（钢铁冶金专业论文）移动磁场作用下钢液湍流的大涡模拟及气液两相流行为的研究.pdf

，11 ，lli ad i s s e r t a t i o ni nm e t a l l u r g y l a r g ee d d y s i m u l a t i o no nt u r b u l e n c eo fm o l t e ns t e e la n d b e h a v i o ro f g a s l i q u i dt w op h a s ef l o wa f f e c t e db y a l t e r n a t i v em a g n e t i cf i e l d b yw a n gf a n g s u p e r v i s o r ；p r o f s h e nf e n g m a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 8 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。与我一同工 作的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谢 = t b 恩o 。学位论文作者签名：否露 日期：2 们g ，) 弓j 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： 导师签名： 签字日期： ： p 摘要 作为提高金属冶炼效率，改善产品质量的有效辅助手段，电磁场已在冶金领域得到 广泛发展。行波磁场与旋转磁场均属于移动磁场范畴。本文运用现代流体力学的方法结 合电磁场理论研究电磁场作用于冶金反应器内钢液流动的冶金特性，利用大涡模拟方法 ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n - l e s ) 揭示了不同磁场条件下冶金反应器内的流动规律。研究内容 及取得的主要结果包括： ( 1 ) 行波磁场作用下圆柱型反应器内液体的运动规律 行波磁场被广泛应用于改善金属精炼与凝固质量，但对行波磁场作用下金属传输行 为的认识尚不完善，制约了行波磁场的进一步应用。本文将描述行波磁场的麦克斯韦方 程与流体流动n s 方程相结合，建立了计算行波磁场作用下圆柱型冶金反应器内三维流 场的数学模型。通过对典型物理过程进行模拟分析，得到的结果与文献中提供的实验结 果吻合良好，证明了本模型和编制的计算程序的可靠性。数值分析结果表明：行波磁场 作用下圆柱型反应器内的主截面上形成了两个对称的旋涡。当径高比降低时，反应器内 的流场结构没有改变，为两个对称的旋流，形状由圆形变成长方形。当电磁力增大时， 轴向方向速度曲线则由平项变为尖顶的抛物线，并且电磁力越大，波项离底部壁面的距 离越近。 ( 2 ) 离心式中间包钢液流动的大涡模拟和物理模型试验 离心式中间包被用于特殊钢连铸工艺中，具有有效排除钢液中夹杂物的优点。但其 操作特性仍未被充分掌握。并且电磁驱动旋流的效率较低，对此提出利用弯水口增大离 心室内旋流强度的方法。采用自行设计的离心式中间包水模型装置，分析了旋流强度对 中间包平均停留时间、死区体积分数等的影响，并对磁场强度进行了参数研究。结果表 明：施加旋转磁场能显著地增长中间包的平均停留时间、缩小中间包的死区体积分数， 有利于夹杂物的去除；选择离心室出口面积为0 7 5 a 时、叶轮转数为4 6r p m 有利于改 善中间包内的流场。离心式中间包内液面下凹深度与叶轮转数的关系很重要。叶轮转速 越大，液面下凹深度越大，越可能发生卷渣；但叶轮转速太小，旋流的强度又不够，降 低了去除夹杂物的效率。通过拟合得到弯水口注流液面下凹深度和叶轮转速的关系式 为：h = 一3 1 7 x 1 0 7 n 3 + 3 6 8 4 x 1 0 - 5 n 2 0 0 0 0 1 5 2 1 n ，其中：h - h d ，h 为下凹深度， d 为离心室直径；n 为叶轮转数，r p m 。 发展了大涡模拟方法求解离心式中间包内三维湍流流场。考察了只有弯水口注流， 及旋转磁场作用下分别采用直水口、弯水口时离心式中间包内的流场结构和磁场强度对 离心式中间包流场结构的影响。结果表明：当磁场强度从0 0 0 1 t 增大到0 0 0 4 t 时，旋 流速度的最大值从0 0 1 2 m s 左右增大到0 0 4 m s 。随磁场强度的增加，旋流速度成线性 增加。磁场强度的改变对流场结构的影响很小；本文模拟条件下，旋转电磁力和弯水口 共同作用时可使由单纯电磁场产生的最大速度值增加约1 5 - 1 9 。并得到了试验验证。 ( 3 ) 旋流场内底吹气气液两相流运动行为的数理研究 喷气搅拌是炉外精炼中最广泛使用的技术，但突出的问题是氩气比较昂贵，且利用 效率低。对此提出利用旋转磁场作用于底吹气冶金反应器的方法。采用室温模型实验， 对冶金反应器内气液流动的混合特性进行了物理模型研究。结果表明：底吹气过程中施 加旋转磁场能显著缩短反应器内液体的混匀时间，细化气泡并延长气泡在反应器内运动 路程，更加高效地去除钢液中非金属夹杂物；选择吹气位置为0 5 r ，叶轮转速为6 0r p m ， 吹气量为o 1 7 m 3 h 为本试验的最佳值。建立了旋流场底吹气反应器内气液两相流动模 型。考察了底吹气位置和磁场强度对改善反应器内的流动形式和气泡运动行为的影响。 结果表明：无底吹气体时，冶金反应器内竖直截面的流场结构为四个对称的旋涡；无旋 流时，不断上升的气泡形成“倒锥形”的气柱。在旋转磁场( 磁感应强度为0 0 0 7 t ) 和底 吹气共同作用时，主截面的流场结构发生改变，即旋涡的数量增加，上升的气泡形成了 “螺旋状气柱”。当吹气位置离中心的距离从0 增大到0 7 5 r 时，气泡在冶金反应器内运 动的路程呈线性的增加，运动路程最大增加是无旋流时运动路程的1 5 4 倍；当磁场强度 从0 增大到0 0 1 2 t 时，气泡在冶金反应器运动的路程呈指数形式的增加，运动路程最 大增加是无旋流时运动路程的2 2 1 倍。 本工作中均采用f o r t r a n 语言，独自编程。采用有限体积法求解离散后的微分方 程。用s i m p l e c 法求解过滤后的非线性瞬态方程。利用a d i 法和快修正法离散求解 代数方程。 关键词t 大涡模拟；旋转磁场；行波磁场；离心式中间包；数值模拟；喷气搅拌； a bs t r a c t t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dh a sb e e nw i d e l yu s e di nm e t a l l u r g ya sae f f e c t i v ea u x i l i a r y m e t h o do fi m p r o v i n gp r o d u c tq u a l i t y , w h i c hw o u l di n c r e a s ee m c e n c yo fm e t a lr e f i n i n g r e s u l t ss h o wt h a tt h eu s eo f r o t a t i n gm a g n e t i cf i e l dc a l li n c r e a s ea v e r a g er e s i d e n c et i m ea n d r e d u c ed e a dv o l u m ef r a c t i o n ，w h i c hi sh e l p f u lt oe x c l u s i o nt h en o n - m e t a li n c l u s i o n t h e o p t i m u mc o n d i t i o ni nt h ee x p e r i m e n ti st h eo u l e ta r e ao fr o t a t i o nc h a m e ro fo 7 5 八a n d r o t a t i n gs p e e do f4 6r p m t h r o u g ht h ef i t t i n go ft h ed a t a , t h ee x p r e s s i o no fs i n kd e p t ho ff u i d l e v e lw i t hr o t a t i n gs p e e di sa sf o l l o w s ：h = - 3 1 7 x 1 0 7 n 3 + 3 6 8 4 x 1 0 。5 n 2 0 0 0 0 1 5 2 1 n ， w h e r e ：h = h d ，hi ss i n kd e p t ho ff l u i dl e v e l ，di sd i a m e t e ro fr o t a t i n gc h a m b e r ：ni sr o t a t i n g s p e e d ，r p m l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ( l e s ) m e t h o di sd e v e l o p e dt or e s o l v et h et h r e e d