一种新的旋流连铸技术——电磁旋流水口

日本及中国的学者研究表明,在连铸过程中浸入式水口内的旋转流动可以有效改善结晶器内的流体流动状态并提高钢坯的表面和内部质量。笔者提出一种新的旋流连铸技术,即利用水口外的旋转电磁场对钢液的洛伦兹力,使水口内钢液形成旋转流动。对圆形电磁旋流装置作用下圆坯及方坯连铸过程结晶器内钢液流场进行了三维数值模拟,分析了350 A电磁旋流作用下圆坯及方坯结晶器内钢液流场。结果表明：①水口电磁旋流使得圆坯结晶器内的钢液都处于旋转状态。②有旋流时,在方坯结晶器角部的附近可以观察到水平流动;钢液的冲击深度更小,上返流增强。     

电磁搅拌宽厚板结晶器内钢液流动和液面波动

为合理控制宽厚板结晶器内的钢液流动和液面波动,提高铸坯质量。通过数值模拟的方法研究了2 200 mm×250 mm连铸结晶器内的钢液流动和液面波动行为。考察了搅拌位置对流动和液面波动行为的影响规律。结果表明,电磁搅拌可增强上回流区域钢液流动,有利于均匀钢液成分和温度。电磁搅拌可使水口附近钢液的流速增加约0.04 m/s,增强了对水口附近钢液的搅拌。提高搅拌位置,搅拌产生的水平旋流增强了下返流流速,使熔池内下涡心位置上移。钢液的水平旋流使上返流发生偏转,减弱了上返流流速,降低了对液面的直接冲击,减小液面波动。适当提高电磁搅拌器位置有利于控制液面波动。电磁搅拌器中心位置Y=-0.1 m时,液面波动可由7.5 mm降低到3 mm以内,可减小液面卷渣,流场具有很好的对称性。     

电磁搅拌作用下板坯结晶器内金属液流动行为实验研究

以水银为实验介质,通过物理模拟实验,考察板坯连铸结晶器电磁搅拌中,搅拌电流和水口出口角度对结晶器内金属液流动的影响。在搅拌电流分别为0、50、60 A和水口出口角度分别为0°、15°、25°时,采用超声波多普勒测速仪测量模型内金属液的流速分布。结果表明:电磁搅拌的施加改变了结晶器内金属液流场分布,提高了金属液的流速,降低了自由液面的稳定性,使金属液冲击深度变浅;随着搅拌电流的增大,金属液流速、液面湍流度及冲击深度有增大的趋势;当水口出口角度为15°时电磁搅拌效果较佳。     

电磁旋流水口对圆坯结晶器液面波动的控制

在大圆连铸坯生产过程中,过强的结晶器电磁搅拌会造成结晶器液面波动,影响连铸坯的表面和内部质量。将电磁旋流水口技术与结晶器电磁搅拌配合使用,通过调整电磁旋流装置的搅拌方向和电流强度来弱化结晶器电磁搅拌引起的二次流,从而使结晶器液面波动控制在一个较小的范围内。结果显示,当两个电磁装置的搅拌方向相反,电流强度为400 A时,大于±2 mm的液面波动比例由单用结晶器电磁搅拌时的0.62%降至0.13%,在±1 mm～±2 mm范围内的液面波动比例由单用结晶器电磁搅拌时的5.90%降至3.56%。当搅拌方向相同时,对大于±2 mm的液面波动的控制效果不佳。因此,使用与结晶器电磁搅拌方向相反的水口旋流可实现对结晶器液面波动的有效控制。     

