电磁制动对薄板坯结晶器内冶金行为的影响_李学凯.pdf

第5 8卷 第6期 2 0 2 3年6月钢 铁I r o na n dS t e e lV o l.5 8,N o.6,p 7 2-8 1 J u n e2 0 2 3 D O I:1 0.1 3 2 2 8/j.b o y u a n.i s s n 0 4 4 9-7 4 9 x.2 0 2 2 0 7 1 6电磁制动对薄板坯结晶器内冶金行为的影响李学凯1,2,张燕超1,2,张彩军1,2,肖鹏程1,2,朱立光1,3(1.华北理工大学冶金与能源学院,河北 唐山0 6 3 0 0 0;2.河北省高品质钢连铸工程技术研究中心,河北 唐山0 6 3 0 0 0;3.河北科技大学材料科学与工程学院,河北 石家庄0 5 0 0 0 0)摘 要:为进一步提高多模5孔块电磁制动系统在高效连铸过程中的应用效果,以某钢厂F T S C薄板坯结晶器以及新型多模块连续电磁制动(MM-EMB)系统为原型,将结晶器内流场特征以及钢渣界面波动程度作为评判标准,采用数值模拟手段对不同电磁条件下的结晶器流场进行多物理场的耦合计算,重点揭示了在6m/m i n的高拉速条件下,对电磁制动系统施加不同电流强度时,多模块连续电磁制动系统中不同线圈组合对薄板坯连铸结晶器内流场特征的影响规律。研究结果表明,结合5孔水口的结构特点,电磁制动(MM-EMB)系统依据其作用范围可将5组线圈分为2组控制单元,其中上部控制单元包含2组线圈,主要作用域为钢液流场上回流区域,当2组线圈施加电流由4 0 0A增加到10 0 0A时,可以有效降低钢液流股冲击钢渣界面的速度,减小钢渣界面波动;下部控制单元包含3组线圈,主要对结晶器内下回流起稳流作用,当3组线圈电流增大至8 0 0A时,涡心位置和窄面冲击点明显下降,下回流强度和范围得到了有效控制。当将2组控制单元共同作用于结晶器钢液流场,下部控制单元线圈电流为8 0 0A时,上部控制单元2组线圈施加电流取8 0 0A可以达到最佳制动效果。将数值模拟结果应用于工业试验,通过现场数据跟踪,铸坯夹渣率与裂纹率进一步降低,数值模拟手段的应用为多模块连续电磁制动系统进一步优化结晶器流场提供了理论依据与技术支持。关键词:高拉速;薄板坯;磁场;电磁制动;数值模拟文献标志码:A 文章编号:0 4 4 9-7 4 9 X(2 0 2 3)0 6-0 0 7 2-1 0I n f l u e n c eo f e l e c t r o m a g n e t i cb r a k i n go nm e t a l l u r g i c a l b e h a v i o ri nt h i np l a t e c r y s t a l l i z a t i o nL IX u e k a i1,2,Z HANGY a n c h a o1,2,Z HANGC a i j u n1,2,X I AOP e n g c h e n g1,2,Z HUL i g u a n g1,3(1.S c h o o l o fM e t a l l u r g ya n dE n e r g y,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,T a n g s h a n0 6 3 0 0 0,H e b e i,C h i n a;2.H e b e iH i g hQ u a l i t yS t e e lC o n t i n u o u sC a s t i n gE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e r,T a n g s h a n0 6 3 0 0 0,H e b e i,C h i n a;3.S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,H e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 0 0,H e b e i,C h i n a)基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 1 7 4 3 1 3,5 1 9 0 4 1 0 7)作者简介:李学凯(1 9 9 8),男,硕士生;E-m a i l:1 3 5 8 2 6 3 5 5 2q q.c o m;收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 6通信作者:张彩军(1 9 7 1),男,博士,教授;E-m a i l:z h a n g c a i j u n 1 2 6.c o mA b s t r a c t:I no r d e r t of u r t h e r i m p r o v et h ea p p l i c a t i o ne f f e c to fm u l t i-m o d u l ee l e c t r o m a g n e t i cb r a k i n gs y s t e mi nt h ep r o c e s so f e f f i c i e n t c o n t i n u o u sc a s t i n g,t h eF T S Ct h i ns l a bm o l do f as t e e lm i l l a n dt h en e wm u l t i-m o