李　菲，王恩剛，許　琳，李　壯

(東北大學(xué)材料電磁過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110819)

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立式電磁制動(dòng)對(duì)不同水口角度下連鑄結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的控制

李菲，王恩剛，許琳，李壯

(東北大學(xué)材料電磁過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110819)

摘要:利用Fluent軟件模擬計(jì)算了常規(guī)板坯連鑄和立式電磁制動(dòng)板坯連鑄過程，詳細(xì)研究了不同水口出口角度結(jié)晶器內(nèi)三維流場(chǎng)，為評(píng)價(jià)立式電磁制動(dòng)技術(shù)的冶金效果提供理論依據(jù).研究表明:常規(guī)連鑄過程水口出口角度增加時(shí)，不利于夾雜物的上浮，影響鑄坯質(zhì)量;不同水口出口角度連鑄過程應(yīng)用立式電磁制動(dòng)技術(shù)后，自由表面鋼液流速、鋼液主射流的運(yùn)動(dòng)速度和下回流區(qū)的沖擊深度顯著減小，利于穩(wěn)定液面波動(dòng)、減少卷渣、防止漏鋼和促進(jìn)夾雜物的上浮，符合立式電磁制動(dòng)技術(shù)的設(shè)計(jì)思想.

關(guān)鍵詞:連鑄;電磁制動(dòng);數(shù)值模擬;流場(chǎng);水口出口角度

連鑄生產(chǎn)過程中，通過在結(jié)晶器寬面施加恒穩(wěn)磁場(chǎng)可以控制結(jié)晶器內(nèi)金屬液流動(dòng).電磁制動(dòng)技術(shù)作為一種成熟有效手段應(yīng)用于板坯連鑄過程可以明顯改善鑄坯質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)高速連鑄創(chuàng)造良好條件［1－3］.目前生產(chǎn)中主要應(yīng)用的是國(guó)外進(jìn)口的全幅一段和全幅二段電磁制動(dòng)技術(shù)，一種新型電磁制動(dòng)技術(shù)即立式電磁制動(dòng)技術(shù)( V－EMBr，Vertical－Electromagnetic Brake)在2009年的EPM國(guó)際會(huì)議上首次提出［4］，該技術(shù)區(qū)別于國(guó)外電磁制動(dòng)的磁極覆蓋整個(gè)板坯寬度范圍，采用條形磁極接近窄面豎直放置以控制容易產(chǎn)生表面缺陷和內(nèi)部缺陷的關(guān)鍵區(qū)域，如圖1所示.板坯連鑄過程大多采用浸入式水口( SEN，Submerged Entry Nozzle)澆注，從浸入式水口流出的鋼液射流將流向窄面然后形成上、下回流區(qū)，所以水口參數(shù)將直接影響結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)［5－6］.本文主要計(jì)算水口出口角度變化時(shí)應(yīng)用立式電磁制動(dòng)技術(shù)前和應(yīng)用后板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)三維流場(chǎng)，為研究立式電磁制動(dòng)技術(shù)的冶金效果提供理論基礎(chǔ).

圖1　立式電磁制動(dòng)技術(shù)Fig.1 Vertical－electromagnetic brake

1　數(shù)學(xué)模型

為便于計(jì)算結(jié)晶器內(nèi)三維流場(chǎng)做出以下假設(shè):鋼液的電磁特性是均勻和各向同性的，物性參數(shù)為常量;鋼液流動(dòng)是穩(wěn)態(tài)不可壓縮單相流動(dòng)并且對(duì)磁場(chǎng)分布的影響忽略不計(jì);液固界面為無滑移邊界，在壁面處速度為零;忽略振動(dòng)、已凝固的鑄坯殼和結(jié)晶器錐度對(duì)鋼液流動(dòng)的影響;忽略彎月面的存在，認(rèn)為液面是平面，不考慮保護(hù)渣的影響.

