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查些垄兰罂圭誊耋 耋三 利用低频旋转电磁场控制浸入式水口内钢液的流动状态 摘要 在钢的连铸过程中，从浸入在结晶器内的浸入式水口的出流，影响结晶器内钢水的 流动状态。而结晶器内钢水的流场、温度场以及液面的波动等。直接影响钢坯的表面和 内部质量，并影响连铸的拉速但是浸入式水口内的钢液偏流往往难以避免。为改善漫 入式水口内的钢液偏流，获得结晶器内稳定、均匀的钢水流动，本研究提出利用低频旋 转磁场在浸入式水口中产生旋流，井进行了实验研究及数值模拟。 本研究从m a x w e l l 方程组出发，对旋转磁场中的电磁力进行了解析。在此基础上结 舍流体力学的n a v i e r - s t o k e s 方程，对浸入式水口漉场进行了的分析。 在实验研究中，设计了电磁旋流实验装置，应用低熔点合金进行了浸入式水口内的 流体旋流实验。通过控制旋转磁场电流的大小，及铡量没入式水口出口处不同位置处钢 液的温度，分析出了电磁搅拌对浸入式水口内流体流动状态的影晌。发现搅拌电流在大 于3 8 0 a 时才能使水口内产生旋流。 出于实验条件的限制，本研究无法直接测量浸入式水口内的流场分布，因此本研究 同时选用c f d - a c e + 数值模拟软件进行浸入式水口内电磁场与流场及二场相互耦合的 三维有限容积数值模拟。捐示了浸入式水口电磁搅拌抑制偏流的机理。并得到了不同电 磁参数( 电流o 5 0 0 0 a ) - 与电磁搅拌器结构参数( 相数( 二相、- k l i ) ，形状( 圆形、半圆形) ) 下的电磁场、流场，并分析了各个参数的影响，最后锝到优化的搅拌器电磁及结构参数。 关键词旋转磁场连铸结晶器浸入式水口旋流数值模拟 耋当苎兰罂圭兰耋 ! 耋 c o n t r o lo fi m m e r s i o nn o z z l ef l o wp a t t e r nu s i n gar o t a t - i n gm a g n e t i cf i e l di nc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s a b s t r a c t i nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s so f m o l t e ns t e e l i ti sw e l lk n o w nt h a tt h eo u t l e tf l o wf r o m t h ei m m e r s i o nn o z z l eh a sak e ye f f e c to nt h ef l o wp a u e mi nt h em o l d o nt h eo t h e rh a n d ，t h e f l o wp a l m t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h em e n i s c u sf l u c t u a t i o ni nt h em o l dh a v ea g r e a ti n f l u e n c e0 nt h es u r f a c ea n d t h ei n t e m a lq u a l i t yo f t h ei n g o t s ，a sw e l la so nt h ec a s t i n g s p e e d h o w e v e rt h eo c c u r r e n c eo f t h ed e v i a t i o no ft h eb u l kf l o wf r o mt h ec e n t e rl i n ei su n - a v o i d a b l ei nt h ei m m e r s i o nn o z z l e i no r d e rt oo p t i m i z et h ef l o wp a t t e r ni nt h em o l dan e w p r o c e s si sp r o p o s e di nt h i ss t u d y , i nw h i c h 蚰e l e c 在0 m a g n e t i c 蚰 r e ri sp l a c e di nt h ev i c i n i t y o f t h ei m m e r s i o nn o z z l et od e v e l o ps w i r l i n gf l o wi nn 0 2 翻ef o rt h eh o m o g e n e i t yo f t h eo u t l e t f l o w t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dn u m e f i c a ls i m u l a t i o nw e r ec o n d u c t e d ，r e s p e c t i v e l y i nt h i ss