电磁环境下板坯结晶器内钢水流场的数值模拟

电磁环境下板坯结晶器内钢水流场的数值模拟

许长军¹， 胡 林¹， 汪 琦¹， 王 超²

(1．辽宁科技大学材料科学与工程学院，辽宁鞍山114051；2．东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳110004)

摘 要：以2150mm板坯连铸机为研究对象，在商业软件CFX平台上对结晶器内钢水流动和液面波动过程进行了静态电磁场下的数值模拟与分析，重点研究了两种环境(有电磁制动与无电磁制动)下钢水流动状态的变化，对电磁环境下结晶器内钢水流动做出了较为详细的预报。

关键词：电磁制动；结晶器；流场；数值模拟

目前，越来越多的钢铁企业开始把实现高拉速板坯连铸列为追求的目标。在高拉速连铸过程中，钢水的冲击深度与强度都非常大，使得结晶器内钢水流动行为更加难以控制，由此，电磁制动技术在板坯连铸过程中不断发展起来并得到广泛应用^[1]。在连铸结晶器中应用电磁制动可抑制钢水射流对结晶器壁面的冲刷和液面波动，从而降低卷渣和夹杂物等缺陷的发生率^[2-4]。但由于国内钢铁企业大多引用国外电磁制动装置，因此，电磁制动参数、电磁力作用下结晶器内流场的变化等都有待进一步研究和优化。本文采用商业流体分析软件CFX，基于铸坯断面、拉坯速度、浸入式水口结构、恒定磁场强度以及适当的冷却工艺参数，进行结晶器内钢水三维流场的数值模拟。

1 数学模型

1．1控制方程

流动控制方程如下：

(1)连续性方程

▽·(ρU)=0 （1）

(2)动量方程

▽·(ρUU)= ▽·(μ_eff▽U)- ▽P F ρg （2）

(3)湍流模型

求解有效黏性系数时采用k-ε湍流模型，在商业软件CFX中已经内置，可直接调用。

(4)电磁制动控制方程

电磁制动原理^[5]就是在结晶器的两个宽面处外加一对恒稳磁场，从浸入式水口的两个侧孔吐出的流股，以相当大的速度垂直切割外加的恒定磁场，根据磁流体力学，就在其中产生感生电流，进而感生电磁力。电磁力等可由以下方程描述^[6]：

式中：ρ为钢液密度，kg／m³；U为钢液流动速度，m／s；P为流体压力，Pa；U_eff为有效黏性系数，Pa·s；F为电磁力，N／m³；B为磁感应强度，T；σ为钢液的电导率，s／m；．，为电流密度，A／m²；妒为电位，V。

1．2边界条件

在CFX商业软件平台上进行体系空间模化过程中，因体系几何关系和动力条件的对称性，实际空间体系的1／4被用作仿真计算的对象。

边界条件^[7]如下：

1)固体壁面，水口壁面上所有速度分量均为0；结晶器壁面上所有法向速度设置为0；平行壁面的速度采用非平滑边界处理。

2)对称面、自由表面，法向速度和所有其他变量的法向梯度取为0。

3)入口，入口速度由铸机拉速、铸坯断面和入口截面积按照质量守恒关系计算确定。

4)出口，所有独立变量出口的法向梯度设置0。

1．3其它相关计算条件

本研究中，电磁场按照上磁极电流490A，下磁极电流700A设定。选择了普碳钢Q235B来考察结晶器过程的流动情况，结晶器的主要参数如表l所示，浸入式水口结构如图1所示。

2研究结果与讨论

2．1 电磁环境下结晶器内流场的基本特征

图2给出了结晶器在两种环境(无电磁制动与有电磁制动)下的流场基本特征。图2(a)为结晶器内典型流场分布，钢水从水口吐出孔吐出，喷射到结晶器窄面的坯壳后分离成两个部分，分别在上下两个方向各形成两个旋涡。其中，上旋涡范围、流速都比较小，但是上漩涡是由钢水射流到坯壳后折向上方的流股造成的，它直接影响到熔池液面的起伏波动以及夹杂物的上浮情况；而下旋涡是钢水射流到坯壳后折向了与向上循环方向相反的流股，其范围、流速都比较大，进而冲击深度也比较大，其强度随着向下距离的延伸而减弱，基本占据了结晶器高度上水口下方的部分。从图2(b)可以看出，施加电磁制动以后，结晶器熔池内的钢水流场分布情况发生了较大变化，流场较无电磁制动时明显平稳，从水口吐出口喷射出的钢液被强制转变了流动方式，流速大幅度降低，与结晶器窄面撞击后的湍流脉动情况明显好转，这对于控制熔池液面波动和促进夹杂物上浮有着非常积极的作用。

