电磁制动对薄板坯连铸结晶器涡流的影响

结晶器电磁制动文献

2009年第2期

鞍钢技术

ANGANGTECHNOLOGY

总第356期

国外钢铁

电磁制动对薄板坯连铸结晶器涡流的影响

BaokuanLI,FumitakaTSUKIHASHI

摘要:开发了数学模型,以研究电磁制动(EMBR)对薄板坯连铸结晶器涡流的影响。结晶器内熔融钢水由结晶器浸入式水口(SEN)的两个侧孔流出。采用低雷诺数k-E紊流模型计算有效粘度。数学模拟表明,即使在水口外形对称和注流稳定的条件下也能产生非对称的涡流。模拟中的非对称流动由数据冗余引起,数据冗余代替了实际生产中的水口堵塞、水口不对中和随机湍流等。涡流强度取决于由水口出流角和拉速决定的结晶器表面流速。施加静态磁场可以显著抑制涡流和改变涡流形态,但不能将其彻底消除。表面流速随线圈电流的减小而显著降低,同时结晶器内的波高明显变小。此外,浸入式水口附近由涡流引起的失稳区逐渐变得稳定。结晶器下部的下降流流速受到抑制并形成活塞流。

关键词:连铸;电磁制动;薄板坯;涡流;数学模型

1 前言

为降低成本,提高产能,薄板坯连铸技术得到

了广泛应用。与弯月面稳定性、液面波动和结晶器卷渣相关的问题变得更加严重。因此,通过采用恰当的浸入式水口(SEN)结构、优化操作条件和使用电磁制动来控制熔融钢水流动,已成为提高质量和产能的一个重要研究领域。国内外学者开展了许多研究,以开发多种分析连铸结晶器中流体流动的数学模型。然而,由于绝大部分模型都局限于简单几何外形产品的连铸,例如小方坯、板坯和大方坯。很少见到薄板坯连铸工艺流体流动的相关报道。

Honeyand等仅进行了简单水口平行板型结晶器的水模型研究,研究结果表明,即使注流稳定并沿中心线对称,结晶器内的波动仍很剧烈。Oo'nnor等分析了CSP(薄板坯连铸连轧)工艺结晶器热传导和应力,并再现了热循环造成的结晶器易开裂区。此外,还预测了结晶器的变形。尽管获得了关于变形的相当好的研究结果,但由于他们的研究主要集中于结晶器应力分析,在结晶器和钢水温度计算中忽略了流体的对流。Nam等基于适体坐标系,采用有限体积法开发了三维数学模型,综合分析漏斗形结晶器内流体流动、热传导和凝固。然而,假定结晶器中的流体流动和热传导是双对称的,只分析了结晶器的1/4。GuptaandLahri研究了板坯连铸结晶器底部的非

对称流动并发现流动模式是变化的。Yuan等采用大涡数值分析法(LES)和粒子图像测速法(PIV)研究了板坯连铸结晶器内的单相瞬态紊流。观察了复杂涡流结构,即两种典型紊流的结

构,包括多种相对简单或复杂的涡流,涡流分散的更小或合并成更大的涡流。这两种流动模式相互交替。Ramos-Banderas等采用大涡数值分析法分析了板坯结晶器水模型的非稳态流体流动,他们的研究表明:由于存在标志紊流的残余雷诺应力,注流中心的垂直振动使流动模式随时间变化。

关于连铸结晶器涡流的研究很少。笔者研究了平行板型结晶器的流动模式,发现涡流不能完全避免,即涡流形成是由于水口不对中、水口堵塞、滑动水口和湍流等初始扰动使涡流在浸入式水口附近产生。本文分析了漏斗形板坯连铸结晶器宽边上部涡流,同时研究了电磁制动对流场的影响。接近结晶器出口,铸坯向结晶器内收缩,横截面积减小。薄板坯连铸结晶器最大拉速达6m/min,允许铸坯厚度为50~70mm,而传统铸坯厚度为150~350mm。

2 数学模型

2.1 公式

开发了有限元模型,用以分析图1中所示薄板坯连铸结晶器部分的钢水流动。一般来说,因为假设结晶器为双对称,只需要模拟它的1/4。

)

51)

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5鞍钢技术62009年第2期

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但在本文中研究了整个结晶器的非对称流动的特性。计算得到的雷诺数远远超过10000,说明即使远离水口流动也非常紊乱。LamandBremhorst提出由于结晶器壁无需壁面函数,应用低雷诺数紊流模型非常方便。圆柱坐标下,三维流动的时均传输控制方程采用以下公式表示:

▽(QV<)=▽#(#<▽<)+S<

(1)

式中:V表示速度向量,其三个分量u、v和w分别表示x、y和z方向上的时均速度。变量f表示不同的时均量,即平均速度、湍动能(k)和湍动能耗散率(e)。#<代表扩散变量的扩散率。压力、体积力、组合和分解都包含在源项S<中。几种流动方程见表1

。

图1 薄板坯连铸应用电磁制动示意图

表1 通用方程变量

方程连续性x方向分量y方向分量z方向分量

湍动能湍动能耗散率

<lUVW KE

#<0LeLeLe Lt

RkLtRE

G=Lt

2(Su=Sv=Sw=

S<0

99u99v99w9p(L)+(L)+(L)-+Fxeee99u99v99w9p(L)+(L)+(L)-+Fyeee99u99v99w9p(Le)+(Le)+(Le)-+Qg+FzSk=G-QE

9u29v29w29u9v29u9w29w9v2)+2()+2()+(+)+(+)+(+)9x9y9z9y9x9z9x9y9z

SE=C1f1G

EE2

-C2f2有效粘度

CLfLQk2

Lt=Le=L+Lt

E

fL=[1-exp(-0.0165Rw)](1+

20.50.053

),f1=1+(),f2=1-e-RtfL

Rt2

C1=1.44,C2=1.92,CL=0.09,Rk=1.0,RE=1.3,Rc=1.0

描述流场中涡流的行为,涡流状态X分别定义如下:

X=▽@V

)

X=-▽W式中:W为流量函数。2.2 电磁力

2

(3)

(2)

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