n gq u a l i t yo fc a s tb i l l e t sb yu s i n g c h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r o m a g n e t i cm e c h a n i c s ， s u c ha s e l e c t r o m a g n e t i cc o n f i n e m e n t , e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e , e l e c t r o m a g n e t i cs t i r t h i sp a p e ru s i n gp h y s i c a lm o d e l i n gr e s e a r c h e dt h e a p p l i c a t i o no fs w i r l i n gf l o wn o z z l eo nb i l l e ta n dt h ef l o wf i e l do ft w op h a s ef l o wi n c l u d i n gg a s a n d l i q u i dh o w t oc h a n g ew i t he l e c t r o m a g n e t i cb r a k i n gf e m b 0o nt h eb a s eo fp r e d e c e s s o r s e f f o r t i no r d e rt oc o n t r o lt h ei m p a c td e p t ha n da c t i v i t yo fl i q u i dl e v e l ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r e rw a s 丘x e do ni n t e r m e d i a t ez o n eo ft h en o z z l em a k i n gm o l t e ns t e e lo u t f l o ww i t hs w i r l i n gf l o w ， r e d u c i n gi m p a c td e p t ho fm o l t e ns t e e la n df o r m i n ga nu pr e v e r s i n gf l o w a l lo ft h e s ew e r et o g e tt h em o l dp o w d e rm e l t e d , s h e l ls o l i d i f i e da n du n i f o r mc o m p o s i t i o ni nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n g o fs p e c i a ls t e e lb i l l e t t h i sp a p e rw a st os i m u l a t et h ee f f e c to fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gi n s u b m e r g e de n t r yn o z z l e ( s e n ) t h r o u g hs e t t i n gas w i r lb l a d ei ns e no ft h eh y d r o m e c h a n i c s m o d e t h i sm e t h o du s e dw a st oi m p a r ts w i r lt ot h ef l o w o nt h eb a s i co ft h i s ，t h ev e r t i c a l v e l o c i t ya n dh o r i z o nv e l o c i t yo fl i q u i dl e v e li nt h em o d e lw e r em e a s u r e d 咖u l t r a s o n i c d o p p l e rv e l o c i t y6 y d v ) t h ee f f e c t i v e n e s s o fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r e ra n da n a l y z i n g