中間包內(nèi)電磁控流現(xiàn)象數(shù)值研究

1、 中間包內(nèi)電磁控流現(xiàn)象的數(shù)值研究摘 要 中間包內(nèi)鋼水的流動(dòng)對(duì)提高鋼的質(zhì)量很是重要，它取決于中間包的設(shè)計(jì)和其內(nèi)的控流設(shè)備。在中間包內(nèi)，湍流控制器是最常用的控流設(shè)備。而運(yùn)用電磁力來控制鋼水在中間包內(nèi)的流動(dòng)是此領(lǐng)域內(nèi)的最新發(fā)展。且正在研究當(dāng)中。Mhd模型被用于研究由電磁力控制的鋼水流動(dòng)行為,在中間包中用電磁壩來控流這種創(chuàng)新性觀念在當(dāng)前工作中被提出。對(duì)不同組合的電磁壩進(jìn)行的流體動(dòng)力學(xué)模擬與湍流控制器的做了比較，用電磁控流的優(yōu)勢(shì)不言而喻。關(guān)鍵字：中間包；活塞流；死區(qū)；駐留時(shí)間；夾雜物上浮；電磁壩。1前言 鋼潔凈度的持續(xù)提高是市場(chǎng)需鋼量攀升的一重要因素,而從熔融鋼中分離出夾雜物是實(shí)現(xiàn)冶煉超優(yōu)質(zhì)鋼的一種方法

2、。中間包作為冶金的一容器，它在澆注時(shí)起緩沖的作用，同時(shí)，它還可以通過吸附夾雜物來精煉鋼水。而夾雜物在中間包內(nèi)得以上浮卻依賴于鋼水的流動(dòng)性。鋼水流動(dòng)方式的電阻特性是衡量中間包內(nèi)夾雜物上浮率的標(biāo)準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)夾雜物的最大分離，研究人員建立了相應(yīng)的電阻特性，而流動(dòng)控制就是為了實(shí)現(xiàn)這種理想的電阻特性。中間包內(nèi)傳統(tǒng)的控流設(shè)備是壩和堰，他們改變（提高）了鋼水的流動(dòng)特性，但卻導(dǎo)致了中間包內(nèi)鋼水有效容積的減少。湍流控制器是現(xiàn)代煉鋼工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的流動(dòng)調(diào)節(jié)器，它可抑制鋼水直接流向澆鑄區(qū)。RD.morales et al.已經(jīng)研究了湍流控制器具有抑制進(jìn)水口產(chǎn)生湍流的作用。設(shè)計(jì)一個(gè)有效的控流設(shè)備依舊是個(gè)挑戰(zhàn)，它需要

3、對(duì)中間包內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象有充分的理解。關(guān)于中間包內(nèi)鋼水的流動(dòng)狀態(tài)，研究人員做了多種多樣的研究。他們認(rèn)為抑制鋼水在澆鑄區(qū)的流動(dòng)有助于促進(jìn)夾雜物的上浮。Tripathi和Ajmani已經(jīng)證實(shí)在靠近澆鑄區(qū)區(qū)域發(fā)展回旋流能提高活塞流體積。科技團(tuán)體們研究希望通過有效的控流設(shè)備來得到理想的鋼水流動(dòng)方式。用電磁力來控制中間包內(nèi)鋼水的流動(dòng)是控流技術(shù)方面的最新發(fā)展，研究人員認(rèn)為：中間包內(nèi)電磁控流系統(tǒng)的強(qiáng)沖擊力能產(chǎn)生理想的流動(dòng)方式。然而，電磁控流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是個(gè)復(fù)雜的過程，它需要設(shè)計(jì)人員完全理解中間包內(nèi)由電磁力控制的流動(dòng)現(xiàn)象。研究人員也做了各種各樣的研究去理解這種電磁力控制的流動(dòng)行為。Votyakov etal用流動(dòng)區(qū)

4、域的磁障來理解電磁控流的復(fù)雜性，研究人員Man et al已經(jīng)成功的為模型模擬了電磁流動(dòng)控制過程，在中間包內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)有效電磁系統(tǒng)的挑戰(zhàn)激勵(lì)著我們?nèi)パ芯侩姶趴亓髟O(shè)備。對(duì)中間包內(nèi)電磁控流現(xiàn)象的研究正在當(dāng)前的工作中進(jìn)行，此研究將促使一個(gè)具有創(chuàng)新性的電磁控流設(shè)備的發(fā)展，這種設(shè)備無壩之實(shí)，卻具有壩之作用，因此，稱它為電磁壩，且在當(dāng)前工作中，正與湍流控制器進(jìn)行比較分析。2模型的發(fā)展2.1幾何描述當(dāng)前的工作在于研究電磁壩對(duì)改善中間包內(nèi)鋼水的流動(dòng)特性所起的作用。表1是一系列對(duì)當(dāng)前工作的模擬，我們可以從中間包的不同視角去看電磁壩在當(dāng)前研究中的應(yīng)用。圖1的a，b，c分別是電磁壩位于四分之一個(gè)中間包內(nèi)的不同位置時(shí)的

