论文摘要
在钢的连铸过程中,改善结晶器内钢液的流动状态已经成为提高连铸效率、改善铸坯质量的重要手段之一。而浸入式水口中钢液的旋转流动可以有效地提高水口出流的均匀性和稳定性,降低结晶器内弯月面液面波动,改善结晶器内流动状态。电磁旋流水口技术是一种新的浸入式水口内产生旋流的连铸工艺,即利用浸入式水口外可移动的电磁旋流装置产生的旋转电磁场对钢液的洛伦兹力,以非接触的方式使水口内钢液形成旋转流动,不仅可以避免水口堵塞,使旋流连铸得以应用,并且可以在更大范围内对旋流水口进行优化设计,有望获得更好的连铸效果。本文使用基于有限元法的商业软件ANSYS来模拟电磁场,研究了不同形状电磁旋流装置对浸入式水口内钢液磁场的影响。流场的计算采用基于有限容积法的FLUENT软件,期间采用线性插值的方法将单元节点上的力插值到单元中心上,再通过UDF将ANSYS计算的电磁力以源项的形式导入到FLUENT中计算流场。通过流场计算,对电磁旋流水口在钢圆坯、方坯及板坯连铸中的应用进行了模拟研究。结果表明,采用圆形电磁旋流装置时,浸入式水口内钢液磁场分布最均匀,磁感应强度及电磁力数值最大；半圆形和马蹄形时,钢液内磁场分布极不均匀；而改进马蹄形时,磁感应强度及电磁力在大小上与圆形时较为接近,电磁力能达到圆形时电磁力数值的80%。从实际应用的角度出发,改进马蹄形电磁旋流装置也是可考虑的选择之一。同时,也分析了电流强度及频率对浸入式水口内钢液磁场的影响,发现磁感应强度随电流的增大而增大,随频率的增大而减小,而电磁力随着电流和频率的增大都增大。电流强度500A,频率50 Hz时,圆形电磁旋流装置能在装置中心处产生约0.6 T的磁场。针对圆坯连铸,重点研究了电磁旋流装置结构对浸入式水口内钢液流场的影响,以及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,并引入滑动水口,研究了电磁旋流对由滑动水口引起的偏流的抑制作用。研究发现,同样采用线圈电流500 A,频率50 Hz时,在圆形电磁旋流装置作用下,浸入式水口内的钢液速度分布最均匀,且在同等条件下速度值最大,在装置中心处,最大旋流速度约为3 m/s。改进马蹄形时,左侧速度为2.3 m/s,右侧为2.2 m/s,左右切线速度偏差率为4.3%,与圆形时最为接近。电磁旋流可以减少水口出流的冲击深度,增强上返流。其带来的温度场变化是高温区域上移,弯月面温度提高。采用500 A,50 Hz电磁旋流相比于无旋流时,上返流流速增强约60%,弯月面温度提高2 ℃左右。相比于传统直型水口,采用渐开式水口时,旋流的效果能得到充分的发挥,钢液在水口出口处散开更大,结晶器内流场、温度场分布更加均匀,上返流更大,弯月面温度明显提高。在500 A,50 Hz电磁旋流作用下,采用渐开式水口时与采用传统直型水口时相比,上返流流速提高约450%,弯月面温度提高约10 ℃。引入滑动水口后会在水口及结晶器内产生偏流,而电磁旋流可有抑制偏流。并且电磁旋流配合渐开式水口可以使偏流得到有效抑制。针对方坯连铸,通过数值模拟研究了电流强度和浸入式水口结构对浸入式水口及结晶器内流场、温度场的影响,并通过Pb-Sn-Bi合金的电磁旋流模型实验验证了计算方法的准确性。研究发现,浸入式水口内磁场和旋流速度随着电流强度的增加而增加。浸入式水口内的电磁旋流可以减少水口出流的冲击深度,增强上返流,在结晶器角部附近可以观察到撞击流,上述流场变化提高了结晶器弯月面温度,有效提高了结晶器角部温度,均匀了结晶器温度场。相比于无旋流,500 A,50 Hz电磁旋流时,水口出口处的角部温度提高4 ℃C左右,水口出口下方的角部温度提高8 ℃左右。与传统直型水口相比,采用渐开式水口能减少水口出流的冲击深度,增强上返流。弯月面温度也明显提高,提高4 ℃左右,并且弯月面处结晶器角部温度也提高4 ℃左右。针对板坯连铸,通过对和歌山机械旋流水口进行还原计算,验证流场计算方法的准确性。然后通过电磁旋流水口与机械旋流水口的对比,验证电磁旋流水口的可行性。研究发现,采用圆形电磁旋流装置,线圈电流强度250 A,频率50 Hz时,对水口侧开口上部弧形化优化后,可以完全抑制侧开口上部负压区域,且钢液沿水口侧开口中部均匀地流入结晶器,有利于获得均匀稳定的结晶器内流场、温度场分布。对水口进行顺时针旋转优化或者侧开口错开式优化可以减少因旋流造成的水口出流对结晶器宽面的冲击。改变水口侧开口下方倾角,有助于改变水口出流主流在竖直面上的方向,可以控制弯月面温度。为莱钢设计的全新浸入式水口,配合500 A,50 Hz电磁旋流,可以稳定水口出流,均匀结晶器内流场、温度场。