t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e rw e r ee x a m i n e d f o l l o w i n gi s s u e sw e r eo b t a i n e d ：( 1 ) s w i r l i n gf l o ww a s i nf a v o ro ff l o wf i e l di nm o l d ( 2 ) t h ed a s h i n gd e p t hc a nb er e d u c e de f f e c t i v e l y ( 3 ) t h e r e v e r s i n gf l o wa n dh e a tt r a n s m i s s i o no f m e n i s c u sw e r ee n l a r g e d ( 4 ) t h eh o r i z o nc i r c u l a t i n gw a s f o r m e ds ot h ea c t i v i t yo f l i q u i dl e v e la n dt h ee f f e c t i v e n e s so f m o l t e ns l a gw e r ei n c r e a s e d a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h er e s e a r c hw o r ka b o u tt w op h a s ef l o wi nm o l di sl i m i t e d i ti sm u c h l e s sa d d i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l d m e r c u r y - n i t r o g e nw a su s e da ss i m u l a t o ra n dr e s i s t a n c e 上海大学硕士学位论文 p r o b e sw e r ea p p l i e dt os t u d yt h eg a sb u b b l es t a t i s t i c a lb e h a v i o rw i t ha n dw i t h o u te m b r f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r ea t t a i n e d w h e nt h e r ew a sn oe m b r , m o s to f b u b b l e sc a nb et o o kt o t h ep o s i t i o n6 5 r a mo fu n d e r - l i q u i dl e v e l ；t h e r ew e r em a n yb u b b l e sa tn a l t o wf a c eo fm o l l l d ； w i t ha i rb l o wi n c r e a s i n g , t h el i q u i dl e v e lo f m e n i s c u sf l u c t u a t i o ni n c r e a s e da n di tc a nb e9 s m m a f t e re m b rw a s 印p h c d m o s to fb u b b l e so n l yc a nb et o o kt ot h ep o s i t i o n4 5 m mo fu n d e r - l i q u i dl e v e l ；t h eb u b b l e sc a n b ee f f e c t i v e l yd e c r e a s e da td o w n w a r dc i r c u l a t i o na n dn a r r o wf a c e t h el i q u i dl e v e lo f m e n i s c u sc a nb ed e c r e a s e d b yt w e n t yp e r c e n t - f o r t yp e r c e n t k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n p s w i r l i n g f l o wn o z z l e , b u b b l e , t w op h a s en o w