t u d y , t h el o r c n t zf o r c ei nt h ei m m e r s i o nn o z z l ei n d u c e db ya r o t a t i n ge ms t i r r e r w a sd e r i v e dt h e o r e t i c a l l yb a s e do nu s i n gm a x w e l l se q u a t i o n s a n dt h e nt h ef l u i df l o wi nt h e i m m e r s i o nf l o ww a sa n a l y z e db a s h0 nt h en a v i e r - s t o k e se q u a t i o n i n 也ee x p e r i m e n t s 吣e x p c r i m e n t a la p p a r a t u si sd e s i g n e df o rt h es w i r l i n gf l o wd e v e l o p m e r i te x p e r i m e n t sa n dl o wm e l t i n gp o i n ta l l o yw a su s e d t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h e r a d i a ld i r e c t i o ni n 也ev i c i n i t yo ft h em e n i s c u sa n di nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o ni nt h ev i c i n i t yo f t h em o l dw a l lw e r em e a s u r e du n d e rd i f f e r e ms t i r r i n gi n t e n s i t ya n dt h u st h ee f f e c to f t h ee m s o nt h es w i r l i n gf l o wi nt h en o z z l ew a si n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tt h ee m sc o u l dd e v e l o p as w i r l i n gf l o wo n l yw h e nt h es t i r r i n gc o i lc u r r e n tw a sl a r g e rt h a n3 8 0 ai nt h ep r e s e n te x - p e f i m e n tc o n d i t i o n i nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n , c f d - a c e + f i n i t ev o l u m ea n a l y s i ss o f t w a r ew a su t i l i z e dt o s i m u l a t et h e3 - d i m e n t i o n a lf l o wf i e l d ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dt h e i rc o u p l e df i e l db yu s i n g t h ef i n i t ev o l u m em e t h o d ，酗t h ef l o wf i e l di nt h ei m m e r s i o nn o z z l ec 幽n o tb ed i r e c n ym e e t s - u r c de x p e r i m e n t a l l y , t h ee f f e c to fe l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r ( c o i lc u r r e n t0 - 5 0 0 a ) ，s t r u c t u r e p a r a m e t e ro ft b ee ms t i r r e r ( p h a s e ：t w o - p k a s e 钟t e e e 口h 锯e ，s h a p e ：r o u n do rh a l f - r o u n d ) o n t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，t h ef l o wf i e l di nt h ei m m e r s i o nn o z z l ew e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h e o p t i m i z e