d u l e c o n t i n u o u se l e c t r o m a g n e t i cb r a k i n g(MM-EMB)s y s t e mw e r e t a k e na s t h ep r o t o t y p e,a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h e f l o wf i e l d i n-s i d e t h em o l da n dt h e f l u c t u a t i o nd e g r e eo f s t e e l s l a g i n t e r f a c ew e r e t a k e na s t h ee v a l u a t i o nc r i t e r i a.B ym e a n so f n u-m e r i c a l s i m u l a t i o n,t h em u l t i-p h y s i c a l f i e l dc o u p l i n gc a l c u l a t i o no f t h em o l d f l o wf i e l du n d e rd i f f e r e n t e l e c t r o m a g n e t i cc o n d i t i o n sw a sc a r r i e do u t.T h e i n f l u e n c e l a wo fd i f f e r e n t c o i l c o m b i n a t i o n s i nt h em u l t i-m o d u l ec o n t i n u o u se l e c t r o-m a g n e t i cb r a k i n gs y s t e mo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e f l o wf i e l d i nt h e t h i ns l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gm o l dw a sm a i n l yr e v e a l e dw h e nd i f f e r e n t c u r r e n t i n t e n s i t i e sw e r ea p p l i e d t o t h e e l e c t r o m a g n e t i cb r a k i n gs y s t e mu n d e r t h e c o n d i t i o no fh i g hp u l l i n gs p e e do f 6m/m i n.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t c o m b i n e dw i t ht h e s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so f t h e f i v e-h o l ew a t e ro u t l e t,t h ee l e c t r o m a g n e t i cb r a k i n g(MM-EMB)s y s t e mc a nd i v i d et h ef i v eg r o u p so f c o i l s i n t ot w og r o u p so fc o n t r o lu n i t sa c c o r d i n gt o i t ss c o p eo fo p e r a t i o n.T h eu p p e rc o n t r o lu n i tc o n t a i n st w og r o u p so fc o i l s,a n dt h em a i ns c o p e i s t h er e f l u xa r e ao f t h e l i q u i ds t e e l f l o wf i e l d.W h e nt h ec u r r e n ta p p l i e db yt h et w og r o u p so f c o i l s i n c r e a s e s第6期李学凯,等:电磁制动对薄板坯结晶器内冶金行为的影响f r o m4 0 0At o10 0 0A,I t c a ne f f e c t i v e l yr e d u c e t h e i m p a c t v e l o c i t yo fm o l t e ns t e e l o ns t e e l s l a g i n t e r f a c e a n dr e d u c et h ef l u c t u a t i o no f s t e e l s l a g i n t e r f a c e.T h e l o w e r c o n t r o l u n i t c o n t a i n s t h r e eg r o u p so f c o i l s,w h i c ha r em a i n l yu s e d t os t a b i l i z et h e f l o wo f t h e l o w e r r