e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e 1 1 1 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：雌日期：幽 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，i l p 学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 孵 导师签名：日期： 上海大学硕士学位论文 1 1 连铸技术的发展 第一章文献综述 尽管钢铁工业生产上大规模采用连铸技术只是近二十年的事情，但液态金属连续铸 锭的概念早在1 9 世纪中期就已提出。1 8 4 0 年s e l l e r s 获得了连铸铅专利，1 8 5 6 年转炉的 发明者b e s s e m e r 使用水冷旋转双辊连铸机浇铸出了金属锡箔、铅板和玻璃板，并获得 专利【l 】。真正奠定现代连铸技术基础的应是德国人s j u n g h a n s ，1 9 3 3 年他在一台浇铸铜 铝合金的连铸机上增加了振动装置，获得了比固定结晶器更好的铸造效果。十年之后 j u n g h a n s 建成了第一台浇铸钢液的试验连铸机【1 】为现代连铸奠定了基础。 与传统的模铸相比，连铸具有以下突出优点 2 1 ：简化生产工序；提高金属的收 得率；节约能量消耗；改善劳动条件，易于实现自动化；铸坯质量好。因此，连 铸技术得到了迅速推广和应用，成为继氧气炼钢之后钢铁工业中最重要的进步之一。现 代化的钢厂都朝着全连铸方向发展，连铸比成为衡量一个国家钢铁工业发展水平的主要 标志。在2 0 世纪9 0 年代，不少工业发达国家的连铸比已经接近1 0 0 t 3 4 】。图1 1 是截 至2 0 0 3 年国际钢协统计的主要产钢国家连铸比增长情况，这些国家的非连铸产品都只 限于压铸和一些难以连铸的特殊钢方面。 薹 髻 捌 图1 1 世界主要产钢国家连铸比 我国对连铸技术的研究和开发起步也比较早，但在6 0 年代至7 0 年代，我国连铸发 展缓慢，连铸技术落后。1 9 8 8 年我国第一次连铸工作会议上冶金工业部确定了“以连 铸为中心，以炼钢为基础，以设备为保证 的基本方针，连铸技术步入一个新的发展阶 上海大学硕士学位论文 段。图1 2 和1 3 表明了我国钢产量、连铸坯产量和连铸比及全国全连铸钢厂的发展情 况【5 1 。2 0 0 3 年上半年我国连铸比已达到9 4 3 6 ，除少数特钢厂外基本完成了淘汰模铸 的历史任务嘲。2 0 0 5 年我国粗钢产量达3 4 9 亿吨，连铸比为9 6 7 1 ，年产连铸坯 3 3 7 8 8 万吨。2 0 0 6 年粗钢产量达到4 1 8 7 8 万吨，连铸比增至9 8 5 7 。目前，我国拥有 的连铸机数量和连铸坯产量都是位居世界第一，连铸生产的连续性、稳定性和主要技术 经济指标达到国际先进水平，我国连铸技术装备和生产水平已进入世界先进行列。 近年来，由于钢铁工业受到环境保护、替代材料的竞争和成本限制等一系列挑战， 图1 2 我国钢产量和连铸比 1 3 0 1 2 0 l i c 1 0 0 = 8 9 0 0 基7 0 譬5 0 勰 3 0 2 0 l o o t9 8 51 9 8 71 9 8 91 9 9 11 9 9 31 9 9 51 9 9 11 9 9 92 0 0 1 图1 3 我国全连铸钢厂发展情况 连铸技术也必须向更高水平冲击。连铸技术未来的发展方向主要有【3 】： 1 ) 近终形连铸( n e a r - n e t - s h a p e ) ，这是连铸技术的基本发展趋势。它力求浇铸尽 可能接近最终产品尺寸的铸坯，以便减少中间加工工序、节省能源、减少储存 和缩短生产时间； 2 ) 高速浇铸，以提高铸机的生产效率； 3 ) 连铸高质量钢( 如高清洁度、表面质量与内部质量均达到要求) ，以满足对产 品质量不断提高的要求。 1 2 高效连铸的发展和问题 随着连铸技术的发展，高效连铸已成为当今冶金界研究的热点。高效连铸是以高拉 速为核心，高质量无缺陷铸坯生产为基础，实现高连浇率、高作业率的连铸系统技术。 高效连铸包括结晶器技术、振动技术、二冷区冷却技术、保护渣技术以及拉矫技术 等，其中结晶器是连铸机的心脏，有统计显示近8 0 的表面缺陷起源于结晶器叼。造成 2 上海大学硕士学位论文 铸坯表面质量缺陷的主要原因是：结晶器内钢液自由表面波动过大，引起铸坯卷渣、 裂纹等缺陷；浸入式水口结构尺寸或插入深度不合适、引起夹渣、夹杂、裂纹等表面 质量缺陷；吹气不适量，易增大皮下气泡、夹渣等几率；保护渣传热性能不好，也 是造成表面缺陷原因之一；钢水成分及过热度；结晶器锥度及冷却强度等对铸坯表 面质量也有影响。