中間包電磁凈化技術(shù)中流場(chǎng)的數(shù)值模擬王 赟 鐘云波 任忠鳴 王保軍 雷作勝 任維麗 上海大學(xué)材料學(xué)院 上海市現(xiàn)代冶金與材料制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200072摘 要 本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)電磁凈化中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)特征進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明：中間包旋轉(zhuǎn)室內(nèi)的鋼液在電磁力作用下產(chǎn)生水平旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，該種流動(dòng)方式能促進(jìn)夾雜物的碰撞、聚合及上?。恍D(zhuǎn)室出口旋流影響了分配室內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，其偏旋特性引起了分配室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性。為了減輕流動(dòng)非對(duì)稱性對(duì)分配室內(nèi)流場(chǎng)帶來(lái)的不利影響，針對(duì)旋流的偏旋特征，設(shè)計(jì)了具有抑制旋流偏旋的T形壩裝置。模擬結(jié)果表明采用T形壩之后，減輕了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，分配室內(nèi)的流動(dòng)更為均勻，其流動(dòng)方式對(duì)于夾雜物的進(jìn)一步去除更為有利。關(guān)鍵詞 中間包，電磁凈化，流場(chǎng)，數(shù)值模擬1 引言為了改善中間包內(nèi)的流動(dòng)狀況和促進(jìn)夾雜物的去除,目前普遍采用中間包擴(kuò)容和優(yōu)化設(shè)計(jì)、吹氬等技術(shù)和措施來(lái)促進(jìn)中間包內(nèi)夾雜物上浮分離，使鋼液凈化1。然而，隨著對(duì)鋼材質(zhì)量要求的提高以及鋼液二次精煉成本的上升，需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高效的夾雜物分離技術(shù)。在此背景下，日本川崎鋼鐵公司于1990年代中成功研發(fā)了中間包電磁凈化技術(shù)2，5，該技術(shù)利用電磁場(chǎng)的非接觸作用，在鋼液中產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動(dòng)鋼液在水平方向上旋轉(zhuǎn)，使其中的夾雜物向中心聚集、碰撞長(zhǎng)大，加之在高溫的鋼液中，夾雜物碰撞后聚合長(zhǎng)大的速度很快，而夾雜物上浮速度又與夾雜物粒徑的平方成正比，長(zhǎng)大后的夾雜物上浮速度成倍提高，因此夾雜去除效率大為增加。目前該種頗具潛力的鋼液凈化技術(shù)已得到了冶金工作者的廣泛關(guān)注。因此,掌握旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下鋼液的流動(dòng)特征，對(duì)研究該種特殊的流動(dòng)狀態(tài)下夾雜物去除的機(jī)制以及優(yōu)化設(shè)計(jì)電磁凈化用中間包結(jié)構(gòu)甚為重要。本文采用數(shù)學(xué)模擬方法對(duì)離心中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究,分析了中間包中有、無(wú)流動(dòng)控制裝置時(shí)鋼液的流動(dòng)狀況，旨在揭示電磁凈化中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)的特征，為離心中間包內(nèi)流動(dòng)控制裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供信息及依據(jù)，以便指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。2 電磁凈化用中間包計(jì)算模型本實(shí)驗(yàn)計(jì)算模型以國(guó)內(nèi)某廠擬采用的電磁凈化用中間包為原型，其基本構(gòu)成如圖1所示。它可分為兩個(gè)室：圓形帶有一定錐度的旋轉(zhuǎn)室和長(zhǎng)方形的分配室，兩室之間有通道相連通?；⌒涡D(zhuǎn)室分配室壩塞棒大包水口圖1 電磁凈化中間包結(jié)構(gòu)示意圖產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則夾雜物由于密度比鋼液輕向中心遷移，進(jìn)而碰撞長(zhǎng)大上浮而去除；大包鋼液注入圓形腔，在圓形腔經(jīng)電磁凈化后，從圓形腔的底部通道進(jìn)入分配室和流入結(jié)晶器。