钢圆坯连铸过程中渐开式电磁旋流水口数值模拟

提出了一种新的浸入式水口内产生旋流的方法.即在水口外施加可移动的旋转电磁场,非接触地形成钢液旋流.为进一步发挥旋流作用,采用渐开式水口,对圆坯连铸中浸入式水口及结晶器内钢液流场、温度场进行了三维数值模拟,并重点研究了水口渐开角度结合不同旋流强度对结晶器内流场及温度场的影响.研究结果表明,浸入式水口内磁场和旋流速度随着线圈电流强度的增加而增加.当电流强度为500 A,频率为50 Hz时.可产生最大为3 m/s左右的旋流速度.当水口采用同一渐开角度,随着旋流强度的增大,水口出流的冲击深度减小,上返流增强,弯月面温度提高.但当旋流强度增大到一定程度后,结晶器内弯月面附近温度变化不大.采用同一旋流强度,随着水口渐开角度的增加,结晶器内水口出口上方的上返流先增强后减弱,在渐开角度为60°时,上返流最强.同样,弯月面附近温度也是先提高后有所降低,在渐开角度为60°时,弯月面温度最高.水口渐开角度为60°,线圈电流350 A,频率为50 Hz时,在水口入口处施加0.5 m/s水平速度的人工偏流后,电磁旋流能对该偏流进行有效的抑制.     

圆坯连铸电磁旋流水口的数值模拟

在浸入式水口外部采用可移动的旋转电磁场装置,使水口内钢液形成旋转流动.通过对磁场和流场的数值模拟,分析了电磁参数和电磁旋流装置结构对钢液内磁感应强度和旋流速度大小及分布的影响.结果表明,钢液中心竖直轴线上的磁感应强度随线圈电流增大而增大,随频率增大而减小.采用圆形磁体时磁感应强度最大且分布均匀,优于马蹄形磁体;线圈电流500 A,频率50 Hz时,获得了在圆形装置作用下浸入式水口内及结晶器内的钢液的速度矢量分布,此时结晶器内产生了较强的旋流流动.从现场操作角度出发,提出了改进马蹄形电磁旋流装置.通过低熔点合金的电磁旋流实验验证了数值模拟的结果及计算方法的可靠性.     

电磁旋流水口在钢圆坯连铸中的作用

机械式旋流水口连铸的工业试验结果表明:弯月面的钢液温度、稳定性以及铸坯的等轴晶率等能得到显著提高。但该工艺难以工业应用。本文作者提出了一种新的旋流连铸工艺,即利用水口外的旋转电磁场对钢液的洛伦兹力,使水口内钢液形成旋转流动。本研究通过磁场和流场的三维数值模拟,分析了电磁旋流装置结构对圆坯连铸过程中浸入式水口及结晶器内钢液速度的大小及分布的影响,并应用低熔点合金进行了实验验证。结果表明:非接触方式的电磁力可以有效地使钢液在浸入式水口内产生旋转流动。在同等条件下,圆形电磁旋流装置时钢液的速度分布最对称,速度值最大;改进马蹄形时的水口内流场分布与圆形的较为接近,比采用马蹄形时的更为对称,且速度值更大。在结晶器内,电磁旋流使钢液的冲击深度变小,上返流增强。这有利于温度的均匀化,提高弯月面的温度,以及促进夹杂物的上浮。考虑工业生产的操作方便问题,改进马蹄形电磁旋流装置比较适合生产实际。电磁旋流实验的结果验证了数值模拟的结果及计算方法的可靠性。     

水口位置对电磁偏心搅拌作用下大圆坯连铸结晶器内流动及传热的影响

为消除电磁偏心搅拌给φ380 mm断面圆坯质量造成的不利影响,采用数值模拟方法研究了水口位置对大圆坯连铸结晶器和足辊区内钢液流动和传热的影响。结果表明:在电磁偏心搅拌作用下,大圆坯外弧侧更大的电磁力使从水口进入结晶器的钢液流向外弧侧,并使外弧侧钢液温度升高。将水口向内弧侧偏移后,水口内钢液流向内弧侧,碰到结晶器壁后形成一个较大的回流区,结晶器上部回流区缩小;钢液温度尤其是弯月面处钢液温度明显降低,同时内、外弧侧钢液温差增大。虽然改变水口位置有利于消散钢液热量,但不利于保护渣熔化且增加内、外弧钢液温差,所以改变水口位置的方法不宜用于消除电磁偏心搅拌的不利影响。     