从以上出现的问题可以看出，影响铸坯质量及工艺顺行的关键问题大 部分与钢液在结晶器内的流动行为有着直接或间接的关系。随着拉速的提高，通过浸入 式水口注入结晶器的钢液流速和流量都显著增加，结晶器内的流场变得更加复杂，要实 现高效连铸，就需要改善并控制结晶器内的流场。 为控制结晶器内钢液的流动状态，人们开发如优化水口结构，稳定浇铸，结晶器内 的润滑和钢液表面控制等一系列技术研究，其中，电磁连铸技术尤其引人注目。 1 3 结晶器内流场的研究方法 连铸冶金过程是高温条件下作业，要在现场直接测量和观察结晶器内钢液的流场不 仅在测量技术方面有难度，而且研究费用很高，直接获得现场结晶器内钢液的流动状况 和温度场的信息是相当困难的。因此，人们普遍采用模拟的方法对结晶器中的流场行为 进行研究。 所谓模拟是指利用与研究现象或过程相似的模型来进行研究的方法。模拟手段可分 为数学模拟和物理模拟。数学模拟是指运用数学方法正确描述反应器内流体的流动与传 质等现象，建立数学模型，通过模型使得现象或过程再现，计算机技术的广泛应用使之 得到迅速发展。物理模拟使建立在相似原理基础上的一种研究方法，通过建立物理模 型，在不同规模上再现某个现象，进而对所研究的过程进行直接测量。 1 3 1 数值模拟 在最近几十年中，由于计算机技术的迅速发展，使用数值模拟的方法来模拟结晶器 内钢液的流动行为成为一个重要手段。数值模拟是基于计算流体力学、传热学、反应工 程学的原理，建立联立的与质量、动量、能量等物理量有关的数学模型，用数值方法求 解，通过数学分析，给出整个流场中各个变量的时空分布，进而分析冶金过程的速率和 效果。 3 上海大学硕士学位论文 在流体力学上可将钢液当作不可压缩的牛顿流体，无论是研究二维还是三维情况下 结晶器内钢液的流动，首先必须满足质量和动量守衡，即连续性方程和动量守衡方程。 连铸数值模拟过程中求解这些方程要结合一定的湍流模型，不同的研究人员采用了不同 的湍流模型，主要有：有效粘度模型f 8 】，单方程湍流模型【9 】，k - 6 双方程湍流模型【l o - 1 2 1 ，大涡模拟( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，简称l e s ) 1 3 - 1 6 1 ，直接数值模拟( d i r e c t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，简称d n s ) 【l o 】等。 上述的湍流模型中，d n s 模拟可以对湍流物理性质进行深入的了解，是最精细 的数值计算，可以对所有尺度的湍流运动进行数值模拟，具体计算时，最小的模拟 尺度应当小于耗散区尺度，就是说网格的尺度应当小于k o l m o g o r o v 尺度t 1 ，由于直 接数值模拟的网格尺度小，所以要求计算机的内存大，计算的时间长。在工程实用 上，往往只需要预测湍流的平均速度场，平均标量场和平均作用力。这一层次的数 值模拟可以采用雷诺平均方程，如k - 双方程湍流模型，这一模型将所有尺度脉动 产生的雷诺应力作了模型，因此网格尺度可大于脉动的积分尺度，或脉动的含能尺 度，网格的最小尺度由平均流动的性质确定。l e s 是介于d n s 和k - g 之间的数值模 拟方法。在相同雷诺数条件下，d n s 的网格尺度最小，所以要去计算机的内存最 大，计算时间最长；k - 双方程湍流模型的网格尺度允许较大，因此要求计算机内存 小，计算时间短；l e s 介于两者之耐1 丌。 1 9 7 3 年，s z c k c l y 和a s a i 率先利用单方程湍流模型和s p a l d i n g 的离散化方法， 编制程序模拟了方坯连铸结晶器中二维下的钢液流动现象【9 1 。1 9 7 4 年，l a u n d e r 和 s p a l d i n g 使用k - 双方程模型比较合理的解决了流场的数值计算【l l 】。b g t h o m a s 等 人基于k 吨双方程模型，利用二维数值模拟的方法进行了研究，考察了水口角度，铸造 速度，模型宽度，紊流参数对流场的影响，结果与利用水模型进行定量物理模拟的结果 相一致，并得出一个重要结论：如果模型高度小于3 米，模型的底部就会干涉循环流动 【1 8 1 9 1 。s k c h o u d h a r y 采用三维稳态模型对方坯结晶器内传热进行了模拟【8 ，2 0 1 。g b e r g e l e s 等对结晶器内自由液面的流动进行了数值模拟，研究了弯月面的波动及钢渣两 相界面流 1 2 2 。