中间包电磁净化技术中流场的数值模拟

2007年炉外精炼年会论文集2252007年7月LadleRefining2007AnnualMeetingProceedingsJuly.2007中间包电磁净化技术中流场的数值模拟王赟钟云波任忠鸣王保军雷作胜任维丽上海大学材料学院上海市现代冶金与材料制备重点实验室,上海200072摘要本文采用数值模拟的方法对电磁净化中间包内钢液的流动特征进行了模拟研究。结果表明：中间包旋转室内的钢液在电磁力作用下产生水平旋转流动，该种流动方式能促进夹杂物的碰撞、聚合及上浮；旋转室出口旋流影响了分配室内的流动结构，其偏旋特性引起了分配室内流场结构的非对称性。为了减轻流动非对称性对分配室内流场带来的不利影响，针对旋流的偏旋特征，设计了具有抑制旋流偏旋的T形坝装置。模拟结果表明采用T形坝之后，减轻了流场结构的非对称性，分配室内的流动更为均匀，其流动方式对于夹杂物的进一步去除更为有利。关键词中间包，电磁净化，流场，数值模拟1引言为了改善中间包内的流动状况和促进夹杂物的去除,目前普遍采用中间包扩容和优化设计、吹氩等技术和措施来促进中间包内夹杂物上浮分离，使钢液净化[1]。然而，随着对钢材质量要求的提高以及钢液二次精炼成本的上升，需进一步开发高效的夹杂物分离技术。在此背景下，日本川崎钢铁公司于1990年代中成功研发了中间包电磁净化技术[2，5]，该技术利用电磁场的非接触作用，在钢液中产生电磁力，驱动钢液在水平方向上旋转，使其中的夹杂物向中心聚集、碰撞长大，加之在高温的钢液中，夹杂物碰撞后聚合长大的速度很快，而夹杂物上浮速度又与夹杂物粒径的平方成正比，长大后的夹杂物上浮速度成倍提高，因此夹杂去除效率大为增加。目前该种颇具潜力的钢液净化技术已得到了冶金工作者的广泛关注。因此,掌握旋转磁场作用下钢液的流动特征，对研究该种特殊的流动状态下夹杂物去除的机制以及优化设计电磁净化用中间包结构甚为重要。本文采用数学模拟方法对离心中间包内钢液的流动特性进行了研究,分析了中间包中有、无流动控制装置时钢液的流动状况，旨在揭示电磁净化中间包内钢液流动的特征，为离心中间包内流动控制装置的优化设计提供信息及依据，以便指导生产实践。2电磁净化用中间包计算模型本实验计算模型以国内某厂拟采用的电磁净化用中间包为原型，其基本构成如图1所示。它可分为两个室：圆形带有一定锥度的旋转室和长方形的分配室，两室之间有通道相连通。弧形图1电磁净化中间包结构示意图产生旋转运动，则夹杂物由于密度比钢液轻向中心迁移，进而碰撞长大上浮而去除；大包钢液注入圆形腔，在圆形腔经电磁净化后，从圆形腔的底部通道进入分配室和流入结晶器。中间包的容量为8吨，液位高度为760mm，大包水口的浸入深度为200mm，入口处的钢液流量为1000kg/min，本次计算取旋转室内金属液的转速为40r/min。3电磁净化中间包流场的数学模型3.1基本控制方程连续性方程：0U动量方程：gFPUUUemtl2式中，为液体密度；U为时均速度矢量，P为压力；emF为电磁力，g为重力加速度，l、t分别为层流和湍流粘度，t采用Launder和旋转室分配室坝塞棒大包水口•226•2007年炉外精炼年会论文集2007年7月Spalding[6]提出的k双方程模型来确定，即：2kCt式中，k为湍动能，为湍动能耗散率，C为一常数。k、的偏微分控制方程分别为：GkkUlktkCGkCUlt221其中，jiijjitxuxuxuG，为湍流动能产生项，44.11C，92.12C，0.1k，3.1。3.2电磁力电磁力可根据Maxwell方程和Ohm定律计算。本文采用由Spitzer[7]等推导的旋转磁场电磁力计算公式：3222081rrvBFmrrrvBF2021其中，sincosxyvvv，为金属液切向速度，为金属液导电率，m为金属液的磁导率，sradpf/2，p为极对数，本研究中p=1。