e f l u x i n t h em o l d.Wh e n t h e c u r r e n t i n t e n s i t yo f t h e t h r e eg r o u p so f c o i l s i n c r e a s e s t o8 0 0A,t h ev o r t e xc e n t e ra n dt h ei m p a c tp o i n to nt h eb u i l d i n gs u r f a c ed e c r e a s es i g n i f i c a n t l y,a n dt h ei n t e n s i t ya n dr a n g eo f t h e l o w e r r e f l u xa r e e f f e c t i v e l y c o n t r o l l e d.Wh e n t h e t w og r o u p so f c o n t r o l u n i t s a r e a c t e do n t h e l i q u i ds t e e lf l o wf i e l do f t h em o l d,a n dt h ec o i l c u r r e n t s t r e n g t ho f t h e l o w e rc o n t r o lu n i t i s8 0 0A,t h ec u r r e n tv a l u eo f t h et w og r o u p so f c o i l o f t h eu p p e r c o n t r o l u n i t i s8 0 0At oa c h i e v e t h eb e s tb r a k i n ge f f e c t.T h e r e s u l t so fn u m e r i c a l s i m u l a-t i o nw e r ea p p l i e dt ot h e i n d u s t r i a l e x p e r i m e n t.T h r o u g ht h e f i e l dd a t a t r a c k i n g,t h e s l a g i n c l u s i o nr a t ea n dc r a c kr a t eo f t h ec a s t i n gb i l l e tw e r ef u r t h e rr e d u c e d.T h ea p p l i c a t i o no fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o dp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n i c a l s u p p o r t f o r t h e f u r t h e r o p t i m i z a t i o no f t h em o l d f l o wf i e l d i n t h em u l t i-m o d u l e c o n t i n u o u s e l e c t r o-m a g n e t i cb r a k i n gs y s t e m.K e yw o r d s:h i g hp u l l s p e e d;t h i ns l a b;m a g n e t i c f i e l d;e l e c t r o m a g n e t i cb r a k i n g;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 高效连铸的核心是高拉速。薄板坯连铸连轧技术受制于高拉速条件的影响,轻则影响铸坯表面质量,重则可能导致漏钢事故1-4,电磁制动技术是一种改善结晶器钢液流场行为的有效手段5-6。近年来,由于磁流体力学在冶金中的应用不断进步,电磁制动技术不断发展,国内外学者对其进行了大量的研究7-1 2。连铸生产过程是一个复杂而庞大的体系,数值仿真模拟是一种有效研究手段。仿真模拟的优点在于通过物理模拟与数值模拟的相互结合可以更加直观地研究连铸连轧过程中的物理现象。国内外学者结合数值模拟手段做了大量的研究:C UK I E R S K IK等1 3通过AN S Y S平台的F L U E NT软件研究了磁感应强度对结晶器内钢液流动的影响。L E IS W等1 4通过编程的方法进一步耦合多物理场下电磁制动装置对薄板坯浸入式水口结晶器内钢液流动的影响,通过与物理试验的对比,发现数值模拟结果与物理模拟结果相似。李宝宽等1 5应用数值模拟技术研究了全幅一段电磁制动对薄板坯连铸结晶器内钢液流动的影响,结果表明施加第二代电磁制动后,结晶器内的涡流形态发生了改变,起到了显著抑制涡流的作用,但并不能完全消除涡流。GA R C I A-HE R NAN D E ZS等1 6通过应力的角度分析了电磁力对钢液流动的影响,当磁感应强度在水口附近达到0.1T时,能够有效控制结晶器内湍流流动,应用电磁制动技术可以减小结晶器钢液面处流速,减小钢液面处钢液流速峰值。但随着薄板坯设备以及工艺的进一步发展,在薄板坯拉速达到6m/m i n后,电磁制动系统结构优化、安装位置、电磁强度大小等对于结晶器内钢液冶金行为的影响却鲜有报道。