a t h e o d o r a k 利用稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程进行了数值模拟，研究了弯 4 上海大学硕士学位论文 月面处液面波动及钢渣界面两相流的流动状况【1 2 捌。b g r i m m 进一步发展了钢稳态模 型中的数值模拟，这个模型注意到了弯月面的波动，钢渣的运动以及凝固过程卿。 国内冶金工作者对连铸结晶器内流场数值模拟研究也进行大量的研究。大部分研究 者是利用商业化软件研究了连铸过程结晶器内流场、温度场、夹杂物的运动轨迹以及施 加磁场的条件下流场的交f 匕【2 螂1 1 。也有研究者采用自行开发的程序，计算结晶器内流场 的二维、三维模型，如雷霆等较早的采用s i m p l e 算法计算了结晶器内的流场，并采用 速度合成原理有效地定量研究了夹杂物在结晶器内的运动状态，分析了不同种类、尺寸 的夹杂物在结晶器内的行为及其在各区域的上浮情况【3 2 1 。贺友多等采用自编的程序软件 计算了结晶器内的流场，并率先采用三维流场和温度场对结晶器冶金过程进行了模拟【3 3 。 3 5 1 ，但是其模拟过程采用了结晶器的对称性，而根据n j l a w s o n 等人的研究发现结晶 器内的流场是不对称的。 尽管结晶器内紊流流动模型比较成熟，使用商业化计算软件或者采用自行编制的程 序可以帮助人们较好的研究并解决了一些工艺生产中的实际问题，然而，还要清楚地认 识到：冶金过程的物理现象是极其复杂的，很难精确模拟，冶金反应器的复杂形状，更 是增加了模拟的难度。 由此，数值模拟往往需要用物理模拟来验证其模拟的效果，进而使物理模拟在一定 程度上成为所选用的数值模拟方法的评价标准。目前用数值模拟和物理模拟相互印证的 方法来研究结晶器流场，更有益于搞清楚高温下金属液中的传输问题。 1 3 2 物理模拟 物理模拟是研究结晶器和其它冶金反应器的有效手段。本文所谈的流场物理模拟， 其实质是通过物理模型和有效的实验技术来实现流场测量。 建立物理模型，必须保证模型与原型之间的物理相似，包括：几何相似、运动相 似、动力相似和热相似等。几何相似就是模型与原型之间的对应角相等、对应长度成比 例。运动相似表示两系统的运动状态( 或流线) 相似，即各对应点的速度方向相同，大 小成比例。动力相似表示系统所受到的力相似，即当两系统相应时间、相应位置所受到 的力成一定比例时，它们相似。热相似是原型和模型的温度梯度相对应。由于实验条件 的限制，保证原型和模型之间的完全相似是非常困难的，必须采用近似模拟的方法，分 5 上海大学硕士学位论文 析哪些因素对过程起主要的、决定性的作用，哪些因素起次要的、非决定性的作用。对 前者必须加以保证，对后者一般作近似处理，有时甚至予以忽略。 流场显示技术是研究各种复杂流动的有效方法，其任务是使流体传输现象的过程可 视化，显示出来的流动图形既便于直接观察，也可用照相或摄影的方法记录下来，并可 结合现代化的流动测量技术，对流场的某些物理量进行定量测量。流动显示技术已有一 百年的历史，它是随着流体力学的发展而发展起来的嗍。结晶器中的许多流动现象，如 注流冲击、卷渣、夹杂物上浮、回流等，都可以通过流场显示进行研究，而流场测量技 术的现代化不但提供了各种流动的流谱，而且还可定量的测定数据。 d g u p t a 和a kl a h i r i 利用高速摄影技术，分别在不同的模型比例、水口直径、 出水口角度和拉坯速度条件下，观察了水模型中弯月面的波动情况，结果发现波动幅度 和出口速度呈抛物线规律，无量纲波幅与由入口速度决定的弗劳德数成线性趋乡驴7 。3 9 】。 h t h o m a s 和h j o e 利用l ：l 水模型，观察各种水口流动形式和表面波的振动机 制，他们发现尽管水口完全对称，稳定状态下的流动还是存在很强烈的振动。而且随着 拉坯速度的提高，出水口角度的减小，波幅增大，他们认为振动主要是由出水口的射流 冲击和模型内循环流动之间的相互作用形成的。另外他们还讨论了产生振动的各种原 因，结果表明在一定范围内，水模型和真实的连铸生产中，振动频率和置换率呈线性关 系，这说明斯特拉哈数( s t ) 是恒定的【加】。 h a n s - j u r g e no d e n t h a l 等人采用薄板坯l ：1 水模型和p 流场测量技术，在不同的 拉坯速度条件下，采用双曝光激光系统作为光源，通过调节曝光时间间隔来控制两幅图 像之间的时间间隔，并对示踪粒子、图像记录、图像处理、相关算法进行了探讨，同时 采用商业软件c f x 基于k - e 模型进行了数值模拟，结果与水模型的实验结果非常吻合 【4 l 】 o 英国的n j l a w s o n 和m 1 ld a v i d s o n 采用激光多普勒测速仪( u ) a ) ，粒子图象 测速仪( p ) 和c f x 4 软件进行了模拟，研究了在低s t 情况下，流场分别与模型宽 度、水口直径及模型几何比例的关系 4 2 】。 