i m e n s i o n a lf l o w s t r u c t u r eo fc e n t r i f u g a lf l o wt u n d i s h i nt h ep r e s e n tw o r k s ，f l o wf i e l di nt h r e ec a s e sa r e s i m u l a t e da n da n a l y z e d ，i e t h es w i r l i n gf l o wi sp r o d u c e db y ( a ) e l e c t r o m a g n e t i cf o r c ew i t h t h ed i r e c tn o z z l e ( b ) b e n d i n gn o z z l eu s i n gh e i g h tp o t e n t i a le n e r g yo fm o l t e ns t e e l ( c ) c o m b i n a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea n db e n d i n gn o z z l e t h ee f f e c to fm a g n e t i cf i e l d d e n s i t yo nf l o ws t r u c t u r eo fc e n t r i f u g a lf l o wt u n d i s hi sc o n s i d e r e d r e s u l t ss h o wt h a tw h e n t h em a g n e t i cf i e l dd e n s i t yi n c r e a s e df r o m0 0 01tt o0 0 0 4 t ，t h em a x i m u mv e l o c i t yi n c r e a s e d f r o m0 012 m st o0 0 4 m s ，t h em a x i m u mv e l o c i t yi n c r e a s e dl i n e a r l yw h e nt h et h em a g n e t i c f i e l dd e n s i t yi n c r e a s e d t h ee f f e c to fm a g n e t i cf i e l dd e n s i t yo nf l o ws t r u c t u r ei ss m a l l ；t h e e f f e c t i v e n e s so fb e n d i n gn o z z l ei sv a l i d a t e db y15 一19 i n c r e m e n to fm a x i m u ms w i r l i n g v e l o c i t yi nr o t a t i o nc h a m b e rw h i c h h a v ev e r i f i e db yw a t e re x p e r i m e n t ( 3 ) t h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lr e s e a r c ho fg a s - l i q u i dt w op h a s ef l o wb e h a v i o rw i t h b o t t o mg a ss t i r r i n gi nr o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d a r g o ng a sb l o w i n gi st h em o s tu s e dt e c n o l o g yi nr e f i n i n g ，b u tt h ep o pp r o b l e mi st h a t a r g o ng a si sv e r ye x p e n s i v ea n di t se f f i c e n c yi sv e r yl o w i ti ss u g g e s t e dt h a tu s i n gr o t a t i n g m a g n e t i cf i e l dc a ne x t e n dt h eg a sb u b b l em o v i n gd i s t a n c ei nr e a c t o r t h ew