dp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d i i 东北大学硕士论文目录 k e y w o r d s ：r o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d ，c o n t i n u o u sc a s t i n g , m o l d ，i m m e r s i o nn o z z l e ，s w i r l i n g f l o w ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n m 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我- n ：2 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：孟膏k 日期： 孑一6 、乡0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期t 导师签名： 签字日期： 主：! 查兰2 主箜耋芏= 主兰箜 1 1 引言 第一章绪论 在过去的二十年中，钢连铸已经成为一项非常实用的技术。近年来我国铸坯 产量继续大幅度提高，2 0 0 5 年连铸比大于9 0 ，连铸坯绝对量可望大于2 亿t a ， 居世界第一。 随着连铸技术的应用和发展，连铸坯的质量越来越受到重视，特别是由于用 户对钢材质量越来越高的要求及图际市场的激烈竞争。但是由于我图的连铸技术 并不是很成熟，工艺技术、设备装备、连铸相关技术、节能降耗和钢材质量等方 面同发达国家相比，仍有很大差距，其主要表现为：浇注销种少和钢材质量低，使 得普通钢材产量过剩，严重积压。而优质钢的生产能力低，严重短缺，不得不主 要依靠进口；连铸比低，生产效率不高，能耗大，环境污染严重。而且在薄板坯 连铸等对浇铸速度要求很高的工艺上我们还和连铸发达国家有着相当大的差距， 如何提高铸坯质量成为我们连铸生产中首要的问题。 连铸电磁搅拌技术是提高连铸质量与效率的重要技术之一，而连铸结晶器内 流动也对连铸坯质量及产量有重大影响。因此下面介绍电磁搅拌技术的发展应用 及连铸结晶器内流动控制对连铸坯质量及效率的影响及其研究现状，并着重介绍 通过改善漫入式水口内的钢渡流动来改善结晶器内流动的研究。 1 2 电磁搅拌器的原理及应用 电磁搅拌。即利用电磁感应产生的作用力来推动液态金属有规律运动的一种 工艺。电磁搅拌实质在于借助电磁力的作用来强化铸坯液相穴中钢水的运动，改 善钢水凝固过程中的流动、传热和迁移过程，达到改善铸坯质量的目的【l l 。 连铸的电磁搅拌技术因其能显著改善铸坯质量而在国内外受到重视并得到发 展与广泛应用。铸坯液相穴内的电磁搅拌就是通过外加电磁场对钢液的作用，在 钢液中产生感应电流，载流钢液在磁场中受到洛仑兹力的作用，使流动状态发生 改变。合理的搅拌器安装及搅拌参数选取可以获得合理的流动状态，从而在以下 几方面改善铸坯质量： ( 1 ) 改善钢液的流动状态有利于非金属夹杂物及气泡的上浮，降低铸坯内气泡 圭兰苎兰罂主竺耋 苎：! 竺耋 及夹杂物的含量。 ( 2 ) 抑制弯月面处钢水的波动，防止保护渣等外界杂质卷入结晶器钢液内。 ( 3 ) 降低钢水的过热度，均匀液相穴内温度场，防止液面温度过高或过低带来 的卷渣、结壳等现象的发生，有利于减少裂纹，提高铸坯的纯净度。 ( 4 ) 加强液相穴内钢水的对流运动，有利于打碎枝状晶，形成等轴晶，提高铸 坯的等轴晶率。减少中心偏析、中心疏松和缩孔，改普铸坯的凝固组织哪。 1 。2 1 电磁搅拌装置的工作原理 搅拌器按所利用的能量来分，可以分为感应型搅拌器、传导型搅拌器和永磁体 型搅拌器。连铸用电磁搅拌装置多为感应型，感应型电磁搅拌器按照磁场运动方 式可分为旋转磁场型和直线移动磁场型。 感应型电磁搅拌装置的工作原理与感应电动机类似。感应电动机的工作原理 为，当电动机的定予线圈通入三相交流电时，定子就产生一个旋转磁场，该旋转 磁场切割转子的闭合导体，导体内便产生感生电流，感生电流与定子的旋转磁场 相互作用，驱动转子旋转。 采用旋转磁场的电磁搅拌装置，实际上就是运用了上述原理：设计一个没有转 子的三相异步电动机定子，定子产生三相旋转磁场使未凝固的钢坯液芯像三相异 步电动机转子一样旋转，达到搅拌目的。 如果将电动机定子铁芯切开并展开成直线，即产生按正弦规律变化的行波磁 场，若改变通入三相绕组的电流相序，则行波磁场的移动方向也随之改变。直线 移动磁场的电磁搅拌装置，就是利用行波磁场切割铸坯，使铸坯内产生感应电流 并驱动铸坯内未凝固钢液运动，达到搅拌的目的吐 1 2 2 电磁搅拌技术的发展概况 连铸过程的电磁搅拌技术是7 0 年代迅速发展起来的。为了生产高质量的铸坯， 人们对在连铸机上应用电磁搅拌进行了大量的开发研究工作。 1 9 7 3 年法国的一家工厂率先在其所有连铸机上安装了电磁搅拌装置并进而投 入工业应用。此后，电磁搅拌技术在方坯和圆坯连铸机上的工业应用得到了迅速 发展，所使用的搅拌器多数是旋转型搅拌器，也有少数直线型搅拌器，继之又出 现了螺旋型搅拌器( 旋转搅拌与直线搅拌的组合( 如图1 1 ) 。