s a n c h e z p e r e z 等采用水气系统，利用p i v 对结晶器内的流场进行了系统的 测量，发现水口出口射流角度随气体流量发生较大的变化，在流场结构上涡漩中 6 上海大学硕士学位论文 心位置有明显的变化，同时气泡平均尺寸与气体流量和拉速也密切相关【4 3 ，州。h b a i 和b g t h o m a s 同样也采用水气系统，主要从水口区域两相流对结晶器内的 流场的影响角度做了系统测量，发现由于气泡的存在，与单纯的单相流情况比， 结晶器内的流场有了非常大的变化，甚至出现以往不曾注意到的漩流和非稳定性 4 5 - 4 7 】。由于钢氩气两相系统和水气两相系统在物理性质上差异是显而易见的， 关于能否将水气系统的测量的结果直接用于钢氢气系统，尚存争议【4 8 1 。近年 来，直接采用低熔点金属气体或者钢气体系统进行两相流的研究工作得到发 展，这主要从一些研究手段和测量方法的角度进行改进，比如i g u c h i 采用电阻探 针( e l e c t r o r e s i s t i v i t yp r o b e ) 对伍德合金【4 9 1 、水银【5 0 1 以及熔融钢液【5 1 1 和气体体系 进行了测量，可以获得两相流中气体相的分布和流动行为，但这些工作都是针对 底吹气搅拌过程来研究的。 国内岳峰，包燕平针对1 0 5 0 r n m x l 5 0 m m 断面的结晶器，建立了水模型，利用波 高测量仪研究浸入式水口结构、拉速、浸入深度等工艺操作参数对结晶器液面波动、流 股冲击深度及结晶器钢液面保护渣卷入情况的影响，比较不同水口结构参数和操做参数 条件下对结晶器内流场的影响，从而找出结构参数与工艺参数配合最佳的工况【5 2 1 。 东北大学雷洪、朱苗勇等人对结晶器内的流场进行了大量的研究。利用物理模型研 究了高拉速条件下结晶器内卷渣机理，分析了操作参数对结晶器流场的影响，提出了防 止卷渣的改进措施【5 3 5 5 1 。 陈永范通过大板坯连铸结晶器的水模型实验，研究了结晶器宽度、拉速、浸入式水 口倾角、水口浸入深度及水口吹气量等工艺参数分别变化时结晶器内流场的特性冈。 在国内，利用超声多普勒测速仪测量结晶器内流场的研究还没有相关报导。该测量 技术的原理是，超声波探头( 传感器) 发射出周期性脉冲超声波，并接收超声波束内随 流体运动的微小粒子反射的回波，通过检测回波的滞后时间和多普勒频率的变化规律， 就可以得出测点的位置和该处流体的流速【5 7 ，5 8 1 。由此原理可知，超声多普勒测速仪可对 沿探头发出的超声波方向的流体流速进行定量测量，而对该流体的透光性、导电性、粘 滞性等无限制。在满足探头耐热条件的情况下，上述方法可对伍德合金等低熔点金属的 流速进行实测。 7 上海大学硕士学位论文 1 4 结晶器内流动控制 结晶器内的流动受到钢液传输系统的影响，可以通过控制传输系统达到控制和优化 结晶器内流动的目的。 1 4 1 浸入式水口控制技术 连铸生产中，浸入式水口( s u b m e r g e de n t r yn o z z l e ，简称s e n ) 是引导钢液从中 间包到结晶器的通道。s e n 的主要功能包括：保护钢流，防止钢液的二次氧化；防止钢 液冲刷凝固坯壳，减少漏钢和拉裂；降低结晶器内钢液冲击深度，促进夹杂物上浮；有 利于结晶器内钢液温度的合理分布，保证液渣层的合理厚度；有利于初生坯壳的形成， 进而获得高质量铸坯。为控制结晶器内钢水的流动状态，人们通过优化水口结构、施加 外部电磁场和电磁力等手段，开发出许多行之有效的技术。 1 4 1 1浸入式水口控制技术的发展 目前工业生产中，不同的连铸坯型采用的浸入式水口的结构和形状也不同。板坯采 用双侧开口式水口，薄板坯采用扁水口，异形坯采用漏斗形直通式水口或者三开口水 口，方坯采用漏斗形直通式水口。 国内外冶金工作者进行了很多关于浸入式水e l 内钢液流动的模拟研究。s z e k e l y 等 人在1 9 7 3 年研究了直通式水e l 和双侧开口式水口对结晶器流场的不同影响 9 1 。n 萄j a r 等 人用数学模拟的方法研究了不同结构的双侧开口式水口对结晶器流场的影响，结果表明 水口出口角度，出口面积以及水口壁厚对结晶器流场有重要影响【1 9 1 。b a i 等人采用数学 模拟和物理模拟相结合研究了水口内吹氩气后结晶器的流场。结果表明，吹入气体后改 变了钢液出流角度，增加了液面波动，对结晶器流场影响显著嗍。 