a t e rm o d e li s d e s i g n e db ym y s e l fa n dm i x i n gc h a r a c t e ro fg a s - f l u i di nr e a c t o rh a sb e e ns t u d i e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h er o t a t i n gm a g n e t i cf i e l du s e di nt h ep r o c e s so fb o r o mg a ss t i r r i n gc a ng r e a t l y s h o r t e nt h em i x i n gt i m ei nr e a c t o r , r e f i n et h es i z eo fg a sb u b b l e ，e x t e n dt h eg a sb u b b l e m o v i n gd i s t a n c e ，e n l a r g et h ec o l l i s i o na r e ao fg a sb u b b l ea n dn o n m e t a li n c l u s i o na n di s b e n e f i c i a lt or e m o v a li n c l u s i o n t h eo p t i m u mc o n d i t i o ni st h ep o s i t i o no fn o z z l ea t0 5 r o t a t i n gs p e e da t6 0r p ma n dg a sq u a n t i t yo fo 17 m 3 h v a n dg a sb u b b l eb e h a v i o ro fr e a c t o ri sc o n s i d e r e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti ft h e r ei sn og a s s t i r r i n g ，t h ef l o ws t r u c t u r eo fm a i ns e c t i o ni nr e a c t o ri sm a d eo ff o u rs y m m e t r i c a lv o r t i c e s i f t h e r ei so n l yg a ss t i r r i n g ，t h es h a p eo fg a sp l u m ei si n v e r t e dc o n e ，w h e ng a ss t i r r i n ga n d r o t a t i n gm a g n e t i cf i e l da p p l i e dt o g e t h e r , t h ef l o ws t r u c 船eo fm a i ns e c t i o ni nr e a c t o rh a v e c h a n g e d ，w h i c ht a k e sm o r ev o r t i c e st h a n1 1 0g a ss t i r r i n g t h ec h a p eo fg a sp l u m eb e c a m e s p i r a la n dt h es h a p eo fg a sp l u m es i m u l a t e di st h es a m ew i t l lt h ee x p e r i m e n to b s e r v a t i o n w h e nt h ed i s t a n c eb e t w e e nr e a c t o rc e n t e ra n dn o z z l ep o s i t i o ni n c r e a s e d ，t h ed i s t a n c eo fg a s b u b b l em o v i n gi n c r e a s e di nl i n e a rf o r m i ft h ed i s t a n c eb e t w e e nr e a c t o rc e n t e ra n dn o z z l e p o s i t i o nc h a n g e df r o m0 t o0 7 5 rt h ec h a n n e ll e n g t hw t h i