1.1控制方程

式( 1)－( 6)中，U為鋼液流動(dòng)速度，m·s－1; Ui、Uj為xi、xj方向上的流體流動(dòng)速度分量，m·s－1;ρs為鋼液密度，kg·m－3; P為鋼液壓力，Pa;μeff為有效黏性系數(shù)，kg·m－1·s－1; Fm為電磁力，N·m－3; μ1為分子黏性系數(shù)，kg·m－1·s－1;μt為湍流黏性系數(shù)，kg·m－1·s－1; gi為i方向上的體積力，m·s－2;μ為鋼液的動(dòng)力黏度，kg·m－1·s－1; k為湍流脈動(dòng)動(dòng)能，m2·s－2; Gk為湍動(dòng)能k的增長(zhǎng)率;ε為湍流動(dòng)能耗散率，m2·s－3;系數(shù)C1ε、C2ε、Cμ、σε及σk分別為1.44、1.92、0.09、1.3和1.0［8］;系數(shù)f1、f2和fμ是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)雷諾數(shù)方程中C1ε、C2ε和Cμ的修正.

1.2邊界條件

表1　主要參數(shù)Table 1 Mainly parameters

1.3求解方法

首先用GAMBIT軟件為結(jié)晶器內(nèi)鋼液流體建模，然后采用Fluent軟件求解三維鋼液流場(chǎng).設(shè)置邊界條件、采用SIMPLE計(jì)算方法、設(shè)定連續(xù)方程的質(zhì)量源項(xiàng)和各速度分量的相對(duì)殘差后進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算迭代達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)0.0001后程序自動(dòng)退出得到流場(chǎng)分布;計(jì)算應(yīng)用立式電磁制動(dòng)技術(shù)結(jié)晶器內(nèi)三維流場(chǎng)時(shí)，需要先調(diào)用Fluent軟件自身所帶MHD模塊，然后再設(shè)置邊界條件等上述步驟進(jìn)行計(jì)算.

2　板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果

常規(guī)連鑄過程和應(yīng)用立式電磁制動(dòng)技術(shù)連鑄過程，不同水口出口角度時(shí)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流速矢量分布如圖2所示.由圖2數(shù)值模擬結(jié)果可以看出:板坯連鑄過程，從浸入式水口出口流出的鋼液主射流首先以一定的速度向結(jié)晶器窄面運(yùn)動(dòng)，然后順著壁面分成兩部分，一部分向上流動(dòng)，另一部分向下流動(dòng)，分別在鋼液主射流上下形成兩個(gè)流動(dòng)方向相反的回流區(qū).鋼液主射流沖擊窄面的速度影響初生殼坯的形成，上部分流動(dòng)狀態(tài)主要影響液面穩(wěn)定性和保護(hù)渣卷入程度，下部分流動(dòng)狀態(tài)主要影響夾雜物顆粒的上浮情況，因此鋼液主射流向窄面運(yùn)動(dòng)的速度是影響結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)的關(guān)鍵因素;常規(guī)連鑄過程水口出口角度增加(由－15°～－20°)，鋼液主射流向下分量增多導(dǎo)致下回流區(qū)沖擊深度變深，容易將夾雜物卷入更深的結(jié)晶器熔池中，影響鑄坯純凈度，鋼液主射流的運(yùn)動(dòng)速度無明顯變化;應(yīng)用立式電磁制動(dòng)技術(shù)后，浸入式水口出口流出的鋼液主射流向窄面的沖擊速度和上回流區(qū)鋼液流速分別減小，下回流區(qū)渦心明顯上移，主射流沖擊窄面速度的減小有利于防止漏鋼，下回流區(qū)渦心上移說明鋼液向下沖擊深度變淺，有助于促進(jìn)夾雜物顆粒的上浮.以上計(jì)算結(jié)果說明立式電磁制動(dòng)技術(shù)有效抑制了不同水口出口角度情況結(jié)晶器內(nèi)鋼液主射流的運(yùn)動(dòng)速度，并且當(dāng)水口出口角度增加時(shí)，可以減小下回流區(qū)沖擊深度的增加幅度，有助于減少鑄坯內(nèi)部缺陷.