利用弯水口提高离心式中间包钢液旋流强度的研究

针对离心式中间包电磁驱动旋流强度不充分的问题,探讨在不增加外加能量或动力的情况下,利用弯水口将钢包内钢液的位置势能转化为水平出流动能以增强旋转室内钢液旋流强度的可能性.利用水模型观察实验,结合数值模拟手段,证明了弯水口注流可以增强离心式中间包旋转室内的旋流强度,在本研究条件下可以使最大速度值增加约15%.     

大方坯连铸结晶器电磁搅拌的数值模拟

对大方坯连铸结晶器电磁搅拌过程的流场和温度场进行了数值模拟,并讨论了搅拌强度对流场和温度场的影响。结果表明：在结晶器电磁搅拌下,搅拌器区域的钢液变为水平旋转,使从水口向下吐出的钢水与向上回流的钢水流股相冲突,流股侵入深度变浅,从而使轴向温度迅速降低,径向温度升高,提高了热区位置,有利于传热;搅拌强度越大,钢水的二次流现象越明显,热区位置越高。     

电磁制动下钢液射流及钢-渣界面波动行为的数值模拟

建立了描述全幅一段电磁制动作用下结晶器内钢液射流及钢-渣界面波动行为的数学模型,采用数值模拟方法研究了不同电磁参数对结晶器内钢液射流及其引起的钢-渣界面波动行为的影响,分析了磁感应强度及水平磁极与浸入式水口之间距离变化对结晶器内钢液射流行为和钢-渣界面波动行为的影响。结果表明,当全幅一段电磁制动稳恒磁场同时覆盖射流冲击区域、上返流和下返流区域时(D=20mm),电磁制动的施加可以有效控制钢液射流结构,降低上返流和下返流钢液流速,稳定钢-渣界面波动;当电磁制动水平磁极与浸入式水口垂直距离较远时(D=220mm),增大磁感应强度不能对结晶器内上返流区域钢液流速进行抑制,不利于钢-渣界面波动的稳定,增大卷渣发生几率。     

Structural Optimization of Electromagnetic Swirling Flow in Nozzle of Slab Continuous Casting

During the slab continuous casting process, the flow field of molten steel in the mold plays a decisive role in the quality of the slab. In this paper, electromagnetic swirling flow in nozzle technology is proposed to control the flow field in mold.This technology can drive molten steel to rotate inside the submerged entry nozzle by electromagnetic force, thereby controlling the flow field. This research shows that it can reduce the impact of molten steel on the bottom of nozzle and partly reduce the negative pressure at the upper part of nozzle outlet which is even eliminated by optimizing the structure and angle of nozzle. The area of heat flux of the mold wall becomes larger, and the crest value of heat flux gets lower than that without swirling in nozzle and any nozzle optimization. The meniscus fluctuates smoothly, and the flow velocity at the top surface is within a reasonable range. The temperature field distribution in the mold is uniform which was beneficial to the growth of equiaxed crystal and decreased element segregation.     

Effect of electromagnetic swirling flow in slide-gate SEN on flow field in square billet continuous casting mold

In order to weaken the bias flow in the submerged entry nozzle (SEN) with slide-gate, the rotating magnetic field was imposed. The numerical method was employed to investigate the effect of rotating magnetic field on the flow field in the SEN and the mold under different slide-gate opening ratios. Numerical results showed that when the slide-gate opening ratio is smaller than 100%, the flow field in the SEN and the mold become asymmetry and there is an obvious circulation under the slidegate in the SEN. With increasing exciting current, the divergent angle of liquid steel at the SEN outlet increases, the impact depth of liquid steel in the mold decreases. With increasing slide-gate opening ratio, the impact depth of liquid steel in the mold increases and the required exciting current to weaken the bias flow should increase.     