搅拌器安装位置也分为 结晶内电磁搅拌、结晶器下电磁搅拌、二冷区电磁搅拌及凝固末端电磁搅拌f 如图 圭垩查兰錾主兰圭 芏= 主竺耋 及夹杂物的含量。 ( 2 ) 抑制弯月面处钢水的波动，防止保护渣等外界杂质卷入结晶器钢液内。 ( 3 ) 降低钢水的过热度，均匀液相穴内温度场，防止液面温度过高或过低带来 的卷渣、结壳等现象的旋生，有利于减少裂纹，提高铸坯的纯净度。 ( 4 ) 加强液相穴内铜水的对流运动，有利于打碎枝状晶，形成等轴晶，提高铸 坯的等轴晶率。减少中心偏析、中心疏松和缩孔，改善铸坯的凝固组织“j 。 1 2 1 电磁搅拌装置的工作原理 搅拌器接所利用的能量来分，可以分为感应型搅拌器、传导型搅拌器和永磁体 型搅拌器。连铸用电磁搅拌装墨多为感应型，感应型电磁搅拌器按照磁场运动方 式可分为旋转磁场型和赢线移动磁场型。 感应型电磁搅拌装霉的工作原理与感应电动机类似。感应电动机的工作原理 为，当电动机的定子线圈通入三相交流电时，定子就产生一个旋转磁场，该旋转 磁场切割转子的闭合导体，导体内便产生感生电流，感生电流与定子的旋转磁场 相互作用，驱动转于旋转。 采用旋转磁场的电磁搅拌装置，实际上就是运用了上述原理：设计一个没有转 子的三相异步电动机定子，定子产生三相旋转磁场使未凝固的钢坯液芯像三相异 步电动机转予一样旋转，达到搅拌目的。 如果将电动机定予铁芯切开并展开成直线。即产生按正弦规律变化的行渡磁 场，若改变通入三相绕组的电流相序，则行波磁场的移动方向也随之改变。直线 移动磁场的电磁搅拌装置，就是利用行波磁场切割铸坯，使铸坯内产生感应电流 并驱动锩坯内朱凝固钢液运动，达到搅拌的目的i ”。 1 2 2 电磁搅拌技术的发展概况 连铸过程的电磁搅拌技术是7 0 年代迅速发展起来的。为了生产高质量的铸坯， 人们对在连铸机上应用电磁搅拌进行了大量的开发研究工作。 1 9 7 3 年法国的一家工厂率先在其所有连铸机上安装了电磁搅拌装景并进而投 入工业应用。此后，电磁搅拌技术在方坯和圆坯连铸机上的工业应用得到了迅速 发展，所使用的搅拌器多数是旋转型搅拌器，也有少数直线型搅拌器，继之又出 现了螺旋型搅拌器( 旋转搅拌与直线搅拌的组合( 如图1 i ) 。搅拌器安装位簧也分为 结晶内电磁搅拌、结晶器下电磁搅拌、二冷区电磁搅拌及凝固末端电磁搅拌f 如图 结晶内电磁搅拌、结晶器下电磁搅拌、二冷区电磁搅拌及凝固末端电磁搅拌f 如图 2 主兰查兰璺圭耋圭苎= 圭竺至 1 2 1 。 图电磁搅拌的搅拌方式 f i g 1 1t y p e s o f e l e c 打o m v g n v f i cs t i r r i n g 7 0 年代。方坯结晶器电磁揽拌技术成为主要技术课题。最早是法国钢研院 ( i r s i d ) 在一家工厂用线性搅拌器在方坯连铸机上进行了工业性实验。实验表明， 电磁搅拌使铝硅镇静钢的皮下质量得到了改普。在实验中由于采用了低频电磁场， 提高了搅拌效率，并允许使用常规铜材料作结晶器。因而很快在生产实践中得到 应用。接着，圆坯的旋转揽拌的研究也取得了突破性进展，研究结果表明经搅拌 后的铸坯表面及皮下质量都有所改善。在对各种情况计算结果进行分析的基础上， 讨论了搅拌器的内径、长度、磁感应强度、激磁电流的频率、搅拌器沿长度方向 的安装位置对流场的影响。 豳1 2 电磁搅拌连锌技术 f i g 1 2t h et e c h n o l o g yo f e l o c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gj nc o n t i n u o u sc a s t i n g 圭些查兰罂圭竺耋 芏= 兰兰耋 板坯连铸机结晶器电磁搅拌技术开发较晚，因为板坯结晶器铜板远较方坯连 铸机厚且铜板有磁屏蔽作用，因此要使搅拌器磁场穿透铜板对钢水产生搅拌作用， 它必须具备低频、大功率的特点，但安装起来比较复杂。法国钢研院1 9 7 8 年在西 德迪林根( d i l l i n g e n ) f 的板坯连铸机上首先使用了电磁搅拌技术，其方法是在结晶 器宽面铜板后面的冷却水箱内装有线强产生竖直方向韵线性搅拌。经揽拌后发 现低碳铝镇静钢的皮下质量有明显改普。接着，日本的许多钢铁公司和钢铁厂在 板坯连铸机上也都采用了结晶器电磁搅拌装置。 9 0 年代间歇式高频搅拌器和多频揽拌器的相继问世使得搅拌器的选取具有更 大的灵活性。间歇式高频搅拌器通过外加间歇高频磁场对钢液的作用，抑制由结 晶器振动引起的弯月面波动，实验及数值模拟的结果表明：当间歇磁场与结晶器 振动同步，并在结晶器振动到最低位置时施加。搅拌效果最佳。 总之，近2 0 年来电磁搅拌技术不断发震和完善，对电磁力作用下铸坯内钢液 流动状态的研究也取得了很大进展，使之成为研究电磁搅拌对铸坯质量影响的重 要手段。 连铸电磁搅拌技本因其显著改善铸坯质量而受到关注并得到广泛应用。新的 电磁搅拌技术不断被开发、研制和应用。随着电磁搅拌技术的发展，对电磁力驱 动下钢液流动状态的研究工作也已有了长足的进展，应用磁流体动力学理论对电 磁搅拌作用下钢液流动进行分析已经成为研究电磁搅拌所产生的冶金效果的重要 手段。 1 3 结晶器内流体流动控制研究现状 随着对连铸坯质量要求的日益提高，严格控制钢液的洁净度，减小铸坯缺陷 已成为连铸生产中重要的工作。