0B为熔体表面周期性变化磁感应强度的幅值。在笛卡尔坐标系下电磁力的表达式为：sincosFFFrxcossinFFFry3.3流场边界条件①中间包入口。入口速度inv根据下式确定：nozzleinAQv/入口处湍动能ink和耗散率in由下式确定，即：201.0ininvknozzleininrk/5.1其中，Q为入口处的质量流量，nozzleA为水口的横截面面积，nozzler为水口当量半径。②在自由液面上，忽略自由液面的波动，0wzzkzvzu。③在固体壁面，采用无滑移边界条件；采用经验壁面函数确定靠近壁面节点处的切向速度、湍动能和湍动能耗散率；④中间包出口。各速度分量u、v、w和k、沿出口法线方向的梯度均为零。3.4求解方法本研究采用CFX商业软件进行流场的模拟，采用有限体积法离散模型微分方程，用SIMPLE法求解离散后的模型非线性方程。模拟时将电磁力包含在动量守恒方程的体积力源项中。采用混合网格进行整个求解区域的网格划分，为保证计算精度在入口、出口以及靠近固体壁面处设置较密的网格。当各变量的均方根残差小于1e-4时，认为迭代收敛。4数值模拟结果及讨论4.1电磁净化中间包分配室内无坝时的流场图2无坝时不同高度处电磁净化中间包内的流场分布(a)z=0.5m；(b)z=0.25m；(c)z=0.05m图2为分配室内未设置坝时，中间包内z方向上几个不同位置高度处水平截面内的流线图，从图中可以看出,在旋转室内，钢液在电磁力作用下产生水平旋转流动，这种流动状态促进了轻相的夹杂物向旋转中心区集中，且旋转搅拌的作用促进了夹杂物的碰撞和聚合而大型化，有利于夹杂物的上浮分离。同时水平旋流运动改变了旋转室内垂直方向的流场，具有抑制钢液短路流动的效果，延长了钢液在旋转室内的停留时间。在旋转室出口处，在惯性力的作用下，旋转室出流以近似于切线的方向碰撞到连接通道的后部壁(a)(b)July.20072007年炉外精炼年会论文集•227•面。由于流动在旋转室内被加速，因此形成一较强的流股流向分配室，在该流股附近由于较大的压差将形成一回流向旋转室的漩涡（如图2中箭头所示）。流股进入分配室后发生偏旋，随后以一定旋流角度沿平行于包底的方向铺展流动。当旋转室内金属液旋转速度较大时，旋转室出流的旋流强度增加，当旋流流股碰撞到靠近塞棒处的中间包右侧壁时形成较强的回流漩涡，这种漩涡促进了出口汇流漩涡的形成，而且这种流动方式增大了分配室内短路流的发生，流动状况对夹杂物的进一步去除非常不利。4.2电磁净化中间包分配室内设置矩形坝时的流场图3设置矩形坝时不同高度处电磁净化中间包内的流场分(a)z=0.5m(b)z=0.25m；(c)z=0.05m；图4流场结果读取截面示意图图5坝前方YZ截面内的流场分布图6靠近分配室前包壁ZX截面内的流场分布图3为电磁净化中间包内不同z向高度处水平截面内的流场分布，从图中可以看出，在分配室设置矩形坝之后，由于坝对钢液流动的阻挡作用，因此减轻了上述无坝时短路流、汇流漩涡等不利流动状况的的发生，从而延长了钢液在分配室内的停留时间。由于旋转室出口旋流的影响，钢液进入分配室的方式发生了改变，因此分配室内的流动特性与传统中间包有较大的差别。图5（图5、6的流场结果读取截面示意图见图4）为旋流进入分配室后的流动状态图，从图中可以看出，旋转室出流股进入分配室后在惯性力作用下产生偏旋流动，主要的流股朝着前包壁方向运动，到达壁面后沿着包壁指向液面流动，由于旋流原因造成的流动非对称性，钢液向着前方包壁的流动较强，而向着后方包壁的运动则较弱。当旋转室内金属液转速较大时，出口旋流的偏旋性越强，这种非对称性更加明显。由图6还可以看出，由于流股碰撞坝壁之后产生了回旋流动，因此一部分流股碰到左侧中间包壁后沿着壁面向液面运动。