中间包内电磁控流现象的数值研究Word文档格式.docx

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1前言

钢洁净度的持续提高是市场需钢量攀升的一重要因素,而从熔融钢中分离出夹杂物是实现冶炼超优质钢的一种方法。

中间包作为冶金的一容器，它在浇注时起缓冲的作用，同时，它还可以通过吸附夹杂物来精炼钢水。

而夹杂物在中间包内得以上浮却依赖于钢水的流动性。

钢水流动方式的电阻特性是衡量中间包内夹杂物上浮率的标准。

为了实现夹杂物的最大分离，研究人员建立了相应的电阻特性，而流动控制就是为了实现这种理想的电阻特性。

中间包内传统的控流设备是坝和堰，他们改变（提高）了钢水的流动特性，但却导致了中间包内钢水有效容积的减少。

湍流控制器是现代炼钢工业中应用最广泛的流动调节器，它可抑制钢水直接流向浇铸区。

RD.moralesetal.已经研究了湍流控制器具有抑制进水口产生湍流的作用。

设计一个有效的控流设备依旧是个挑战，它需要对中间包内的流动现象有充分的理解。

关于中间包内钢水的流动状态，研究人员做了多种多样的研究。

他们认为抑制钢水在浇铸区的流动有助于促进夹杂物的上浮。

Tripathi和Ajmani已经证实在靠近浇铸区区域发展回旋流能提高活塞流体积。

科技团体们研究希望通过有效的控流设备来得到理想的钢水流动方式。

用电磁力来控制中间包内钢水的流动是控流技术方面的最新发展，研究人员认为：

中间包内电磁控流系统的强冲击力能产生理想的流动方式。

然而，电磁控流系统的设计是个复杂的过程，它需要设计人员完全理解中间包内由电磁力控制的流动现象。

研究人员也做了各种各样的研究去理解这种电磁力控制的流动行为。

Votyakovetal用流动区域的磁障来理解电磁控流的复杂性，研究人员Manetal已经成功的为模型模拟了电磁流动控制过程，在中间包内设计一个有效电磁系统的挑战激励着我们去研究电磁控流设备。

对中间包内电磁控流现象的研究正在当前的工作中进行，此研究将促使一个具有创新性的电磁控流设备的发展，这种设备无坝之实，却具有坝之作用，因此，称它为电磁坝，且在当前工作中，正与湍流控制器进行比较分析。

2模型的发展

2.1几何描述

当前的工作在于研究电磁坝对改善中间包内钢水的流动特性所起的作用。

表1是一系列对当前工作的模拟，我们可以从中间包的不同视角去看电磁坝在当前研究中的应用。

图1的a，b，c分别是电磁坝位于四分之一个中间包内的不同位置时的俯视图，而图中电磁坝的位置数据有助于确定电磁坝处的磁场方向,而通过中间包的垂直剖面图（Fig.1（d）），我们也可以进一步看到外加磁场的磁场区域。

在Fig.1（d）中，电磁坝被编号1,2,3.它们厚50mm，而高则是中间包熔池高度的四分之一。

被数字标记了的磁场区域原则上与钢水从进孔流向出孔的方向相垂直，这在四分之一中间包的数值模拟中被证实。

Fig.（d）中的e图以图画的方式来描绘表1中例8所应用的磁场。

Figs.2（a）和2（b）分别是湍流控制器和电磁坝的尺寸模拟，我们可以用于比较分析。

表2所列出的是当前研究的操作参数。

2.