近年来y o k o y a 等人提出，在浸入式水口中段的一定高度上设置旋转磁场，使钢液 流过旋转电磁搅拌装置后形成旋流运动，由此控制钢液进入结晶器的流态【5 9 叫。y o k o y a 对该设想进行了水模拟研究，在浸入式水口内安装导流装置来控制水口出流和结晶器内 的流动，对传统水口和旋流水口进行了模拟比较。结果显示，旋流水口有利于改善结晶 器内流场。k h o l m a t o v 等人结合旋流水口和水口出口角度的变化对方坯连铸的流场和温 度场进行了模拟研刭6 1 】，而t s u k a g u c h i 将旋流水口用于板坯结晶器的连铸模拟研究中 8 圭堡查羔堕主兰垡堡奎 瞰1 ，目前该水口系统的技术思想和技术特点已获得业内认可，但对其旋转磁场搅拌器的 安装位置、效果，操作等应用问题尚缺少具体研究。 1 4 i 2 电磁旋转水口原理 在直通型水口区域施加一个旋转磁场，通过电磁力使得钢液在水1 3 中即jf 始旋转， 进入结晶器后仍保持旋转状态，如图1 4 所示。 剖l 电t 战辐水u 小息卣 根据麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程、欧姆定律和纳维尔斯托克斯方程可以描述金属熔 体在电磁场中的流动行为以及由此引起的冶会效应。此时，对于磁流体力学的麦克斯韦 方程为： 审。e = - 掣( 法拉第定律) ( 1 - 1 ) 甜 v 占= j 或vx h = j( 安培定律)( t - 2 ) v 占= 0 ( 磁场的连续条件) ( 1 - 3 ) 另外在介质流动的场合，欧姆定律町以写成如下的表达式： j = 口( e + “x 占)( 1 - 4 ) 式中，为电场强度，b 为磁感应强度( 磁通密度) ，j 为电流密度，“为流体流速， 口为介质的电导率，为介质的磁导率。 上海大学硕士学位论文 由于钢液的导电性，在旋转磁场的作用下，就产生切向的电磁力，同时根据流体的 性质可知，边界层任意微小的切向力就能引起流体的连续流动。所以，在磁场中的钢液 连续不断的旋转流入到结晶器中。 1 4 2 结晶器内流动控制 结晶器内流动控制主要采用电磁制动技术，结晶器电磁制动技术自从问世以来得到 了人们的关注，并且得到了长足的发展，是传统连铸和现代高速连铸的重要配套设备之 一，是生产高质量产品的重要技术之一。 1 4 2 1 电磁制动原理 电磁制动技术是基于一定构形的外加恒定磁场有阻滞导电流体流动和抑制湍流的作 用，是由磁流体力学( m h d ) 和冶金学结合开发而成。 电磁制动的原理如图1 5 所示郾】，从浸入式水口( s e 的两个侧孔出流的金属液流 以相当大的速度垂直切割磁力线，在金属流体内感生出电动势层，由此感生出感应电 流： j = 仃e = 仃u b( 1 5 ) 感应电流的方向、金属流体流动方向和外加磁场方向相互垂直，因此在金属流体内产生 与金属流向相反的电磁力，如式( 1 - 2 ) 所示。 f = j b( 1 6 ) 研究结果表明【6 q ：感应电流与磁场共同作用产生了与流场速度方向相反的电磁力， 从而形成电磁制动效应，电磁力是造成电磁制动的直接原因。电磁制动的结果使流股成 为分散的流动，产生附加的搅拌效应。借助这两个效应控制结晶器内钢水的流动，可使 整个结晶器内流体的速度有所减小，并易形成活塞流。 1 0 上海大学硕士学位论文 传统结晶器 i 电磁制动结晶器 图1 5 电磁制动原理示意图 1 4 2 2电磁制动技术的发展 电磁制动的发展经历了区域型电磁制动、单条型电磁制动和流动控制结晶器三代技 术革新。 1 9 8 2 年，由瑞典a b b 公司与日本川崎公司联合成功开发了第一代区域电磁制动装 置，这一装置是由分布在浸入式水1 ：3 两侧的局部磁场组成，如图1 6 所示【6 习。其磁场特 点是【嘲：有两个方向相反的局部磁场作用区，分别位于s e n 的左右两侧，俗称局部区 域。两个磁场作用区内的磁场方向相反，因此感应电流方向也相反，这使流股中感生的 电磁力始终与其流速反向，从而能使流股减速，进而降低钢液冲击深度，减小或消除高 温高速钢液对窄面坯壳的冲击，抑制凝固坯壳重熔或拉漏现象，并减轻液面波动，由此 降低卷渣和铸坯表面夹杂缺陷，同时可提高弯月面处温度5 1 0 。c ，改善初生坯壳的形 成条件，有利于提高铸坯的表面质量。第一代区域电磁制动主要缺点是嘲： ( 1 ) 钢水流经磁场的区域较小，产生的感应电流比较弱，制动效果比较弱； 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 磁场的作用范围有限，钢液容易流向水口下方无磁场作用区域，在两个磁极 之间形成主流沟，使钢流冲击深度的控制受到一定的影响； ( 3 ) 在制动区域内流速减小，而在制动区域外流速反而增加； ( 4 ) 在磁场作用区域外，在液穴的中心( 有时是在窄面的坯壳) 非金属夹杂物的 数量有所增加； ( 5 ) 其制动特性依赖于断面、拉速、氩气流量及浸入式水口形状等浇注条件。 