控制结晶器内流场是提高钢液洁净度和铸坯质量 的最后环节，结晶器内的流动状况直接影响着最终铸坯的质量。不合理的流场将 引起表面流速过大，弯月面波动加剧，造成卷渣或对凝固坯壳冲击过大，夹杂物 及气体难以上浮等一系列影响连铸顺行和铸坯质量的事故，严重影响连铸高效化 的实施。因此，研究连铸结晶器内的流体流动状态对指导连铸生产、连铸高效化 改造是非寡必要的。 1 3 1 连铸结晶器内流动存在的问题 铸坯的表面缺陷主要决定于钢水在结晶器的凝固过程，它是与结晶器内坯壳 东北大学硕士论文 第一章绪论 的形成、结晶器振动、保护渣性能、浸入式水口设计及钢液面稳定性等因素有关 的，必须严格控制影响表面质量的各参数在合理的目标值内，以生产无缺陷的铸 坯，这也是热送和直接扎制的前提条件【4 】。 造成铸坯表面质量缺陷的主要原因是： ( 1 ) 结晶器内钢液面波动过大，引起铸坯卷渣、裂纹等缺陷； ( 2 ) 浸入式水口结构尺寸不合适， 起夹渣、夹杂、裂纹等表面质量缺陷； ( 3 ) 吹气不合适，易增大皮下气泡、央渣等机率； ( 4 ) 保护渣传热性能不好，也是造成表面质量缺陷原因之一； ( 5 ) 结晶器中钢液偏流的影响。 从以上问题可以看出，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，而结晶器中钢液的偏流又是主要 的影响因素，它能引起结晶器内流动和温度的不均匀及液面波动，导致出现卷渣 加剧严重影响拉遮的提高结晶器中钢液产生偏流的主要原因： ( 1 ) 钢水是由钢包倒入中间包而进入水口中的，钢包的水n - 与0 t 入式水口在永 平方向上有一段距离，使钢水在水平方向上有速度产生，该速度使进入水口的钢 水在浸入式水口的横断面上分布不均，从而使水口出流的钢水产生偏流。 ( 2 ) 在连铸中一般使用滑动水口来控制中间包到结晶器的钢水流动，滑动水口 在实际连铸只开到实际截面积的2 3 ，从而对钢水的流动造成影响，在结晶器中产 生偏流。 ( 3 ) 钢水中存在较多的氧化铝等杂质，这些杂质在通过漫入式水口时黏附在水 口的内表面，逐渐长大结瘤。丽对钢水流动造成影响，形成偏流。 ( 4 ) 操作的原因，有时没入式水口的中心与钢包滑动水口的中心没有对准，也 会造成偏流。 可以看出结晶器中钢液的偏流是由于没入式水口内的偏流引起的。但是就目 前而言，水口偏流的问题还是难以完全解决。为此提出了许多的解决方案，比如 在中间包中安装阻力墙来减缓钢才( 的流速，优化浸入式水口等措施。在下一节中 将会对结晶器中钢液流动优化常用的措施进行介绍。 1 3 2 结晶器内流体流动的分析方法 纵观近期国内外专家学者在流体分析上的主要方法，主要有以下三种： 第一种：示踪方法。此方法是将放射性同素位( 如a u t e s ) 加入注流并注入结晶 器内，同位素由强制对流进入液相区，取铸坯片，做自由射线照射，可以区别出 圭兰垄兰罂圭竺圭 芏：三兰苎 强制对流区、自然对流区、停滞区。这种方法比较童观。 第二种：数学模拟方法。用数学模型对流体流动状态进行预测，再用实验加以 验证。这对于结晶器的设计和扩大实验有指导意义，同时对高温流体的研究比较 简单可行。这种方法得到了广泛的应用。 第三种：物理模拟方法。采用水模拟钢液在钢包、结晶器中的流动，有实用价 值。此方法简单便宜，可童接观察流体流动的速度、流场，并可测定停留时间、 死区等。它为设计结晶器浸入式水1 ：1 提供合理参数，主要采用相似原理。采用物 理模拟研究方法有观察法、高速照相法、刺激响应法、测速法等。物理模拟方法 也有缺陷，其缺陷是小尺寸模型易引起失真，物理量的测量比较困难，误差较大。 1 3 3 结晶器内流场的优化方法 为了能优化结晶器内的流场国内外许多专家学者致力与此项研究院并有所突 破。下恧讲述了几种主要的流场优化的方法。 1 电磁搅拌技术 如前面所述，连铸结晶器液体钢的电磁搅拌是改善铸坯质量的有效技术法国 钢铁研究院( i r s i d ) 的连铸电磁搅拌法q d a g b i e t o g u 原理是基于使方坯结晶器 内的钢水产生旋转运动n 通过围绕铸坯对称轴转动的水平磁场的作用使液体金属 旋转。旋转磁场是由安放在结晶器水冷系统外面的感应器产生的。感应器呈圆形 或方形，根据结晶器韵构造，感应器是双相或三楣供电。电磁搅拌法有以下的几 个作用： ( 1 ) 改善了表面质量。这是由于对流运动使悬浮在弯月面上的浮渣远离结晶器 壁，排除了浮渣对初生坯壳的影响，保证坯壳无表面央渣。 ( 2 ) 利于凝固前沿对流传热系数的增加，加速了钢水残余过热的消除，对流运动 打断的树枝晶头作为凝固核心。 ( 3 ) 改善铸坯的清洁度。相比于无电磁搅拌时出现针孔和皮下夹杂频率明显减 少。 2 喷吹氩气法 以前常用吹氢气搅拌作为盛钢桶钢水的净化处瑗手段。采用的方式是从上部 或底部通过透气耐火材料，把惰性气体吹入钢水中，以气泡上升作为造成钢液搅 拌的动力学条件，达到去除气体和夹杂物、均匀钢水温度和成分的目的。