板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动及流动行为的数值模拟

建立了板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动行为的三维数学模型,利用数值模拟方法研究了磁场与流场耦合作用下不同工艺参数和电磁参数对结晶器内钢/渣界面波动行为及流场的影响,通过VOF方法对不同条件下的钢/渣界面进行捕捉,讨论不同磁极位置、水口倾角、拉速及线圈电流强度对结晶器内钢/渣界面波动行为和流动的影响。模拟结果表明：电磁制动的施加可以显著降低钢/渣界面波高,减小射流对结晶器窄面的冲击。拉速和水口浸入深度恒定时,磁极位置和水口角度直接影响结晶器内流场形式：当[P＝]40 mm时,增加线圈电流可以降低结晶器内钢/渣界面波高和表面流速,从而减小由液面波动引发卷渣的概率;当磁极距离水口较远时[（P＝]80 mm）,随着线圈电流强度的增大,水口射流的冲击方向向上偏转,引起上回流的流动强度增强,导致钢/渣界面波高增加,增大卷渣发生的概率。     

连铸结晶器内钢液涡流现象的大涡模拟及控制

采用大涡模拟方法对结晶器内钢液涡流现象进行模拟,研究了水口插入深度、出流角度等与“湍动涡”在液面停留时间的关系,分析了“湍动涡”和“偏流涡”的形成机理。提出了消除“湍动涡”的平板式涡阻止器结构,对涡阻止器作用下“湍动涡”和“偏流涡”的运动规律进行模拟。数值模拟结果表明：“湍动涡”是由于流体本身的脉动所形成的,随着水口出流角度的增大及水口插入深度的增加,“湍动涡”在液面的停留时间延长;“偏流涡”是由于水口不对中导致的液面的不对称流动以及流体本身的脉动综合作用形成的。平板式涡阻止器能有效消除“湍动涡”,并对“偏流涡”有一定的减弱作用。     

水口结构对板坯结晶器液面流动行为的影响

针对不锈钢板坯轧材经常出现的夹渣和表面翘皮现象,以实际生产条件为背景,对其连铸结晶器内钢液流动行为与水口工艺的相关性进行了试验研究。基于相似原理建立了相似比0.65∶1的物理模型,对不同浸入式水口结构和浇注工艺参数下的结晶器液面状态进行了流体动力学行为评价与比较优化。其中,主要研究了拉速、浸入深度、水口倾孔倾角(4°、8°、15°)、侧孔形状(矩形、倒梯形)等对结晶器内液面波动和表面流速的影响。结果表明,连铸拉速和水口浸入深度对液面波动的影响比水口结构显著;水口上倾角由4°增大到8°、15°,结晶器表面流速有减小趋势,但因流股冲击深度减小,导致在结晶器弯月面处的波高增大。综合表明,针对实际连铸拉速1.10 m/min的需要,其适宜的水口结构为倒梯形水口侧孔、上倾8°,其在水口浸入深度110~120 mm范围内,液面平均波高为1.1~1.2 mm,平均表面流速约为0.103 m/s。同时用数值模拟方法比较了优化方案和原方案,同样表明优化方案液面较平稳,剪切卷渣概率较低。     

不同形状板坯结晶器钢液表面流速的物理模拟

采用1∶1水力学模型研究了不同角部形状结晶器表面钢液流动行为。考察了拉速、水口插入深度、断面宽度对不同角部形状的板坯结晶器角部钢液表面流速的影响。结果表明,与直角结晶器相比,由于倒角结晶器倒角面的存在,其对角部液面流速有显著影响,并且随着倒角面斜长的增加而增大。另外,直角结晶器中角部流场随各因素改变量较小,角部流场属于死区。而倒角的存在改变了角部的流动状态,增大了角部钢液流动速度,有利于改善铸坯表面质量。