5、俯視圖，而圖中電磁壩的位置數(shù)據(jù)有助于確定電磁壩處的磁場(chǎng)方向,而通過中間包的垂直剖面圖（Fig.1(d)），我們也可以進(jìn)一步看到外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)區(qū)域。在Fig.1(d）中，電磁壩被編號(hào)1,2,3.它們厚50mm，而高則是中間包熔池高度的四分之一。被數(shù)字標(biāo)記了的磁場(chǎng)區(qū)域原則上與鋼水從進(jìn)孔流向出孔的方向相垂直，這在四分之一中間包的數(shù)值模擬中被證實(shí)。Fig.（d）中的e圖以圖畫的方式來描繪表1中例8所應(yīng)用的磁場(chǎng)。Figs.2(a)和2(b)分別是湍流控制器和電磁壩的尺寸模擬，我們可以用于比較分析。表2所列出的是當(dāng)前研究的操作參數(shù)。2. 圖12 控制方程三元的連續(xù)和動(dòng)量守恒方程被用于計(jì)算中間包內(nèi)的流場(chǎng)。而

6、詳細(xì)的模型方程我們已在先前的文章中推出，在這里，模型假定：電磁壩的磁作用僅僅局限在壩上，而其它大部分區(qū)域不受所用電磁場(chǎng)的影響。如此假設(shè)的原因在于液態(tài)鋼水具有較低的磁雷諾數(shù)且不一。由Re<<1知：感應(yīng)出來的磁場(chǎng)相比與應(yīng)用的磁場(chǎng)十分小。所以，當(dāng)應(yīng)用的磁場(chǎng)被視為常數(shù)時(shí)，其它感應(yīng)出的磁場(chǎng)可以被忽略不計(jì)。因此，在電磁壩處，當(dāng)前的模型將洛倫茲力納入到momentum方程中。表3給出了熱電阻特性。 圖2 2.3 邊界條件長(zhǎng)水口處的湍流強(qiáng)度為2%，因此將進(jìn)水口流速規(guī)定為1.45m/s.其它的邊界條件與先前發(fā)表的文章中所用的相似。2.4計(jì)算方案 利用gambit軟件將中間包中需計(jì)算的區(qū)域網(wǎng)格化，這種

7、采用的數(shù)值方法與早前文章中提及的相似。然后用fluent去解決那些離散的方程。3 驗(yàn)證模型 在文章中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了計(jì)算機(jī)方法的實(shí)驗(yàn)可行性。同時(shí)，在先前的文章中我們也提到了計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)的相一致性。研究人員通過分析hartmann問題的結(jié)果證實(shí)了磁流體力學(xué)方程的有效性。相同的方法也被采用于去證實(shí)應(yīng)用于當(dāng)前工作中的磁流體力學(xué)模型且已被發(fā)表。哈特曼流是一種連續(xù)不斷的導(dǎo)電黏性流，它存在于有外加橫向磁場(chǎng)的平行非導(dǎo)電通道內(nèi)。此流的控制方程于已應(yīng)用于當(dāng)前工作中的模型方程相似。為得到哈特曼流，進(jìn)口的鋼水流速需保持在2m/s。數(shù)值模擬的是哈曼特?cái)?shù)從0到25的特定范圍，這被定義為相對(duì)于非電磁力的電磁力速率

8、，并且，哈曼特?cái)?shù)越大則表示電磁力的強(qiáng)度越大，哈曼特流動(dòng)的模擬結(jié)果與分析結(jié)果做了比較：由圖3（a）的模擬結(jié)果可見隨著哈曼特?cái)?shù)的增大所顯示出來的速度分布，相似的速度分布也可以通過分析表達(dá)式得到且這已在前文中提到。圖3（b）是預(yù)測(cè)的速度分布同經(jīng)過解析表達(dá)式計(jì)算而來的速度分布的比較。 4結(jié)果和討論 對(duì)安裝了有磁場(chǎng)優(yōu)勢(shì)了的多個(gè)電磁壩的中間包進(jìn)行了三維磁流體力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)模擬，其結(jié)果是：與以湍流控制器為控流設(shè)備的中間包相比而言：圖34.1安裝有電磁壩的中間包內(nèi)的鋼水流動(dòng)。對(duì)安裝了電磁壩的中間包內(nèi)的鋼水流動(dòng)進(jìn)行了分析。電磁壩1可以從圖1（C）中找到且圖1（d）起初用于理解中間包內(nèi)的鋼水流動(dòng)行為。而電磁壩