本研究以F T S C薄板坯结晶器以及新型多模块连续电磁制动(MM-EMB)系统为原型,以结晶器内流场特征以及钢渣界面波动程度为评判标准,采用数值模拟手段进行建模,通过多物理场的耦合计算,重点揭示了在6m/m i n的高拉速条件下,对电磁制动系统施加不同电流强度时,多模块连续电磁制动系统中不同线圈组合对薄板坯连铸结晶器内流场特征的影响规律,为进一步提高多模块电磁制动系统在高效连铸过程中的应用效果提供了理论依据与技术支撑。1 数学方法1.1 模型介绍1.1.1 模型计算域与网格划分图1所示为结晶器、5孔水口及模型计算域示意图。结晶器断面尺寸为15 2 0mm9 0mm,结晶器形状为小漏斗式结晶器,其中结晶器有效高度为18 0 0mm,采用P r o E软件,结合实际模型对浸入式水口和结晶器进行11建模,在建立模型时,考虑(a)新型5孔水口;(b)F T S C漏斗结晶器;(c)模型计算域图1 模型计算域F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fn o z z l ea n df u n n e lm o l d37钢 铁第5 8卷结晶器为双对称结构,选择1/4结晶器流体域作为求解区域。采用I C EM软件对计算域模型进行非结构性网格划分处理,划分结果如图2所示。结晶器计算域总网格数量为7 5万左右,最终计算域整体网格质量达到0.6 5以上,为更加精确地捕捉钢渣界面波动行为,对钢渣交界面处进行网格加密,此部位网格最大尺寸为5mm,从钢渣界面处沿结晶器出口方向向下以1.2倍增长率逐渐增大网格,从而减小网格纵横比,提高计算效率的同时保证计算精度。图2 计算域网格划分示意F i g.2 S c h e m a t i cd i a g r a mo f c o m p u t i n gd o m a i nm e s h i n g1.1.2 算法模型本研究选用L E S湍流模型结合多相流VO F模型来追踪不同工况条件下保护渣与钢液交界面的变化情况;F L U E NT软件中的MHD接口可以有效模拟加载电磁场后,洛伦兹力对结晶器流场的影响。本研究计算中所涉及的湍流模型、能量方程、L E S模型、VO F模型以及电磁场模拟借助的麦克斯韦方程组在文献中都可以找到1 7-2 1。1.2 基本假设在高拉速条件下,薄板坯结晶器内部钢液的流动与钢渣界面波动是一个复杂的物理过程,受到凝固、振动等多方面因素的影响。本文根据实际情况针对F T S C结 晶器流体 及流动 过 程 作 出 以 下 假设2 2:1)将结晶器水口流出的钢液视为不可压缩流体;2)不考虑连铸结晶器内凝固坯壳和相变的存在对流场分布的影响;3)假设结晶器保护渣只有液渣层,不考虑其粉渣层和烧结层;4)假设钢液流动不受结晶器振动和锥度的影响;5)结晶器内钢水的物性参数不随时间变化,假定为常数。1.3 计算方法本研究涉及多相流模型以及电磁场MHD模型的耦合计算,如果一次性耦合多个模型进行计算,会造成计算收敛困难,计算时间过长的问题,结合本模型计算特点,设计了如下计算策略。首先,基于多模块电磁制动系统中的线圈分布特点,采用MA X-WA L L软件对不同电流条件下的电磁场分布特征进行模拟:计算场条件设置为涡流场;边界域条件的值设置为1 0 0;以电流安匝数形式对各组线圈进行电流值设置,计算残差设置为1 0-4;当自适应网格次数达到2 0或磁场能量的收敛误差为0.0 1时停止计算,最终得到磁场模拟数据。接下来本研究采用F L U E NT软件对计算域模型进行模拟计算,对液体保护渣和钢液的交界面进行加权平均速度的监测,时间步长设置为1 0-5s,除残差除能量取1 0-6外,其他均方根残差收敛标准均为1 0-3。当液渣相和钢液相的交界面加权平均速度呈现周期性正弦变化时,视为计算达到收敛,此时结晶器内的流场形态已经达到稳定。最后激活F L U E NT软件中MHD接口,将磁场加载到流体计算域,完成多个物理场的耦合。求解方法采用P I S O算法,一个时间步长内迭代3 0次。在控制方程的求解过程中,程序在每一个总迭代里对每一个变量计算其残差,这些变量包括速度、压力、湍动能、湍动能耗散率等。当所有变量的残差均达到1 0-4后停止计算。模拟参数见表1。模拟计算流程如图3所示。表1 模拟参数T a b l e1 S i m u l a t i o np a r a m e t e r s参数数值水口倾角/()1 5钢液密度/(k gm-3)71 0 0液渣密度/(k gm-3)31 0 0钢液黏度/(k gs-1m-1)0.0 0 65液渣黏度/(k gs-1m-1)0.1 4钢渣界面张力/(Nm-1)1.4磁动势/(At)2 50 0 07 00 0 0铁芯相对磁导率40 0 0铁芯电导率/(sm-1)1.1 21 07铁芯至结晶器流体域距离/mm3 0 0线圈厚度/mm2 0线圈相对磁导率1线圈匝数5 0钢液电导率/(sm-1)7.1 41 0547第6期李学凯,等:电磁制动对薄板坯结晶器内冶金行为的影响图3 计算流程F i g.3 C a l c u l a t e f l o wc h a r t1.4 边界条件1)结晶器入口边界条件:入口采用速度入口条件,入口的速度垂直于所在的面,视为稳定的一维流动。入口速度由拉坯速度根据质量守恒定律得到。2)结晶器出口边界条件:出口采用压力出口的条件,各变量的法向梯度为0。3)结晶器对称面变量梯度为0,结晶器壁面采用无滑移边界条件,近壁面采用标准壁面函数。4)自由液面:结晶器液渣层上方空气出口为自由液面,液体直接与气体接触,不与固体表面接触,表面切应力很小,忽略不计。