中間包的容量為8噸，液位高度為760mm，大包水口的浸入深度為200 mm，入口處的鋼液流量為1000kg/min，本次計(jì)算取旋轉(zhuǎn)室內(nèi)金屬液的轉(zhuǎn)速為40r/min。3 電磁凈化中間包流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型3.1 基本控制方程連續(xù)性方程：動(dòng)量方程： 式中，為液體密度；為時(shí)均速度矢量，為壓力；為電磁力，為重力加速度，、分別為層流和湍流粘度，采用Launder和Spalding6提出的雙方程模型來(lái)確定，即： 式中，為湍動(dòng)能，為湍動(dòng)能耗散率，為一常數(shù)。、的偏微分控制方程分別為： 其中，為湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，。 3.2 電磁力電磁力可根據(jù)Maxwell方程和Ohm定律計(jì)算。本文采用由Spitzer7等推導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電磁力計(jì)算公式： 其中，為金屬液切向速度，為金屬液導(dǎo)電率，為金屬液的磁導(dǎo)率，為極對(duì)數(shù)，本研究中=1。為熔體表面周期性變化磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值。 在笛卡爾坐標(biāo)系下電磁力的表達(dá)式為： 3.3 流場(chǎng)邊界條件中間包入口。入口速度根據(jù)下式確定：入口處湍動(dòng)能和耗散率由下式確定，即： 其中，為入口處的質(zhì)量流量，為水口的橫截面面積，為水口當(dāng)量半徑。在自由液面上，忽略自由液面的波動(dòng)，。在固體壁面，采用無(wú)滑移邊界條件；采用經(jīng)驗(yàn)壁面函數(shù)確定靠近壁面節(jié)點(diǎn)處的切向速度、湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率；中間包出口。各速度分量、和、沿出口法線方向的梯度均為零。3.4 求解方法本研究采用CFX商業(yè)軟件進(jìn)行流場(chǎng)的模擬，采用有限體積法離散模型微分方程，用SIMPLE法求解離散后的模型非線性方程。模擬時(shí)將電磁力包含在動(dòng)量守恒方程的體積力源項(xiàng)中。采用混合網(wǎng)格進(jìn)行整個(gè)求解區(qū)域的網(wǎng)格劃分，為保證計(jì)算精度在入口、出口以及靠近固體壁面處設(shè)置較密的網(wǎng)格。當(dāng)各變量的均方根殘差小于1e-4時(shí)，認(rèn)為迭代收斂。4 數(shù)值模擬結(jié)果及討論4.1 電磁凈化中間包分配室內(nèi)無(wú)壩時(shí)的流場(chǎng)(a)(b)圖2 無(wú)壩時(shí)不同高度處電磁凈化中間包內(nèi)的流場(chǎng)分布(a)z=0.5m；(b)z=0.25m；(c)z=0.05m圖2為分配室內(nèi)未設(shè)置壩時(shí)，中間包內(nèi)z方向上幾個(gè)不同位置高度處水平截面內(nèi)的流線圖，從圖中可以看出, 在旋轉(zhuǎn)室內(nèi)，鋼液在電磁力作用下產(chǎn)生水平旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，這種流動(dòng)狀態(tài)促進(jìn)了輕相的夾雜物向旋轉(zhuǎn)中心區(qū)集中，且旋轉(zhuǎn)攪拌的作用促進(jìn)了夾雜物的碰撞和聚合而大型化，有利于夾雜物的上浮分離。同時(shí)水平旋流運(yùn)動(dòng)改變了旋轉(zhuǎn)室內(nèi)垂直方向的流場(chǎng)，具有抑制鋼液短路流動(dòng)的效果，延長(zhǎng)了鋼液在旋轉(zhuǎn)室內(nèi)的停留時(shí)間。在旋轉(zhuǎn)室出口處，在慣性力的作用下，旋轉(zhuǎn)室出流以近似于切線的方向碰撞到連接通道的后部壁面。由于流動(dòng)在旋轉(zhuǎn)室內(nèi)被加速，因此形成一較強(qiáng)的流股流向分配室，在該流股附近由于較大的壓差將形成一回流向旋轉(zhuǎn)室的漩渦（如圖2中箭頭所示）。流股進(jìn)入分配室后發(fā)生偏旋，隨后以一定旋流角度沿平行于包底的方向鋪展流動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)室內(nèi)金屬液旋轉(zhuǎn)速度較大時(shí)，旋轉(zhuǎn)室出流的旋流強(qiáng)度增加，當(dāng)旋流流股碰撞到靠近塞棒處的中間包右側(cè)壁時(shí)形成較強(qiáng)的回流漩渦，這種漩渦促進(jìn)了出口匯流漩渦的形成，而且這種流動(dòng)方式增大了分配室內(nèi)短路流的發(fā)生，流動(dòng)狀況對(duì)夾雜物的進(jìn)一步去除非常不利。