c hg a sb u b b l e sf l o a tt of r e es u r f a c e i sp r o l o n g e rt o1 5 4t i m e sa tm o s tt h a nw i t h o u ts w i r l i n gf l o w w h e nt h em a g n e t i cd e n s i t y c h a n g e df r o m0t o0 012 t ，t h ec h a n n e ll e n g t hw t h i c hg a sb u b b l e sf l o a tt of r e es u r f a c ei s p r o l o n g e rt o2 21t i m e sa tm o s tt h a nw i t h o u ts w i r l i n gf l o w t h ep r o g r a mi ss e l f - d e v e l o p e du s i n gf o r t r a nl a n g u a g e af i n i t ev o l u m em e t h o d h a sb e e nc h o s e nf o rt h i sc a l c u l a t i o no fc o m p l i c a t e ds y s t e m t h ef i l t e r e dn o n - l i n e a r s i m u l t a n e o u s e q u a t i o n s a r es o l v e d b yu s i n gs i m p l e ca l g o r i t h m ac o m b i n a t i o n o f a l t e r n a t i n g - d i r e c t i o n - s e m i i m p l i c i ti t e r a t i o ns c h e m e ( a d oa n db l o c kc o r r e c t i o ni su s e dt o s o l v et h ed i s c r e t ea l g e b r a i ce q u a t i o n s k e y w o r d s ：l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ；r o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d ；t r a v e l i n gm a g n e t i cf i e l d ； c e n t r i f u g a lf l o wt u n d i s h ；m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n ；b o t t o mg a ss t i r r i n g 。l 1 0 【一 一 v a 1 秒( x ) c 。 v t c k j k “i 勺 驴 厂( x ) ( 功 f ， f b o 主要符号列表 运动粘度 电导率 频率 台阶函数 s m a g o r i n s k y 常数 涡粘性系数 ，7 入 p q ( 力 q l k o l m o g o r o v 常数 口 总流量密度 a r 波值 c 。 过滤后的低通脉动速度 q 亚格子尺度雷诺应力 过滤后的剩余脉动速度 屯 通用变量 l 函数f i x ) 在谱空间的投影 么+ 贝x ) 过滤后的函数 体空度系数 无量纲电磁力 磁场强度 第一类贝塞尔函数 v 动力粘度 波长 密度 滤波函数 过滤的空间体积 物理空间滤波尺度 振幅 径高比 常数 扩散传导性 源项 截断滤波 扩散系数 常数取2 6 卡门常数 面空度系数 控制容积表面积 雷诺数 方程彳( z ) = o 的根 口 k 厶 s 踮 靠 液相密度 气相密度 气泡所受的重力 气泡所受的离心力 曳力 气泡瞬时速度 w m ，气泡滑移速度 直角坐标系下力f 的x 方向分量 直角坐标系下力f 的y 方向分量 含气率 曳力系数 气泡所受的浮力 附加质量力 液相速度 _ _ i a 已 r 口： v 坶 g p r r r u 晟 辱 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i v 主要符号列表v 目录 第1 章绪论l 1 1 炉外精炼技术的发展及现状一l 1 2 电磁场在冶金生产中的应用概况。