在无坝及采用矩形坝的情况下，旋转室出流的偏旋特性引起了分配室内前、后区域流场结构的非对称性，这种非对称性造成了钢液对分配室前包壁较强的冲刷，并进一步引起了靠近前包壁处液面较大的波动，有可能加大卷渣现象和钢液裸露现象的发生。因此应减小这种流动非对称性带来的不利影响。4.3电磁净化中间包分配室内设置T形坝时流场图7采用不同形状的坝时坝前方流场的比较(a)(b)(c)矩形坝，z=0.25mT形坝，z=0.25m•228•2007年炉外精炼年会论文集2007年7月图8采用不同形状的坝时坝前方流场的比较图9分配室内靠近T形坝挡块ZX截面内的流场分布图10坝前方YZ截面内的流场分布由于旋转室出口旋流造成的流场结构非对称性会对分配室内钢液的流动带来不利，因此，为了改进分配室内的流场，本文针对旋转室出口旋流的偏旋特征，设计了抑制旋流偏旋的T形坝装置，即在矩形坝的基础上，在旋流发生偏旋的地方增设了一挡块，挡块具有抑制旋流发生偏旋的作用。图7、8分别为采用T形坝和矩形坝时流场分布的对比图，从图中可以看出，采用T形坝之后，由于附加挡块的阻挡作用，旋流流股在碰撞坝壁之后发生能量的耗散，部分钢液向着偏旋方向的反方向流动，而部分钢液碰到坝壁之后则产生了直接导向液面的流动（如图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，分配室内前、后方流动变得均匀，这种流动可使钢液混合均匀，从而减小分配室后方区域的死区体积。从图10也可以看出，采用T形坝后，旋流进入分配室后分成基本均匀的两流股分别沿着前、后包壁向液面流动。与设置矩形坝时相比，分配室内这种前、后区域较为均匀的流动避免了钢液对前方包壁过多的冲刷，同时也可减小靠近前包壁区域液面的波动，该种流动方式有利于夹杂物的进一步去除。5结论本文采用数值模拟的手段，研究了电磁净化中间包内有、无流动控制装置时钢液的流动特征，结果表明：(1)由于电磁场的引入，离心中间包较普通连铸中间包内的流场结构有了较大改变，旋转室内钢液的旋转运动特性将增进夹杂物的碰撞和聚合，有利于夹杂物的上浮去除。(2)旋转室出口旋流影响分配室钢液的流动特征，其偏旋性质引起了分配室内流场结构的非对称性。不采用坝时，偏旋流动增大了分配室内短路流的发生，且在高转速时易形成汇流漩涡。而设置坝后可以改善钢液这些不利的流动状况。(3)与采用矩形坝相比，具有抑制旋流偏旋作用的T形坝装置能够改善分配室内钢液流动的非对称性，使钢液混合均匀，同时可以减轻钢液对前方包壁的冲刷以及减小靠近前方包壁处液面的波动。参考文献1王建军，包燕平，曲英．中间包冶金学[M]．冶金工业出版社，2001．2Y.Miki,H.Kitaoka,T.SakurayaandT.Fujii:ISIJInt.,32(1992),No.1,142.3Y.Miki,H.Kitaoka,T.Fujii,S.SaitoandK.Komamu-ra:Proc.of1stInt.Symp.onElectromagneticProcessingofMaterials,ISIJ,Tokyo,(1994),217.4Y.Miki,H.Kitaoka,N.Bessho,T.Sakuraya,S.OguraandM.Kuga:Tetsu-to-Hagané,82(1996),No.6,40.5李宝宽,齐凤升.利用弯水口提高离心式中间包钢液旋流强度的研究.金属学报，2007,43（3）.6LaunderBE,SpaldingDB.ComputerMethodinAp-pliedMechanicsandEngineering[M]．1974．7K.H.Spitzer,M.DukeandK.Schwerdtfeger:Metall.Trans.B,17B(1986),119.矩形坝，z=0.05mT形坝，z=0.05mJuly.20072007年炉外精炼年会论文集•229•NumericalSimulationofFlo