4.2 電磁凈化中間包分配室內(nèi)設(shè)置矩形壩時(shí)的流場(chǎng)(a)(b)(c)圖3 設(shè)置矩形壩時(shí)不同高度處電磁凈化中間包內(nèi)的流場(chǎng)分(a)z=0.5m(b)z=0.25m；(c)z=0.05m；圖4 流場(chǎng)結(jié)果讀取截面示意圖圖5 壩前方Y(jié)Z截面內(nèi)的流場(chǎng)分布圖6 靠近分配室前包壁ZX截面內(nèi)的流場(chǎng)分布圖3為電磁凈化中間包內(nèi)不同z向高度處水平截面內(nèi)的流場(chǎng)分布，從圖中可以看出，在分配室設(shè)置矩形壩之后，由于壩對(duì)鋼液流動(dòng)的阻擋作用，因此減輕了上述無(wú)壩時(shí)短路流、匯流漩渦等不利流動(dòng)狀況的的發(fā)生，從而延長(zhǎng)了鋼液在分配室內(nèi)的停留時(shí)間。由于旋轉(zhuǎn)室出口旋流的影響，鋼液進(jìn)入分配室的方式發(fā)生了改變，因此分配室內(nèi)的流動(dòng)特性與傳統(tǒng)中間包有較大的差別。圖5（圖5、6的流場(chǎng)結(jié)果讀取截面示意圖見(jiàn)圖4）為旋流進(jìn)入分配室后的流動(dòng)狀態(tài)圖，從圖中可以看出，旋轉(zhuǎn)室出流股進(jìn)入分配室后在慣性力作用下產(chǎn)生偏旋流動(dòng)，主要的流股朝著前包壁方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)壁面后沿著包壁指向液面流動(dòng)，由于旋流原因造成的流動(dòng)非對(duì)稱性，鋼液向著前方包壁的流動(dòng)較強(qiáng)，而向著后方包壁的運(yùn)動(dòng)則較弱。當(dāng)旋轉(zhuǎn)室內(nèi)金屬液轉(zhuǎn)速較大時(shí)，出口旋流的偏旋性越強(qiáng)，這種非對(duì)稱性更加明顯。由圖6還可以看出，由于流股碰撞壩壁之后產(chǎn)生了回旋流動(dòng)，因此一部分流股碰到左側(cè)中間包壁后沿著壁面向液面運(yùn)動(dòng)。在無(wú)壩及采用矩形壩的情況下，旋轉(zhuǎn)室出流的偏旋特性引起了分配室內(nèi)前、后區(qū)域流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，這種非對(duì)稱性造成了鋼液對(duì)分配室前包壁較強(qiáng)的沖刷，并進(jìn)一步引起了靠近前包壁處液面較大的波動(dòng)，有可能加大卷渣現(xiàn)象和鋼液裸露現(xiàn)象的發(fā)生。因此應(yīng)減小這種流動(dòng)非對(duì)稱性帶來(lái)的不利影響。4.3 電磁凈化中間包分配室內(nèi)設(shè)置T形壩時(shí)流場(chǎng)矩形壩，z=0.25mT形壩，z=0.25m圖7 采用不同形狀的壩時(shí)壩前方流場(chǎng)的比較矩形壩，z=0.05mT形壩，z=0.05m圖8采用不同形狀的壩時(shí)壩前方流場(chǎng)的比較圖9 分配室內(nèi)靠近T形壩擋塊ZX截面內(nèi)的流場(chǎng)分布圖10 壩前方Y(jié)Z截面內(nèi)的流場(chǎng)分布由于旋轉(zhuǎn)室出口旋流造成的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)非對(duì)稱性會(huì)對(duì)分配室內(nèi)鋼液的流動(dòng)帶來(lái)不利，因此，為了改進(jìn)分配室內(nèi)的流場(chǎng)，本文針對(duì)旋轉(zhuǎn)室出口旋流的偏旋特征，設(shè)計(jì)了抑制旋流偏旋的T形壩裝置，即在矩形壩的基礎(chǔ)上，在旋流發(fā)生偏旋的地方增設(shè)了一擋塊，擋塊具有抑制旋流發(fā)生偏旋的作用。圖7、8分別為采用T形壩和矩形壩時(shí)流場(chǎng)分布的對(duì)比圖，從圖中可以看出，采用T形壩之后，由于附加擋塊的阻擋作用，旋流流股在碰撞壩壁之后發(fā)生能量的耗散，部分鋼液向著偏旋方向的反方向流動(dòng)，而部分鋼液碰到壩壁之后則產(chǎn)生了直接導(dǎo)向液面的流動(dòng)（如圖9所示）。由于旋流股能量的分散，旋流的偏旋特征得到了抑制，分配室內(nèi)前、后方流動(dòng)變得均勻，這種流動(dòng)可使鋼液混合均勻，從而減小分配室后方區(qū)域的死區(qū)體積。從圖10也可以看出，采用T形壩后，旋流進(jìn)入分配室后分成基本均勻的兩流股分別沿著前、后包壁向液面流動(dòng)。與設(shè)置矩形壩時(shí)相比，分配室內(nèi)這種前、后區(qū)域較為均勻的流動(dòng)避免了鋼液對(duì)前方包壁過(guò)多的沖刷，同時(shí)也可減小靠近前包壁區(qū)域液面的波動(dòng)，該種流動(dòng)方式有利于夾雜物的進(jìn)一步去除。