圖2　不同水口出口角度結(jié)晶器內(nèi)鋼液流速矢量圖Fig.2 Flow velocity vector of molten steel in mold with different outlet angle of SEN

自由表面的流速大小影響著結(jié)晶器內(nèi)液面的穩(wěn)定性和保護(hù)渣的卷入程度，本文做出的自由表面鋼液流速分布和自由表面中心線上鋼液流速分布如圖3、圖4所示，進(jìn)一步分析應(yīng)用立式電磁制動(dòng)技術(shù)后自由表面鋼液流速變化.

由圖3、圖4可知:自由表面流速?gòu)慕Y(jié)晶器窄面壁面開始向水口方向逐漸增加，達(dá)到一定值后逐漸減小;常規(guī)連鑄過程水口出口角度增加(由－15°～－20°)，自由表面鋼液流速有小幅度減小，對(duì)穩(wěn)定液面波動(dòng)和減小卷渣有一定幫助;應(yīng)用立式電磁制動(dòng)后與常規(guī)連鑄相比，不同水口出口角度時(shí)自由表面鋼液流速大幅度降低，出口角度為－15°、－18°、－20°時(shí)自由表面中心線上的最大鋼液流速分別從0.50、0.45和0.42 m/s降至0.34、0.25和0.21 m/s.以上結(jié)果充分說明立式電磁制動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用有利于穩(wěn)定不同水口出口角度下連鑄結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)和有效減小卷渣.

圖3　不同水口出口角度自由表面流速分布Fig.3 Flow velocity contour of free surface with different outlet angle of SEN( a)—水口?出口角度－15°; ( b)—水口出口角度－18°; ( c)—水口出口角度－?20°

圖5為不同水口出口角度時(shí)應(yīng)用立式電磁制動(dòng)技術(shù)前后鑄坯窄面的鋼液流速分布和湍動(dòng)能分布圖.由圖5可知，應(yīng)用立式電磁制動(dòng)技術(shù)前，鑄坯窄面鋼液主射流沖擊點(diǎn)及其周圍區(qū)域的流動(dòng)呈現(xiàn)不規(guī)律的“發(fā)散狀”，湍動(dòng)能在主射流沖擊處較大，沖擊點(diǎn)向上或向下湍動(dòng)能逐漸減小，增加或者減小水口出口角度，主射流的沖擊速度與窄面湍動(dòng)能的變化不十分明顯，只是主射流沖擊點(diǎn)向下移動(dòng)，說明改變水口出口角度對(duì)改善鑄坯窄面流速狀況和湍動(dòng)能的作用不大;應(yīng)用立式電磁制動(dòng)技術(shù)后，不同水口出口角度下的連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液主射流對(duì)鑄坯窄面的沖擊速度明顯減弱，窄面沖擊點(diǎn)及其周圍區(qū)域的湍動(dòng)能顯著減小，特別明顯的，主射流沖擊點(diǎn)及其周圍區(qū)域不規(guī)律發(fā)散流動(dòng)的狀況得到改善，紊亂狀態(tài)得到抑制，形成比較規(guī)則有序的流動(dòng).說明立式電磁制動(dòng)技術(shù)有效控制了不同水口出口角度下連鑄結(jié)晶器內(nèi)沖向鑄坯窄面的高速鋼液流股，被主射流沖擊的窄面關(guān)鍵區(qū)域受到有效制動(dòng)作用，減小了窄面的湍動(dòng)能，避免鋼液主射流沖擊窄面的速度過大而發(fā)生的漏鋼，減小實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的操作危險(xiǎn).

圖5　不同水口出口角度鑄坯窄面流速矢量和湍動(dòng)能云圖Fig.5 Flow velocity vector and turbulent kinetic energy contour of slab narrow face with different outlet angle of SEN( a)—水口出口角度－15°; ( b)—水口出口角度－18°; ( c)—水口出口角度－20°

可見，立式電磁制動(dòng)技術(shù)可以適用于水口出口角度變化的板坯連鑄過程并且冶金效果良好，以接近結(jié)晶器窄面的豎直磁極控制了容易導(dǎo)致鑄坯出現(xiàn)缺陷的自由表面、鋼液主射流沖擊點(diǎn)和下回流區(qū)沖擊深度，電磁力有效控制了結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)，減小了上回流區(qū)的流動(dòng)速度，削減了鋼液主射流對(duì)窄面的沖擊速度，規(guī)整了鑄坯窄面的流動(dòng)方式，能夠穩(wěn)定液面波動(dòng)、減小卷渣、防止漏鋼以及促進(jìn)夾雜物顆粒的上浮，并且可以減少由于水口出口角度增加引起的鑄坯缺陷.