1 m 等人使用向结晶器内喷吹氩气来影响结晶器内流体流场，从浸入式水口内喷吹的 东北大学硕士论文第一章绪论 羹 v 豢 蕾i a ( a ) ( b ) ( b ) 育无电磁搅拌时皮下夹杂状况比较( b ) 有无电磁搅拌时针孔个数状况比较 ( 1 无电磁搅拌：2 有电磁搅拌) 图1 3 有无屯砒搅拌下冶金效果的比较 f i 9 1 3 e f f e c t s o f e m s i n c o n t i n u o u s c a s t i n g p r o c e s s 氨气最终从保护渣覆盖砸逸散。喷吹的氩气泡影响着流体的流动。他们使用数学 模型进行了计算并用水模型进行了验证，计算结果与物理模型吻和很好，研究结 果发现【6 l ： ( 1 ) 喷吹氩气泡改变了结晶器上部的流动模式，使上部回流中心上移，同时也使 冲击点上移，对结晶器下部影响较小； ( 2 ) 增大喷欢率或减少气泡尺寸都使流动情况的变化增大： ( 3 ) 气泡流动较容易很快离开结晶器。对流动情况影响较少但对液面扰动有较 大的影响： ( 4 ) 气泡的穿透深度大，增加了被带入坯壳的可能性，可能造成针眼： 至圭苎兰罂圭兰茎 = 坐 ( 5 ) 喷吹氩气使热量集中点上移，降低了热流峰值，将更多的热量带到结晶器宽 面和弯月面区域。 3 使用结晶器流场监控装置 a n d r z e j c w s k i 等人采用了一套结晶器流体流动监测系统。将四个传感器分别 放到结晶器之中测量流体流速以控制浸入式水口的结构、拉速、插入深度等操作 参数。当弯月面波动幅度大于5 m m ，弯月面波动速度大于li n m $ 时产生纵裂纹的 可能性很大，此装置就发出报警信号r “。 4 浸入式水口结构优化与其他工艺参数相配合 浸入式水口傈护渣浇注技术的出现，如同结晶器振动豹发明一样，为连铸技术 的发展带来了划时代的进步。它不仅具有防止注流和结晶器钢液面空气接触氧化 以及防止注流的喷溅的作用，而且还有改善结晶器润滑，提高结晶器传热效率的 功能。 浸入式水口是钢水从中间包进入结晶器的通道，它在保护钢流、防止钢水二次 氧化的同时，还改变着钢液在结晶器内的流动状态，采用结构合理的浸入式水口， 使钢液冲击深度减小，促进夹杂物在结晶器内上浮，并使高温区上移，有利于坯 壳的均匀生长，为保护渣的熔化提供热量。因此，优化设计浸入式水口，可改善 结晶器内的流场，从改善效果和成本的角度来看，优化设计浸入式水口也是极具 优势的。 钢液在浸入式水口侧孔两侧流出后在结晶器内形成的流场具有以下特征：钢 水通过浸入式水口进入结晶器中，形成明显的三个回流区域：自由射流区、水口下 部回流区、水口上部回流区嘲。销液从浸入式水口流出，到冲击结晶器窄面这一段 的流股为自由射流。自由射流就是当流体由喷嘴射入静止介质。而且周围介质和 射流为同一物质【9 】。流般撞击窄面后分为上下两个流股，上部回流区将对夹杂物的 分离排出产生直接影响，下部回流区比较大而且向下衰减，上下部回流区的大小 和强度取决于结晶器宽度、拉速、浸入式水口的结构。通过浸入式水i ：1 的结构优 化，以及与其他的工艺参数相配合可以调整注流在液相穴内的流动状况，对促进 钢中的气体和夹杂物的分离具有显著的效果。浸入式水i z l 的结构参数主要是指浸 入式水i ：1 的形状、水口张角、水口的侧孔与中孔的面积比、水i ：1 插入深度。他们 之间的优化组合可以大大地改善结晶器内的流场分布。 1 ) 浸入式水口的最新发展情况 在同本，通常采用带有吹气功能的浸入式水口以防止在连铸过程中的氧化铝结 瘤i l 。内部衬有无碳材料的浸入式水口则不必吹气。无碳材料能够防止氧化铝、 金属、碳的沉积；浇注中碳钢时避免产生裂纹( 具有低的热导率) ；浇注高碳钢时 圭兰查兰錾主笙耋 芏：三兰兰 具有高的抗侵蚀性。这种材料的应用不但可以阻止氧化铝结瘤，而且适用于浇注 高碳锶的高侵蚀性环境中。 在我国经过科研工作者的不断努力，已经在浸入式水口研究方面取得了很大 的成就，鞍钢研制成功非预热铝碳锆质浸入式水口。这种无需预热的浸入式水口 极具推广价值。冶金工业部钢铁研究总院发明了一种专利产品，即变径内螺纹浸 入式水口，属于连续铸钢的辅助装置，它为整体结构，其特点是在水口圆锥台型 的内壁上从上至下分布有1 5 个隧柱凹台，所述圆柱凹台的喜径比所述水口内径 大1 0 2 0 m m ，并且其直径从上至下逐渐变小，所述水口内表面中圆柱凹台占据的 位置之外，设计有内旋凹形或凸形螺纹，所述螺纹的深度或高度为3 6 m r n ，螺距 为i5 5 0 m m ，螺旋角1 0 。一3 0 。水口调节、收缩型、环形台阶式浸入式水口，以 及相对减小出口孔径等措施，对抑制水口不均匀的钢流量相当有效l 。 2 ) 存在的问题及解决方法 从水口出来的流股同结晶嚣窄面碰撞后分成上下两股。形成上下回流区，下 回流区中心距结晶器液面的距离为满心高度，其值直接反映流股的冲击深度。沿 结晶器窄面向上的流股到达渡面后由于具有一定速度而对弯月蘧冲击造成液面 波动。液面波动过大则易造成铸坯卷渣等缺陷，而过小则使弯月面处钢水更新慢、 易使渣和钢凝壳。 对于以上存在的问厥我们可以改进漫入式水口结构来解决。浸入式水口的结 构参数包括：水口内径、出口角度、底部形状、出口形状和面积等，它们是影响结 晶器内钢液流场的重要因素f ”】。( 1 ) 漫入水口的漫入深度对冲击点温度指标有极显 著的影响，对液面卷渣指标有较显著的影响( 2 ) 水口倾角是影响冲击点温度指标、 液面卷渣指标的主要因素。