2 1 2 1 概j i 苤2 1 2 2 电磁驱动控制技术的发展概况3 1 3 中间包在炉外精炼中的作用1 3 1 3 1 中间包冶金学1 3 1 3 2 中间包湍流控制器的发展与应用15 1 3 3 离心式中间包1 7 1 4 吹氩技术在炉外精炼技术中的应用18 1 4 1 钢包吹氩精炼。l8 1 4 2l f 炉精炼的钢水吹氩l9 1 4 3v o d 精炼的钢水吹氩1 9 1 4 4c a s ( o b ) 精炼的钢水吹氩。2 0 1 4 5r h 真空处理钢水吹氩8 锄羽。2 0 1 4 6a o d 的钢水吹氩。2 1 1 5 本课题研究目标及内容：2 l 第2 章冶金反应器内钢液湍流过程的大涡模拟2 3 2 1 湍流模型。2 3 2 2 大涡模拟。2 3 2 2 1 滤波函数2 4 2 2 2 大涡模拟的控制方程2 7 - 到 2 3 2 通用方程的离散1 雌1 0 5 1 3 3 2 3 3s i m p l e c 算法3 6 2 4 本章小结3 8 第3 章行波磁场作用下液体金属运动行为的数值模拟3 9 3 1 引言3 9 3 2 计算对象及网格3 9 3 3 控制方程4 0 3 4 求解方法及边界条件4 1 3 5 数值结果与分析4 1 3 6 本章小结4 4 第4 章离心式中间包的物理模型试验4 6 4 1 弓l 言4 6 4 2 离心式中间包试验装置4 6 4 3 试验方案及r t d 曲线分析5 0 4 3 1 试验方案5 l 4 3 2 停留时间分布的测定。5 1 4 4 试验结果及分析5 6 4 4 1 离心式中间包内流体流动形式的分析5 6 4 4 2 停留时间曲线分析。5 7 4 4 3 离心式中间包平均停留时间的分析6 0 4 4 4 离心式中间包死区体积分数的分析6 l 4 4 5 离心室内液体液面的下凹深度。6 2 4 5 本章小结6 3 第5 章离心式中间包钢液流动的大涡模拟“5 5 1 引言6 5 5 2 数学模型6 5 5 3 旋转磁场的计算公式6 7 5 4 求解方法及边界条件。6 9 5 5 数值结果与分析6 9 5 5 1 旋转磁场作用下的流场结构6 9 x ， 、7 5 5 2 只有弯水口注流时的流场结构7 l 5 5 3 旋转磁场结合弯水口注流时的流场结构7 3 5 5 4 磁场强度对离心式中间包内流速的影响7 4 5 6 本章小结7 6 第6 章旋流场内底吹气过程的水模型试验7 7 6 1 试验装置及相关设备7 7 6 2 试验方案设计。7 8 6 3 试验数据处理与分析。7 9 6 3 1 只有底吹气体时改变吹气量对混匀时间的影响7 9 6 3 2 只有搅拌器作用时改变叶轮转速对混匀时间的影响8 1 6 3 3 改变吹气量、吹气位置、搅拌叶轮转速对混匀时间的影响8 2 6 3 4 试验观察一8 6 6 4 本章小结8 7 第7 章旋流场内气液两相流行为的模拟分析8 9 7 1 引言8 9 7 2 数学模型的建立8 9 7 3 旋流反应器内的数值模拟结果及分析9 l 7 3 1 无底吹气时反应器内的速度分布9 1 7 3 2 无旋流时的速度分布和气泡运动行为9 1 7 3 3 旋流场内的速度分布和气泡运动行为9 2 7 4 本章小结9 6 第8 章结论。9 8 参考文献1 0 0 致谢11 0 攻读博士期间发表的论文1 1 l 作者简介1 1 3 _ 、 ， 一 ， 1 1 炉外精炼技术的发展及现状 科学技术飞速发展的今天，各行业对钢材质量和使用性能提出了更高的要求。钢的 成分控制范围越来越窄，洁净度要求亦越来越高，即尽可能降低钢中氢氮气体含量、硫 磷含量、氧化物含量、非金属及有害微量杂质元素含量等。此外，为了保证连铸工艺顺 行和多炉连浇，降低生成成本和提高劳动率，也要求降低钢中硫、氧含量，均匀钢液成 分和温度。 过去，特殊钢的精炼任务主要是在电弧炉内进行，由于渣钢间的接触面积小，反应 的热力学和动力学条件差，精炼时间长，导致钢液的吸气及炉衬侵蚀严重，因此造成一 些电炉钢的质量问题不能从根本上得到解决，尤其是出钢过程中钢液的进一步吸气和二 次氧化更降低了钢的纯净度【l 】，所以在浇注前对钢液实行一次炉外精炼是十分必要的。 生产高质量钢的要求促进了炉外精炼技术的发展，相关功能的精炼方法层出不穷 2 1 。 脱气、脱硫、脱磷、脱氧、微合金化、去除夹杂，调整钢液温度，均可在精炼炉中完成， 使得转炉炉外精炼工艺冶炼高质量钢种成为可能。 从6 0 年代初至今，随着连铸技术的发展和大量生产纯净钢生产体制的建立，炉外 精炼技术一直保持着恒定的增长势头，一种新技术的出现并得到迅速的发展，必然有其 技术和经济上的原因，炉外精炼法作为一项新技术也不例外。