图1

2控制方程

三元的连续和动量守恒方程被用于计算中间包内的流场。

而详细的模型方程我们已在先前的文章中推出，在这里，模型假定：

电磁坝的磁作用仅仅局限在坝上，而其它大部分区域不受所用电磁场的影响。

如此假设的原因在于液态钢水具有较低的磁雷诺数且不一。

由Re<

<

1知：

感应出来的磁场相比与应用的磁场十分小。

所以，当应用的磁场被视为常数时，其它感应出的磁场可以被忽略不计。

因此，在电磁坝处，当前的模型将洛伦兹力纳入到momentum方程中。

表3给出了热电阻特性。

图2

2.3边界条件

长水口处的湍流强度为2%，因此将进水口流速规定为1.45m/s.其它的边界条件与先前发表的文章中所用的相似。

2.4计算方案

利用gambit软件将中间包中需计算的区域网格化，这种采用的数值方法与早前文章中提及的相似。

然后用fluent去解决那些离散的方程。

3验证模型

在文章中报道的实验数据证实了计算机方法的实验可行性。

同时，在先前的文章中我们也提到了计算机模拟与实验的相一致性。

研究人员通过分析hartmann问题的结果证实了磁流体力学方程的有效性。

相同的方法也被采用于去证实应用于当前工作中的磁流体力学模型且已被发表。

哈特曼流是一种连续不断的导电黏性流，它存在于有外加横向磁场的平行非导电通道内。

此流的控制方程于已应用于当前工作中的模型方程相似。

为得到哈特曼流，进口的钢水流速需保持在2m/s。

数值模拟的是哈曼特数从0到25的特定范围，这被定义为相对于非电磁力的电磁力速率，并且，哈曼特数越大则表示电磁力的强度越大，哈曼特流动的模拟结果与分析结果做了比较：

由图3（a）的模拟结果可见随着哈曼特数的增大所显示出来的速度分布，相似的速度分布也可以通过分析表达式得到且这已在前文中提到。

图3（b）是预测的速度分布同经过解析表达式计算而来的速度分布的比较。

4结果和讨论

对安装了有磁场优势了的多个电磁坝的中间包进行了三维磁流体力学和计算流体力学模拟，其结果是：

与以湍流控制器为控流设备的中间包相比而言：

图3

4.1安装有电磁坝的中间包内的钢水流动。

对安装了电磁坝的中间包内的钢水流动进行了分析。

电磁坝1可以从图1（C）中找到且图1（d）起初用于理解中间包内的钢水流动行为。

而电磁坝2，3则为了使钢水产生具有较好特性的流动。

从图4和5，我们可以看到仅用于了电磁坝1的这种流动方式。

图表4是有电磁坝和无电磁坝的中间包内流动方式的俯视图。

有电磁坝的中间包内的表面定向流矢量与无电磁坝的中间包内的向下定向流失量形成了对照。

然而，由电磁坝产生的流动方式的流动矢量强度要明显的高，从图4我们可以在浇铸区域附近看到由电磁坝引起的回流，这种回流会提升中间包内全混流的体积从而减少死区。

这种流动行为还可以通过研究图5中弯液面处的流动方式来进一步分析。

同样，由电磁坝引起的高流动矢量强度也可以在图5中观察到。

这种在弯液面的高流速是极不可取的，因为它很可能导致反向流动甚至形成一个小的漩涡，这种小的漩涡就可以从图5中看到。

虽然由电磁坝引起的这种流动方式具有理想流动方式的一些性质，但高的流速是其最大的缺点、

4.2中间包内电磁坝的磁场强度对流动方式的影响。

应用电磁制动力的大小是中间包内产生理想流动模式的关键，而制动力的大小却依赖于所用磁场的强度。

因此，这是我们感觉到电磁坝的磁场强度的作用需要被研究。

对中间包内不同磁强度的电磁坝进行了模拟，表1中的例2到6就是对细节进行了模拟研究。

图6展示的是电磁坝在不同磁强度下产生的流动方式的俯视图，从中可见，磁强度为0.1T和0.15T时，空包中所得的流动方式是极为相似的，然而，由于中间包内设有电磁坝，我们可以发现钢水多个流向中向下流动的在减少，进一步分析，这主要是由于电磁坝附近的钢流速度的降低。