9、2，3則為了使鋼水產(chǎn)生具有較好特性的流動(dòng)。從圖4和5，我們可以看到僅用于了電磁壩1的這種流動(dòng)方式。圖表4是有電磁壩和無電磁壩的中間包內(nèi)流動(dòng)方式的俯視圖。有電磁壩的中間包內(nèi)的表面定向流矢量與無電磁壩的中間包內(nèi)的向下定向流失量形成了對(duì)照。然而，由電磁壩產(chǎn)生的流動(dòng)方式的流動(dòng)矢量強(qiáng)度要明顯的高，從圖4 我們可以在澆鑄區(qū)域附近看到由電磁壩引起的回流，這種回流會(huì)提升中間包內(nèi)全混流的體積從而減少死區(qū)。這種流動(dòng)行為還可以通過研究圖5中彎液面處的流動(dòng)方式來進(jìn)一步分析。同樣，由電磁壩引起的高流動(dòng)矢量強(qiáng)度也可以在圖5中觀察到。這種在彎液面的高流速是極不可取的，因?yàn)樗芸赡軐?dǎo)致反向流動(dòng)甚至形成一個(gè)小的漩渦，這種小的漩

10、渦就可以從圖5中看到。雖然由電磁壩引起的這種流動(dòng)方式具有理想流動(dòng)方式的一些性質(zhì)，但高的流速是其最大的缺點(diǎn)、4.2中間包內(nèi)電磁壩的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)流動(dòng)方式的影響。應(yīng)用電磁制動(dòng)力的大小是中間包內(nèi)產(chǎn)生理想流動(dòng)模式的關(guān)鍵 ，而制動(dòng)力的大小卻依賴于所用磁場(chǎng)的強(qiáng)度。因此，這是我們感覺到電磁壩的磁場(chǎng)強(qiáng)度的作用需要被研究。對(duì)中間包內(nèi)不同磁強(qiáng)度的電磁壩進(jìn)行了模擬，表1中的例2到6就是對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行了模擬研究。圖6 展示的是電磁壩在不同磁強(qiáng)度下產(chǎn)生的流動(dòng)方式的俯視圖，從中可見，磁強(qiáng)度為0.1T和0.15T時(shí)，空包中所得的流動(dòng)方式是極為相似的，然而，由于中間包內(nèi)設(shè)有電磁壩，我們可以發(fā)現(xiàn)鋼水多個(gè)流向中向下流動(dòng)的在減少，進(jìn)一步分

11、析，這主要是由于電磁壩附近的鋼流速度的降低。從圖6中還可以觀察到：隨著磁強(qiáng)度的進(jìn)一步提升，最終將導(dǎo)致鋼流方向向著表面這一顛倒。在高磁強(qiáng)度下，速度向量幅度的增加也可以從圖6中看到。表面的定向流動(dòng)有助于促進(jìn)夾雜物的上浮但速度幅度的增加遠(yuǎn)超最佳水平這對(duì)中間包是有害的。圖7是彎液面處不同磁強(qiáng)度下的流動(dòng)方式的對(duì)照，讀圖可知：隨著磁強(qiáng)度的增加速度幅度也在增大。鋼液在彎液面處的高流速將致使鋼液在此形成小的漩渦，從而擴(kuò)大死區(qū)的體積。在0.2T和0.3T的高磁強(qiáng)度下形成的漩渦可以從圖7中觀察到。4.3 有兩個(gè)電磁壩的中間包內(nèi)的流動(dòng)方式。產(chǎn)生于高磁強(qiáng)度下的表面定向流區(qū)域同時(shí)具有較大的速度向量幅度。而這種速度幅度的

12、抑制也渴望能利用高磁強(qiáng)度下的電磁壩所產(chǎn)生的流場(chǎng)來完成。所以，有兩個(gè)電磁壩的中間包內(nèi)的流動(dòng)方式被模擬（圖1（d）中顯示的為應(yīng)用于模擬的電磁壩1和電磁壩2)。從圖1（b）和（c）中可以看到電磁壩1和2反向磁場(chǎng)的現(xiàn)象。如果電磁壩的磁強(qiáng)度超過0.15T就會(huì)是流動(dòng)反向鋼液向表面流動(dòng)。因此，這需要電磁壩2的磁場(chǎng)方向與電磁壩1的磁場(chǎng)方向相反。電磁壩2的磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生抑制鋼液流向表面的制動(dòng)力。所以，電磁壩2的應(yīng)用有利于降低流動(dòng)速度的強(qiáng)度。 圖8 為研究應(yīng)用了兩個(gè)電磁壩后的效果，所以我們對(duì)表1中的例7進(jìn)行了模擬，圖8是例7模擬的流動(dòng)方式的俯視圖，且在這個(gè)平面上的流動(dòng)矢量指向表面并在接近保護(hù)渣的地方形成漩渦。而在保