图1 6 区域型电磁制动结构示意图 9 0 年代初期，由h o o g o v e n s 和s t a h l 研制出了单条型电磁制动装置，即第二代电磁 制动( e m b rr u l e r ) ，并取得了良好的冶金效果。图1 7 所示是e m b rr u l e r 装置示意 图，其磁场特点是在结晶器内建立覆盖整个结晶器宽度的水平磁场6 8 1 。它的冶金效果主 要有以下几点： ( 1 ) 抑制了水口出流对铸坯窄面凝固壳的冲击，减少了拉漏事故，缩短了下返流 的冲击深度，在水口下方形成活塞流，有利于a 1 2 0 3 等非金属夹杂物和气泡的上浮，从 而改善铸坯的内部质量。 ( 2 ) 钢液上返流对液面的冲击减弱，液面波动的幅度下降，对于抑制卷渣，提高 铸坯表面质量起到积极的作用，并对水口偏流的影响也有一定的抑制作用。 ( 3 ) 熔钢冲击深度减小，促进了结晶器上部的热交换，使弯月面区域的钢液温度 升高，从而有利于低过热度浇注的施行和铸坯中心等轴晶比率的提高。 1 2 上海大学硕士学位论文 ( 4 ) 具有良好抑制液流混合的功能，在不同钢种的连铸生产中，e m b rr u l e r 缩短 了铸坯混合段的长度，提高了金属的收得率。利用e m b rr u l e r 对混合的控制，新日铁 公司还开发出一种复层钢坯连铸的新工艺。 图1 7e m b r r u l e r 结构示意图 目前，第二代e m b r 己经得到人们的普遍认同，不仅广泛应用于传统形式的连铸过 程，在新兴的薄板坯连铸生产中，也正发挥着积极的作用。 第二代电磁制动装置受位置的影响较大，如果磁场位置与水口的距离稍远或水口出 流的角度稍不合适，就会影响制动效果，甚至造成只有下返流受到了抑制，而液面的波 动得不到控制眇，7 0 】。为此，川崎制铁公司又与a b b 公司合作，开发了第三代电磁制动 装置【7 0 】，即流动控制结晶器( f c - m o l d ) ，如图1 8 。该流动控制结晶器由上下两对条 形的覆盖结晶器宽度的磁极组成，上部磁极安装在结晶器液面处以控制液面的波动，下 部磁极安装在水口区域以控制下降流的冲击深度，从而完成对结晶器内流场的全面控 制。以高拉速条件下生产出的大板坯为原料生产冷轧薄板时，薄板产品表面缺陷的发生 比率也因此降低到原来的4 0 左右。东北大学材料电磁过程研究中心在流动控制结晶器 的基础上开发出新型流动控制结晶器，对上、下两个磁场可分开控制，增加了流动控制 的灵活性。 从结晶器的结构上看，对于高质量铸坯的生产、结晶器结构的改进和电磁制动形式 的变化，又都与一套庞大的电磁制动设备安装到结晶器内存在矛盾，一方面人们采用稳 1 3 上海大学硕士学位论文 恒磁场电磁制动技术，另一方面人们也开发其他形式的电磁制动或流动控制技术，如 行波磁场电磁制动技术( e m l s e m l a ) 。 幽l8f c - m o l d 结构示意图 行波磁场电磁控制技术就是把两对线性感应器放置在浸入式水口侧m 口处流股的整 个区域，因此能够产生的移动磁场方向与流股的方向相反，这种相对的切割磁力线的速 度更大，液态钢水中产生较强的感应电流，再与移动磁场作用产生与流股方向相反的电 磁力，从而对流股起到控制作用【7 ”，如图1 9 所示。采用行波磁场控制流场的优点包 括：根据连铸条件的变化，浸入式水口出流的速度对流股进行加速和减速，优化出口钢 液流速，减少铸坯中的非金属夹杂，改善钢液面的波动。 域，南线j 制 品器 c 一一j ! h4 0 ，。 图1 9 行渡磁场f 的结晶器内流 e m v ( e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e ) 是一种安装在具有上下两个出口的浸入式水口下出口 的横向直流磁场【训，如图1 _ 1 0 所示。e m v 具有很强的灵活性，可以适用于不同的连 紧 上海大学硕士学位论文 铸条件，当连铸条件发生变化时，通过e m v 调整浸入式水口内部的流场，改变上下两 个出口的流速，从而使钢液面的波动保持较佳情况，获得满足质量要求的铸坯。 乱无e m v 控制 b 有e m v 控制 图1 1 0e m v 控制流场的示意图 近年来又发展了全幅三段电磁制动。全幅三段电磁制动的基本思路为：其磁场结构 是使中间一段磁场的磁通量等于上下两段的磁通量之和，既减少上段的磁感应强