从图6中还可以观察到：

随着磁强度的进一步提升，最终将导致钢流方向向着表面这一颠倒。

在高磁强度下，速度向量幅度的增加也可以从图6中看到。

表面的定向流动有助于促进夹杂物的上浮但速度幅度的增加远超最佳水平这对中间包是有害的。

图7是弯液面处不同磁强度下的流动方式的对照，读图可知：

随着磁强度的增加速度幅度也在增大。

钢液在弯液面处的高流速将致使钢液在此形成小的漩涡，从而扩大死区的体积。

在0.2T和0.3T的高磁强度下形成的漩涡可以从图7中观察到。

4.3有两个电磁坝的中间包内的流动方式。

产生于高磁强度下的表面定向流区域同时具有较大的速度向量幅度。

而这种速度幅度的抑制也渴望能利用高磁强度下的电磁坝所产生的流场来完成。

所以，有两个电磁坝的中间包内的流动方式被模拟（图1（d）中显示的为应用于模拟的电磁坝1和电磁坝2）。

从图1（b）和（c）中可以看到电磁坝1和2反向磁场的现象。

如果电磁坝的磁强度超过0.15T就会是流动反向——钢液向表面流动。

因此，这需要电磁坝2的磁场方向与电磁坝1的磁场方向相反。

电磁坝2的磁场就会产生抑制钢液流向表面的制动力。

所以，电磁坝2的应用有利于降低流动速度的强度。

图8

为研究应用了两个电磁坝后的效果，所以我们对表1中的例7进行了模拟，图8是例7模拟的流动方式的俯视图，且在这个平面上的流动矢量指向表面并在接近保护渣的地方形成漩涡。

而在保护渣附近发展旋转流有助于提高混合流体积（同时减少了死区）。

与例4到例6中的相比，例7的流动强度出现了降低，然而，在出口附近例7的流动速度规模却十分大。

为了提高活塞流的体积，我们需将出口附近的钢水流动速度降到最低水平。

图8（b）是中心流场的侧视图。

从长水口进入的射流其方向指向包底，然后再顺时针流动。

这当中底部钢水的流动速度很快而上部却很慢。

图8（c）是例7在弯液面处的速度场。

从中可以看到流动速度的强度并不一致且在弯液面处的速度依旧很高，并且最大的速度出现在弯液面的中心。

因此，在弯液面的中心强流会出现。

从图8（c）中间包的各个角上也可以看到漩涡。

，因此，例7中弯液面处的钢水速度依旧比理想的水平高，所以，为达到像湍流控制器那样的卓越性能，弯液面处的速度必须降下来。

4.4电磁坝与湍流控制器的比较。

在工业上，湍流控制器是众所周知的控流设备。

因此，电磁坝的性能在没与其比较之前，它的商业化应用是渺茫的。

对例7的研究表明：

虽然流动形式有所提高，但依旧没有足够的竞争力去替代湍流控制器。

高的弯液面速率是例7流场的主要缺陷，因此，在中间包中内设置电磁坝3就是为了降低弯液面的速度（电磁坝3在中间包内的位置可从图1（d）中看到）。

表1中的例8被模拟是为了证明电磁坝优越于湍流控制器，相比于电磁坝1和2，例8中电磁坝3的磁强度较低。

例8同湍流控制器在流场和钢水停留时间分布两方面进行了比较（表1中例9是对湍流控制器的研究）。

图9是湍流控制器和例8电磁坝的流场在XY平面的对照。

从中可以发现：

湍流控制器的流速在浇铸区域和表面附近都很高，而在其它主要区域相对较低；

而例8电磁坝的流场模拟流向更混乱，漩涡在浇铸区域出现，同时与例7相比，例8在靠近出口处的流速明显降低。

图10是例8和例9的流场在YZ平面（x=3.4）的对比，两者看起来相似，然而，例9的漩涡出现在包底的中心而例8的发现在包底角，因此，现场的机械设备往往会致使浇铸流附近的流动抑制。

为了进一步分析钢水的流动行为，我们对例8和例9在弯液面处的流场进行了对比，如图11.他们有共同的弯液面流场特征，但是，我们从图上也可以看出一

图9

些不同：

相比于电磁坝，湍流控制器左角处的漩涡尺寸要大，弯液面的速度要小。

电磁坝的性能究竟如何，对它的RTD分析起着结论性作用。

所以，对例8和例9进行了RTD研究，如表1.图12是两者的RTD曲线对照图，从图中可以看到例8和例9的电磁坝不同的峰值转变浓度,同时两者在峰值的下降也可以从图中作一比较。

RTD曲线中的这些不同表明例8中间包内死区体积的下降。

表4是所有实例的RTD曲线特性，相比于例9，我们可以从表4中发现：

例8的活塞流体积稍有增加，但死区体积明显降低。

因此，湍流控制器可以降低速度低于最佳水平，但从活塞到死区体积增加的比率上看，电磁坝的性能胜于湍流控制器。

图10

5结论

中间包内，由电磁力驱动的流动现象已通过数个模型加以研究，现将结论呈下：

•中间包内的流控能通过电磁坝来实现。

•单个电磁坝产生的流动行为与理想流动方式的特征相近，但出口附近和弯液面处的高流速