从技术上看主要原因有 3 1 ： ( 1 ) 对钢材质量日益苛刻的要求主要表现在纯洁度高，各向异性小合金成份范围窄等 方面。如石油管线用钢氮含量小于0 0 0 5 ，轴承钢中氧含量0 0 0 1 。如此低的杂质含 量，无论如何仔细的操作，传统炼钢方法产品的杂质含量仍将比上述水平高出几倍，甚 至几十倍。要达到如此高的产品质量必须通过炉外精炼来实现 4 1 。 ( 2 ) 世界炼钢生产中连铸比日益增长，炉外精炼在炼钢炉与连铸之间起衔接与缓冲作 用。特别是连铸对钢水成份、温度和纯净度要求极高，离开炉外精炼很难满足。 ( 3 ) 超高功率电弧炉快速发展。没有炉外精炼，超高功率电弧炉无法发挥优势。在炉 外精炼的配合下，超高功率电弧炉熔炼周期缩短到3 7 6 0 分钟。另外从经济方面考虑， 炉外精炼的出现提高了初炼炉的生产率，缩短了生产周期，提高了产品质量，降低了产 品成本。 e 壅i 垦盔堂盛堂焦迨塞 一 苤! 主垡迨 目前，炉外精炼作为完整、独立的生产工序与炼钢、连铸有机地结合、成为现代钢 铁生产的重要组成部分。在现代化钢铁生产流程中，炉外精炼的作用主要是【5 1 ： ( 1 ) 承担初炼炉原有的部分精炼功能，在最佳的热力学和动力学条件下完成部分炼 钢反应，提高单体设备的生产能力； ( 2 ) 均匀钢水，精确控制钢种成分； ( 3 ) 精确控制钢水温度，以适应连铸的生产要求； ( 4 ) 进一步提高钢水的纯净度，满足成品钢材性能要求； ( 5 ) 作为炼钢与连铸间的缓冲，提高炼钢车间整体效率。 为完成上述精炼任务，一般要求炉外精炼设备具备以下功能： ( 1 ) 熔池搅拌功能，均匀钢水成分和温度，促进夹杂物上浮和钢渣反应； ( 2 ) 钢水升温和控温功能，精确控制钢水温度； ( 3 ) 精炼功能，包括渣洗，脱气，脱碳，脱硫，去除夹杂和夹杂物变性处理等： ( 4 ) 合金化功能，对钢水实现窄成分控制； ( 5 ) 生产调节功能，均衡炼钢一连铸生产。 钢的连铸比及炉外精炼比可以衡量一个国家的炼钢技术的水平【6 】。近年来，我国钢 材生产的连铸比增加速度较快，但在钢的炉外精炼比方面，令人担心。虽然我国早在五 十年代，大连、抚顺、太钢即已建成了钢包真空脱气系统，七十年代以后，从欧洲和日 本引进了大批炉外精炼设备，并自行设计研制了d h 、l f 、v d 、v o d 、a o d 、c a s o b 等精炼炉，但直到目前，我国钢的炉外精炼比仍低于5 0 ，而日本转炉钢和电炉钢的炉 外精炼比都高达9 0 以上。为了使我国由一个钢铁大国变成一个钢铁强国，面对国际市 场严峻的竞争挑战，能处于不败之地，大力发展炉外精炼技术是当务之急。 1 2 电磁场在冶金生产中的应用概况 1 2 1 概述 电磁场技术应用于材料加工、冶金等行业，归功于研究电磁场与导电性流体之间相 互作用行为的电磁流体力学m h d ( m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ) 的发展。对金属流体施加电 磁场，根据电磁感应原理，可以在金属流体中产生电磁力的作用。电磁力具有以非接触 方式对金属流体产生加热、搅拌及制动等功能。1 8 2 3 年，法拉第就开始测量流体在磁场 一2 壅皇垦盘鲎盛鲎焦垒童笠! 主缝逾 中的流动。1 0 0 年后，q m u c k 提出了悬浮熔炼的专利。1 9 6 1 年l a n - g e n b e r g 提出交变 电磁场可以使钢锭的组织细化，揭开了电磁技术在冶金及材料加工领域应用的序幕。前 苏联是最早将电磁场的加热功能和电磁约束功能一同应用到金属加工领域的，g e t s e l e v 7 】 等人在1 9 6 9 年申请了铝的无模电磁铸造技术专利，并且由瑞士的a l u s u i s s e 公司在1 9 7 8 年把这项技术商业化【8 9 】。此外，a s e a - s k f 公司也由于运用电磁流体力学理论开发出 连铸电磁搅拌装置而受到世人的瞩目。1 9 8 2 年在英国c a m b r i d g e 举行的国际力学理论和 应用联合会议( i u t a m ) 上最早出现了关于电磁流体力学在冶金工业中应用的文章【l o 】。这 次会议对于推动电磁流体力学在金属冶金及加工工程领域的发展起到了积极地促进作 用。1 9 8 5 年日本钢铁协会电磁冶金委员会成立，标志着电磁冶金已经成为一门独立的学 科。1 9 9 0 年和1 9 9 4 年先后在日本召开了第六届国际钢铁研讨会和第一届材料电磁加工 国际会议，会议上材料电磁加- v ( e p m ) 这个术语首次被提出，这标志着e p m 时代的真正 到来n , 1 2 。此后，e p m 国际学术会议又在法国、日本等国召开1 1 3 , 1 4 】。