5 結(jié) 論本文采用數(shù)值模擬的手段，研究了電磁凈化中間包內(nèi)有、無(wú)流動(dòng)控制裝置時(shí)鋼液的流動(dòng)特征，結(jié)果表明： (1) 由于電磁場(chǎng)的引入，離心中間包較普通連鑄中間包內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有了較大改變，旋轉(zhuǎn)室內(nèi)鋼液的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特性將增進(jìn)夾雜物的碰撞和聚合，有利于夾雜物的上浮去除。(2) 旋轉(zhuǎn)室出口旋流影響分配室鋼液的流動(dòng)特征，其偏旋性質(zhì)引起了分配室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性。不采用壩時(shí)，偏旋流動(dòng)增大了分配室內(nèi)短路流的發(fā)生，且在高轉(zhuǎn)速時(shí)易形成匯流漩渦。而設(shè)置壩后可以改善鋼液這些不利的流動(dòng)狀況。(3) 與采用矩形壩相比，具有抑制旋流偏旋作用的T形壩裝置能夠改善分配室內(nèi)鋼液流動(dòng)的非對(duì)稱性，使鋼液混合均勻，同時(shí)可以減輕鋼液對(duì)前方包壁的沖刷以及減小靠近前方包壁處液面的波動(dòng)。參 考 文 獻(xiàn)1 王建軍，包燕平，曲英中間包冶金學(xué)M冶金工業(yè)出版社，20012 Y. Miki, H. Kitaoka, T. Sakuraya and T. Fujii: ISIJ Int., 32 (1992), No. 1, 142.3 Y. Miki, H. Kitaoka, T. Fujii, S. Saito and K. Komamura: Proc. of1st Int. Symp. on Electromagnetic Processing of Materials, ISIJ, Tokyo, (1994), 217.4 Y. Miki, H.Kitaoka,N. Bessho, T. Sakuraya, S. Ogura and M. Kuga:Tetsu-to-Hagan, 82 (1996), No. 6, 40.5 李寶寬,齊鳳升.利用彎水口提高離心式中間包鋼液旋流強(qiáng)度的研究.金屬學(xué)報(bào)，2007,43（3）.6 Launder B E, Spalding DB. Computer Method in Applied Mechanics and Engineering M19747 K.H.Spitzer, M.Duke and K.Schwerdtfeger:Metall.Trans.B,17B(1986),119.Numerical Simulation of Flow PATTERN in Tundish for Electromagnetic PurificationWANG Yun, ZHONG Yunbo, REN Zhongming, WANG Baojun, LEI Zuosheng，REN Weili Shanghai Key Laboratory of Modern Metallurgy &Material Processing, Shanghai UniversityABSTRACT In this paper, flow characteristics in tundish for electromagnetic purification is simulated through mathematical simulation method. Simulation results show that: due to the effect of electromagnetic force, the molten steel in the rotation chamber rotated in a horizontal pattern, which will accelerate the inclusion collision, coalescence and flotation; In addition, the flow structure in the distribution chamber is influenced by the swirling flow from the rotation chamber thus leads to the asymmetrical distribution in the flow structure. And in order to avoid the effect brought by asymmetrical distribution, a T-shaped dam is designed to restrain the swirling flow based on the swirli