( 3 ) 永口内径是影响机械冲击指标的主要因素1 1 3 】。 经过各方面的实验得出结果：通过对浸入式水口的结构参数的改进可以对钢 水的流动产生有效的作用但是这种方法计算和实验都很复杂，并且需要对不同 的设备设计不同的漫入式水口，相对费用较高。 5 水口底部放旋转叶片法 $ h i n i c h i r oy o k e 等人采用在浸入式水口底部放置一个小旋转叶片来产生涡流， 利用重力势能造成流体流过旋转叶片而产生旋流来抑制结晶器内偏流的形成，控 制结晶器内流体流动【l ”。他们同时发现水口底部对形成回流并无实际的作用，这 意昧着水口流出的液体的方向可以被旋流产生的向心力所控制。他们通过研究得 出了以下结论： ( 1 ) 通过变换回流强度可以控制流体的模式和方向； ( 2 ) 可以获得在喷口出口一定距离之内的均匀速度分布： 查兰苎兰罂主兰圭 兰= 兰兰 ( 3 ) 相比于直筒形，更易于激活弯月面部分的传热传质； ( 4 ) 旋流有助于熔体中过热的分散； ( 5 1 旋流显著地降低了浸入式水口的吐出流的穿透深度。 日本的t s u k a g u e h i 等人进行了圆坯铸造过程中旋流浸入式水口处的伍德合金 实验，在实验中其分别验证了水e l 内加旋转叶片及结晶器外加旋转磁场情况下结 晶器内弯月面附近的钢永速度变化情况。实验证明当施加旋转叶片的时候弯月面 附近旋流的最大速度小于1 0 c m s ；旌加旋转磁场的时候弯月面附近旋流的最大速 度大于2 5 c r a s 。通过实验证明，在旋流式浸入式水口和m e m s 组合作用的时候， 沿着结晶器壁的上升流与没有m - e m s 作用的情况下保持一致。通过调整平键强 度，可以使m - e m s 和旋流在旋转的反方向组合在一起。这就意味着旋流式浸入式 水口的出口流动被限制在结晶器的上部而由m e m s 形成的旋转流动在结晶器下 部被微小的交互作用所分开u “。 r 本一公司开发的连铸用新型浸入式水e l ( 具有旋流的浸入式水口) 从2 0 0 0 年1 2 月投产以来逐渐扩大生产，现在月产量已达到4 0 5 0 t 。该水口是内部装有 独自旋转叶片的专利产品，可防止钢液的偏流，提高钢液的纯净度，还可确保高 速铸造的品质，其应用量逐渐增加。现在，新日铁的大分、名吉屋、八幡及住友 金属工业都在开展新产品实验应用。随着定形产品的逐步推行，其产量也扩大至 其生产能力的4 0 5 0 。 但是，这种在水口中加旋转叶片产生旋流的方法也存在着许多缺点：( 1 1 叶片 制造成本较高；( 2 ) 杂物附着在叶片上，容易阻塞水口；( 3 ) 由于钢水的冲击作用对 叶片造成破坏；( 4 ) 适应性不强，水口不同，所使用的叶片也不同。 1 4 本文研究的目的和主要研究内容 为抑制浸入式水口中钢水的偏流，从而改善结晶器内钢液的流动状态，本研 究参考在浸入式水口内放入旋流叶片在水口内产生旋流的研究，提出利用低频旋 转电磁场在浸入式水口中产生旋流。并进行了实验研究及数值模拟。 在实验研究中，我们设计了电磁旋流实验装置，应用p b s n - b i 低熔点合金模 拟钢液进行模拟实验。在实验过程中通过控制旋转磁场电流的大小，测量结晶器 浸入式水口出口附近的温度场，来间接考察外加旋转磁场对结晶器内钢液流动状 态的影响，并分析了电磁搅拌强度对水口内流动状态的影响。 但是由于实验条件的限制，无法直接测量没入式水口内熔融合金的流场分布， 从而揭示浸入式水口电磁搅拌抑制偏流的机理，所以本研究同时用数值模拟软件 东北大学硕士论文 第一幸绪论 进行浸入式水口内电磁场和流场的数值模拟。首先，进行了无低频旋转电磁场下， 浸入式水1 3 内钢液的流场数值模拟；然后，进行了低频旋转磁场条件下，旋转电 磁搅拌器内电磁场的数值模拟。最后，进行流场与电磁场耦合计算，模拟了低频 旋转电磁场条件下浸入式水1 ：3 内钢液的流场分布。分析了电磁搅拌器结构参数 ( 线圈相数、搅拌器形状) ，电磁参数( 电流强度) 对电磁场与流场的影响。最后， 得到了优化的搅拌器结构及电磁参数。 i 圭苎兰兰主兰耋 兰三主：! 耋盗兰苎量兰璧盘箜墨釜兰签 第二章低频旋转磁场电磁力的理论解析 本实验使用旋转电磁搅拌器对钢液进行搅拌，所以有必要了解旋转电磁搅拌 作用下钢液内电磁力的特性及其分布规律，这对予掌握旋转搅拌的作用机理，并 选取适当的搅拌作用下的相关参数，以达到预期的搅拌效果都有非常重要的意义。 2 1 旋转磁场原理简介 旋转磁场产生的电磁力( 也称为l o r e n z e 力) 计算根据f = ，口。电流密度，和 磁感应强度嚣遇过求解m a x w e l l 方程组而得到。 m a x w e l l 基本方程组如下； v 班川+ 詈 ( 2 1 ) v 肚一票 ( 2 2 ) 西 、7 v b = o ( 2 3 ) v d = q( 2 4 ) 式中，行为磁场强度，e 为电场强度，为电流，厶为位移电流，r 为时间。d 为 电位移，q 为电荷体积密度 为了对旋转磁场中的电磁力进行解析，下面将通过一个旋转磁场电磁搅拌的 理论分析模型来进行解析【1 9 1 。 