从最近几次会议看 出，材料电磁加工技术已成为材料科学和制备领域内的重要研究方向，它己经从开始阶 段的改进传统工艺，发展成为开发新材料、新工艺的源泉i t s j 6 。 1 2 2 电磁驱动控制技术的发展概况 电磁搅拌技术是2 0 世纪7 0 年代产生并应用到生产实际中去的，主要是通过电流的 变化改变电磁力的大小。随着这一技术的深入研究，电磁场的频率、电磁场的电流波形 对电磁场的影响都被纳入了研究对象。 电磁驱动、控制技术是材料电磁加工的一个重要研究方向，它所涉及的研究问题主 要有以下几个万面： ( 1 ) 电磁场的选择。包括以下几个方面，频率：低频、工频、中频、高频、超高频； 磁场移动形态：旋转电磁场、行波电磁场和螺旋电磁场；电源：直流电，交流电；电流 波形：方波、变幅波形和变频波形、间断波形；磁场场源：线圈型、永磁体型； ( 2 ) 电磁力场的形态。由于上述多种多样的电磁场可供选择，就决定了产生电磁力场 的形态也各不相同，根据要求可人为地设计出二维甚至三维的力场；在金属熔体内改变 位置，根据需要设计出合理的电磁力分布； ( 3 ) 电磁力场的作用。利用电磁力场实现各种所需要的功能，如：金属凝固的微细化 处理；金属的电磁净化技术；连铸凝固进程控制、对流速场分布或弯月面的控制；对金 - 3 - 壅a 盘堂谴堂垡迨童一 釜! 主缱缝 属液流动和弯月面形状实时监控，达到对金属液表面和内部流动的控制。 电磁冶金学是- r - j 综合性的多领域的交叉学科，如果将其比作一棵大树的话，那么 材料学、电磁学、流体力学等便是这棵树的“根 ，形状控制、金属流体驱动控制，热、 质传输，凝固组织控制、高能束输出等则是这棵树的“干”，近年来，这棵大树生长得 埘枝繁叶茂”，并且“硕果累累 。现选择几种主要的电磁冶金技术，对其研究概况、 发展动态进行阐述。 1 2 2 1 电磁搅拌( e m s ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ) 技术 1 电磁搅拌技术发展历史及其电磁学原理 连续浇注金属液的设想是1 9 世纪由s e l l e r s ( 1 8 4 0 年) 、l a i n g ( 1 8 4 3 年) 、b e s s e m e r ( 1 8 4 6 年) 等提出的，1 8 8 7 年德国人r m d a e l e n 提出了类似于现代连铸的建议，包括上下敞1 2 1 的水冷结晶器、液态金属流的注入、二次冷却区、引锭杆、夹足辊及铸坯切割装置等设 备和工艺。但钢坯粘模及钢液拉漏现象极易发生，工艺极不稳定，难以实现大规模工业 化。直到1 9 3 3 年s j u n f h a n s 开发了结晶器的振动系统，才奠定了工业化大规模连铸工 艺的基础。不过直到此时连铸技术还仅限于一些低熔点的金属。钢的生产采用连铸技术 始于本世纪5 0 年代，7 0 年代以后钢的连铸技术得到了迅速发展，8 0 年代连铸技术渐趋 成熟，连铸水平、连铸比率成为衡量一个国家钢铁工业现代化程度的重要标志。电磁搅 拌技术应用于连铸生产始于本世纪6 0 年代末期，随着连铸比不断提高及用户对钢材质 量的要求日益严格，电磁搅拌技术在7 0 年代和8 0 年代逐步地应用到生产实践中。 各国科研工作者根据电磁力学原理发展了钢水的电磁搅拌理论。例如，1 9 8 3 年日本 名古屋大学浅井滋生教授发表了重要文章“电磁流体力学在冶金过程中的应用，【1 。7 1 ，文 中对电磁感应流的基本公式、电磁感应流的分析以及电磁力对凝固组织的影响进行了深 入的论述。在理论发展的基础上，成功地研制了非常有效的搅拌方法和高效率的搅拌装 置：将搅拌位置、搅拌方向、强度、频率等参数都控制在最佳的范围内，可将表面振纹、 裂纹、中心偏析、v 形偏析以及等轴晶率低等很多连铸缺陷大幅度减轻或消除【1 8 1 9 1 ，从 而使电磁搅拌技术成为能获得高质量铸坯的有效技术。 电磁搅拌的基本原理可以描述为：导电的金属熔体在交变磁场的作用下产生感应电 动势e ，进而存在感应电流j e ，由于磁通密度曰和感应电流j e 的交互作用，在金属熔体 内产生电磁力只并驱使其流动。上述过程可表示成公式( 1 1 h 1 3 ) ： 4 一 壅皇垦盘鲎谴堂焦迨圭釜! 主缝迨 v x e = 一萼 ( 1 1 ) 以= 吒( e + v x b ) ( 1 2 ) f = 以x b( 1 3 ) 2 电磁搅拌分类及其冶金效果 电磁搅拌按搅拌器安装位置可分为：结晶器内电磁搅拌( m e m s ) 、二次冷却区的电 磁搅拌( s - e m s ) 、凝固末端电磁搅拌( f e m s ) 。按照电磁力使金属熔体流动的方向可分为 旋转型搅拌和线性