13、護(hù)渣附近發(fā)展旋轉(zhuǎn)流有助于提高混合流體積（同時(shí)減少了死區(qū)）。與例4到例6中的相比，例7的流動(dòng)強(qiáng)度出現(xiàn)了降低，然而，在出口附近例7的流動(dòng)速度規(guī)模卻十分大。為了提高活塞流的體積，我們需將出口附近的鋼水流動(dòng)速度降到最低水平。圖8（b）是中心流場(chǎng)的側(cè)視圖。從長(zhǎng)水口進(jìn)入的射流其方向指向包底，然后再順時(shí)針流動(dòng)。這當(dāng)中底部鋼水的流動(dòng)速度很快而上部卻很慢。圖8（c）是例7在彎液面處的速度場(chǎng)。從中可以看到流動(dòng)速度的強(qiáng)度并不一致且在彎液面處的速度依舊很高，并且最大的速度出現(xiàn)在彎液面的中心。因此，在彎液面的中心強(qiáng)流會(huì)出現(xiàn)。從圖8（c）中間包的各個(gè)角上也可以看到漩渦。，因此，例7中彎液面處的鋼水速度依舊比理想的水平高，

14、所以，為達(dá)到像湍流控制器那樣的卓越性能，彎液面處的速度必須降下來。4.4電磁壩與湍流控制器的比較。在工業(yè)上，湍流控制器是眾所周知的控流設(shè)備。因此，電磁壩的性能在沒與其比較之前，它的商業(yè)化應(yīng)用是渺茫的。對(duì)例7的研究表明：雖然流動(dòng)形式有所提高，但依舊沒有足夠的競(jìng)爭(zhēng)力去替代湍流控制器。高的彎液面速率是例7流場(chǎng)的主要缺陷，因此，在中間包中內(nèi)設(shè)置電磁壩3就是為了降低彎液面的速度（電磁壩3在中間包內(nèi)的位置可從圖1(d)中看到）。表1中的例8被模擬是為了證明電磁壩優(yōu)越于湍流控制器，相比于電磁壩1和2，例8中電磁壩3的磁強(qiáng)度較低。例8同湍流控制器在流場(chǎng)和鋼水停留時(shí)間分布兩方面進(jìn)行了比較（表1中例9是對(duì)湍流控制

15、器的研究)。圖9是湍流控制器和例8電磁壩的流場(chǎng)在XY平面的對(duì)照。從中可以發(fā)現(xiàn)：湍流控制器的流速在澆鑄區(qū)域和表面附近都很高，而在其它主要區(qū)域相對(duì)較低；而例8電磁壩的流場(chǎng)模擬流向更混亂，漩渦在澆鑄區(qū)域出現(xiàn)，同時(shí)與例7相比，例8在靠近出口處的流速明顯降低。圖10是例8和例9的流場(chǎng)在YZ平面（x=3.4）的對(duì)比，兩者看起來相似，然而，例9的漩渦出現(xiàn)在包底的中心而例8的發(fā)現(xiàn)在包底角，因此，現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械設(shè)備往往會(huì)致使?jié)茶T流附近的流動(dòng)抑制。為了進(jìn)一步分析鋼水的流動(dòng)行為，我們對(duì)例8和例9在彎液面處的流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比，如圖11.他們有共同的彎液面流場(chǎng)特征，但是，我們從圖上也可以看出一圖9些不同：相比于電磁壩，湍流控

16、制器左角處的漩渦尺寸要大，彎液面的速度要小。電磁壩的性能究竟如何，對(duì)它的RTD分析起著結(jié)論性作用。所以，對(duì)例8和例9進(jìn)行了RTD 研究，如表1.圖12是兩者的RTD曲線對(duì)照?qǐng)D，從圖中可以看到例8和例9的電磁壩不同的峰值轉(zhuǎn)變濃度,同時(shí)兩者在峰值的下降也可以從圖中作一比較。RTD曲線中的這些不同表明例8中間包內(nèi)死區(qū)體積的下降。表4是所有實(shí)例的RTD曲線特性，相比于例9，我們可以從表4中發(fā)現(xiàn)：例8的活塞流體積稍有增加，但死區(qū)體積明顯降低。因此，湍流控制器可以降低速度低于最佳水平，但從活塞到死區(qū)體積增加的比率上看，電磁壩的性能勝于湍流控制器。圖105 結(jié)論中間包內(nèi)，由電磁力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)現(xiàn)象已通過數(shù)個(gè)模型加以研究，現(xiàn)將結(jié)論呈下：中間包內(nèi)的流控能通過電磁壩來實(shí)現(xiàn)。單個(gè)電磁壩產(chǎn)生的流動(dòng)行為與理想流動(dòng)方式的特征相近，但出口附近和