如图2 1 所示z 方向上为无限长，半径为，导电率导磁率分别为盯、鳓的 导电圆柱，置于z 方向上同样为无限长极对数为t 9 的环形电磁搅拌器中。并且磁 场以的凫速度旋转。 由于假定在z 方向上为无限长，所以在本研究中f 不予考虑，式中r 表示径 向，0 表示切向。 电磁力在径向和切向的分量分别为： 圭兰苎兰罂主兰耋 苎三主釜鉴茎兰璧兰兰登i 竺墨釜竺堑 图2 1 旋转电磁场理论分析模融 f i g2 1m o l do f e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gw i t har o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d f r | 一j | b e ，f e 。j l b r m a x w e l l 力 程可简化为： 驴器t 一铡 竺：一三堡盟：丝 8 tra 口a fo r 昙c 蚰嚣= o 电流密度，：由下式得 j ：= 盯( e ：一v 日耳) 式中，为流体在口方向上的流速。 磁场强度与磁感应强度的关系是： b f = u o ht ；b e tp 甚eq 。1 0 ) 联立方程( 2 。5 ) ( 2 ，l o ) ，得到关于嚣，的徽分方程； 昙c 慨，+ 等斋c 嘎，= 去b 昙c 哦，+ 等姆，+ 专著c 啦) t ， 上式可通过引入圆柱体表面( 在r = 处) 的边界条件进行求解。磁感应强度b 在圆柱坐标下随时间及圆周方向星正弦分布。 回 国 却 亿 亿 g q 东北大学硕士论文 第二章低频旋转磁场电磁力的理论解析 因此，边界条件为： b a r = ) = b o r e e “。砷= b oc o s ( s t p o )( 2 1 2 ) 式中，r e 表示取复数的实部。而b ，、岛、：可表示为 b ：一塑e f ( m p e ) 岛：一睾岬m 咿 ，：= 一f 仃 p v _ a ) a e , ( “- p s ) ， 式中，f 为虚数单位，a 仅为r 的函数，并满足以下微分方程 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) r 2 了d2 a + ，争 ，2 ( 国一争+ p 2 】口= o ( 2 1 6 ) 上式可通过引入以下边界条件求解 口( ，：，0 ) ：i b o r o 口 ( 2 1 7 ) a ( r 2 0 ) = o f 2 i s ) 上两式分别由e q ( 2 z 2 ) 和e q ( 2 1 3 ) 得到，并且考虑到l p ：o ) ：o 。 b ，、b e 、，的物理值分别为表达式( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 的实部。因此，电磁 力分量只和e 为 只= 一r e j ：r e b o f 2 1 9 ) 乃2 r e j ，r e 耳 f 2 2 0 ) 上两式由式( 2 5 ) 参考式( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 可知c 和b 变化的角频率是2 。 在运动方程中用到的电磁力时均值为 耻一詈( 一譬) a i m a - r e n i m a ) ( 2 2 1 ) 瓦= 婴z r ( 一逝) ( r e 2 a + h z 口) (2黝r 东北大学硕士论文第二幸低频旋转磁场电磁力的理论解析 式中，口= d a d r 。 对于v 。= 0 的特殊情况，e q ( 2 1 6 ) 可由( 2 1o ) b e s 1 方程求解 同时，一f ，和i o 的解析解为 一f ，：一筚2 22 p + l 4 p 1 o r o 薹志2 n ) l n l 山4 “怠( p + n ) ! ( p + 、一”7 i 。鱼窭1 2 川磊【p + 删! 【p 1 + 2 哪! 州( 1 4 s 2 r 、2 , , 。：一盈墨。! ：亘嫂竺21 业! ! 型! 型! 二 2 肭薹赢协4 “篇( j d + h ) ! ( p + 2 吣j n ! 。1 7 式中，r ，为磁霄诺数( m 8 9 n 硝cb y n o l d sn u m b e r ) ，s 为无量纲半径。 = o j o r o j = 一 啊 f 2 。2 6 ) ( 2 2 7 ) 对钢坯液芯的电磁搅拌是在小矗。范围内，忽珞集肤效应( s “ne 丘b c o 。在这种 情况下，使用式( 2 2 4 ) 和( 2 2 5 ) 的零阶近似( n _ 0 ) 即可，并且，实际中只用于一对磁 极( p = 1 ) 的搅拌。n = o 且p = l 的电磁力表达式为 b 一甏r o 一渺啊3 ( 2 2 8 ) 劬o 8 ” 7 1 。 ”7 i - 肌2 , u o - - - - 元- 。= l 2 蝴1 上式在冠s 3 下较为准确，误差率为4 由式( 2 2 8 ) 及( 2 2 9 ) 可知在本研究条件下，掣= 竺了 l ，即旋转电磁力占 f ，t a o r 主导地位。且旋转电磁力与圆柱导电流体内的磁感应强度的平方成正比。与磁场 鬻 查兰苎兰竺主笙圭至三：釜茎鉴茎登兰皇壁盘竺堡耋笠堑 频率、导电率及