2．2 电磁环境铸坯宽度对结晶器内流场分布的影响

图3给出了两种环境下不同铸坯宽度时的结晶器中心垂直截面流场分布。从图3(a)中可以看出：当铸坯宽度不断增加时，结晶器内流场分布情况并未发生明显变化，依然表现出结晶器内流场的基本特征，在熔池表面区域，上旋涡循环流股冲击熔池液面的位置与结晶器窄面铜板之间存在一段距离，钢水沿熔池液面基本上是由外向内流动的；从图3(b)中可以看出：电磁制动以后，从水口吐出孔射流而出的钢水直接穿越磁场区域，产生有效制动，进而对坯壳窄面的冲击也大为减弱。铸坯宽度较小时，结晶器熔池下部的大漩涡发展不太充分，钢水冲击深度显得很小，这有利于促进气泡及夹杂的上浮。随着铸坯宽度的增加，水口两侧和结晶器熔池下部的大漩涡逐渐发育成形并变得较为突出。弯月面附近钢液流速也明显减小，这对于控制液面波动是有积极意义的。在水口下方形成了两个小漩涡，这对于熔池内的钢水起到了更好的搅拌作用。

图4给出了两种环境下不同拉速时结晶器中心垂直截面流场的分布情况。从图4(a)可以看出，没有施加电磁制动时随着拉速的提高，水口吐出的钢水流速会迅速增大，同时对铸坯窄面的冲击也会急剧加剧，这对于夹杂物、气泡的上浮以及坯壳的凝固非常不利，甚至会增加漏钢率。在弯月面处，由于钢液更加活跃，液面波动会更加难以控制。电磁制动以后(图4(b))，随着拉速的增加，制动效果愈加明显，结晶器内钢液流动情况有明显平缓趋势，以上所提到的不利现象均能够不同程度减轻甚至可以消除，这十分有利于实现高速连铸。

2．4电磁环境下不同水口浸深对结晶器内流场分布的影响

图5给出了电磁环境中不同铸坯宽度在最高拉速下水口浸入不同深度(100、200mm)时结晶器中心垂直截面流场分布情况。从图中可以看出：随着水口浸入深度的增大，相当于制动位置相对标准位置上移，制动效果发生很大变化，对上升流股的制动明显加强，因此自由液面附近速度显著平稳，这可以有效控制液面波动，减少保护渣的卷入；然而对于下流股而言，随着水口浸入深度的增加，制动效果减弱，冲击深度会增大并逐渐发育成形并变得较为突出，这会不利于大颗粒夹杂物的上浮，同时高温钢水大部分下流，将一定程度上影响初生坯壳的形成和液面保护渣的熔化。值得一提的是水口下方的小漩涡旋转的强烈程度也随之降低并随铸坯宽度的增加而逐消失。

2．5 FC-M0ld电磁制动和工艺参数对熔池液面波动的影响

结晶器熔池液面波高差为波动最大值与波动最小值的差值，随着工艺条件的改变会发生很大改变，它与上漩涡的起伏波动密切相关，后者受钢水射流流股直接控制^[8]。图6给出了结晶器熔池液面最大波高差受电磁制动的影响，从图中可以看出，在无电磁环境下水口浸深较小时带来的熔池液面波动已处于极不安全的范围，对应5.5t／min钢水通量的最大波高差已达10mm以上，远远超过5mm的安全上限。施加电磁制动以后，可以将熔池液面起伏波动控制在一个非常理想的范围内，即使在不理想的情况下，熔池液面最大波高差可在通钢量达5.5t／min时，将其控制在5mm左右。

3 结论

1)采用电磁制动可以有效控制结晶器熔池内的钢水流动，明显减弱主流股的冲击能力，钢水流动更加平稳，有利于夹杂物及气泡的上浮，同时更多的高温钢水向上流动有利于促进保护渣充分熔化，防止裂纹产生。

2)铸坯宽度、水口浸入深度以及拉速等工艺参数都将影响到制动效果。通过数值模拟可以直观地了解到不同参数条件下的制动情况，可以为实际生产提供可靠的参考依据。

3)由于电磁制动原理的内在原因，拉速对于电磁环境下结晶器内钢水流动有着直接的影响，尤其在高拉速下可以产生显著的制动效果，其中熔池液面波动可以得到有效控制是其最积极的一个方面，这为实现高速连铸提供有利保障。

参考文献：