3　結(jié)論

( 1)常規(guī)連鑄過程水口出口角度增加，鋼液主射流的運(yùn)動(dòng)速度不變，窄面主射流沖擊點(diǎn)向下移動(dòng)，窄面流速和湍動(dòng)能大小無太大變化，對(duì)穩(wěn)定液面波動(dòng)和減少卷渣有一定作用，但是下回流區(qū)沖擊深度變深不利于夾雜物上浮，容易造成鑄坯內(nèi)部缺陷.

( 2)拉坯速度1.6 m/min、水口浸入深度170 mm保持不變，不同水口出口角度下的連鑄結(jié)晶器應(yīng)用電流強(qiáng)度850 A的立式電磁制動(dòng)技術(shù)時(shí)，鋼液主射流向窄面運(yùn)動(dòng)的速度、上回流區(qū)鋼液流速、下回流區(qū)沖擊深度和自由表面鋼液流速明顯減小，水口出口角度－15°、－18°、－20°時(shí)自由表面最大鋼液流速分別減小了0.16、0.20和0.21 m/s，鋼液主射流對(duì)鑄坯窄面的沖擊速度明顯減弱，窄面沖擊點(diǎn)及其周圍區(qū)域的湍動(dòng)能顯著減小，窄面不規(guī)律發(fā)散流動(dòng)被規(guī)整為比較規(guī)則有序的上、下流動(dòng)，有利于穩(wěn)定液面波動(dòng)、避免卷渣和漏鋼、促進(jìn)夾雜物顆粒的上浮，為提高鑄坯質(zhì)量提供有利條件，也同時(shí)減小了連鑄過程的操作危險(xiǎn).

( 3)立式電磁制動(dòng)技術(shù)的制動(dòng)效果不受水口出口角度變化的影響，水口出口角度增大或者減小，產(chǎn)生的電磁力都能控制容易產(chǎn)生缺陷的關(guān)鍵區(qū)域，適用范圍較廣.

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Control of V－EMBr on flow field in continuous casting mold with different angle of SEN

Li Fei，Wang Engang，Xu Lin，Li Zhuang
( Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Abstract:The slab continuous casting process without and with V－EMBr ( Vertical－Electromagnetic Brake) are simulated by software Fluent，and the three－dimensional flow field in mold with different outlet angle of SEN ( Submerged Entry Nozzle) are studied in detail，which provide a theoretical basis to evaluate the metallurgical effect of V－EMBr.The studies show that when outlet angle of SEN is increased in continuous casting process，it is very unfavorable to float inclusions and the quality of slab is affected.After using the V－EMBr in continuous casting process with different outlet angle of SEN，the molten steel velocity of free surface，the flow velocity of jet and the impinging depth in lower recirculation zone are decreased significantly，these are beneficial to stabilize the level fluctuations，reduce slag，prevent breakout and promote inclusions floating，which conform the design philosophy of V－EMBr technology.

Key words:continuous casting; electromagnetic brake; numerical simulation; flow field; outlet angle of SEN

通訊作者:王恩剛( 1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E－mail: egwang@ mail.neu.edu.cn.

作者簡(jiǎn)介:李菲( 1985—)，女，博士研究生，E－mail: fayeleeneu@ sina.com.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金( No.51574083)，高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃項(xiàng)目(國(guó)家111計(jì)劃，B07015)，中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)( L1509003)，遼寧省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目( No.LT2010035).

收稿日期:2015-10-22.

doi:10.14186/j.cnki.1671－6620.2016.01.008

中圖分類號(hào):TF 777.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1671-6620( 2016) 01-0043-06