1.5 多模块连续电磁制动系统线圈分布特征图4所示为MM-EMB型号电磁制动系统作用于结晶器宽面外壁时的线圈分布情况。从图中可以看出,为更大地发挥出电磁制动系统的作用效果,分别在水口两侧处以及结晶器的中下部布置了5组线圈。其中分布在水口两侧出口处的A、B2组线圈(a)现场设备线圈分布;(b)数值模拟线圈分布图4 线圈配置及电磁制动控制原理F i g.4 S c h e m a t i cd i a g r a mo f c o i l c o n f i g u r a t i o na n de l e c t r o m a g n e t i cb r a k ec o n t r o l为一个控制单元,结晶器中下部的C、D、E3组线圈为另一个控制单元。在高拉速连铸过程中,结合5孔水口的特点,通过调节电磁制动系统中2个控制单元电流的大小,从而在结晶器内产生不同电磁强度的静态磁场,当钢液从水口流出,流动过程中切割57钢 铁第5 8卷磁感线运动,钢液中将产生感生电流,感生电流与稳恒磁场的交互作用又在液态金属中产生与流速方向相反的洛仑兹力,从而使液态金属的流动受到抑制,实现对结晶器内钢液的电磁制动效果。1.6 数值计算模型的验证为了验证此套网格的适用性以及湍流模型的计算精度,采用冷态水模拟试验与数值模拟效果进行比对,流体湍流流动特征对比结果如图5所示,从模型的横剖面图中可以看出,模型中流体湍流的流动特征与数值模拟计算的基本一致。为进一步探究数值模拟结果的准确性,分别对水模拟试验以及数值模拟结果中的流体表面流速进行了测量,测量位置以及结果如图6所示,从测量数据中可以看出,虽然水模拟试验所测的表面流速均略大于数值模拟结果,但是两者所表征的流体表面流速分布特征一致。说明数值模拟结果较好的预测了结晶器表面流速的变化分布特征。因此在本研究中,所采用网格的适用性以及湍流模型具有一定的可靠性。其中,冷态水模拟试验的试验原理、试验设备以及操作细节等见文献2 3-2 4。(a)水模拟试验结果;(b)数值模拟结果图5 水模拟试验和数值模拟下的结晶器横剖面流场对比F i g.5 C o m p a r i s o no f c r y s t a l l i z e rc r o s s s e c t i o nf l o wf i e l du n d e rw a t e r s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n(a)数值模拟与水模拟取值方案;(b)水模拟与数值模拟对比折线图6 水模拟试验和数值模拟下的结晶器表面流速对比F i g.6 C o m p a r i s o no f s u r f a c e f l o wr a t eo f c r y s t a l l i z e ru n d e rw a t e r s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n2 计算结果与分析2.1 高拉速条件下薄板坯结晶器流场特征图7所示为在6m/m i n的高拉速条件下,应用5孔浸入式水口后漏斗型结晶器内钢液流场分布。可以看出,在无电磁制动设备的条件下,结晶器内流场呈现“双环流”形式。钢液从5孔水口流出后,钢液射流向结晶器窄边冲击时,部分钢液沿结晶器窄边向钢液面方向卷吸形成上环流,另一部分部分钢液沿窄边向下流动,在结晶器底部形成小范围的下环流。应用5孔式浸入式水口,在一定程度上可以降低钢液射流的冲击速度,减小结晶器内液面波动,(a)6m/m i n拉速下结晶器流场云图;(b)6m/m i n拉速下渣相体积云图图7 高拉速条件下漏斗型薄板坯结晶器内钢液流场速度云图与结晶器渣相体积云图F i g.7 C l o u dd i a g r a mo f f i e l dv e l o c i t yo f s t e e l l i q u i d f l o wi n f u n n e l-t y p e t h i n s l a bc r y s t a l d e v i c eu n d e rh i g h t e n s i l e s p e e dc o n d i t i o n s67第6期李学凯,等:电磁制动对薄板坯结晶器内冶金行为的影响但是在高拉速条件下,需要配合电磁制动设备,才能更好地抑制结晶器液面波动,减小卷渣机率,提高铸坯质量。2.2 电磁场分布模拟结果分析基于多模块电磁制动系统中的线圈分布特点,采用MA XWA L L软件对不同电流条件下的电磁场分布特征进行了模拟,以电流为4 0 0A时的电磁场分布模拟结果为例,模拟结果如图8所示。为了验证数值模拟磁场的准确性,本文采用现场实测与数值模拟结果对照的方式进行匹配验证。首先在实际现场,采用高斯计对不同电流作用下的结晶器不同位置处的磁感应强度数据进行测量,测量数据分布特征如图8(a)所示。图8(b)所示为基于现场实测数据,采用MA XWA L L软件对不同电流条件下的电磁场分布特征进行模拟后的电磁场数据分布特征。从图中可以看出本文模拟的磁场结果与现场实测的磁场趋势基本吻合,而且由于实测时,强磁场对固定装置和高斯计具有一定的影响,存在误差,云图显示为不规则磁感应强度,但实际电磁装置线圈布置多为圆形和矩形。因此本文对电磁场线圈的模拟形状定位为矩形。通过分析图8中磁场结果发现,5块磁场整体形成了一个近似U形的包围圈,而并不是传统电磁制动在水口附近和自由液面处形成磁场。模拟结果与实际现场电磁分布情况更加贴切,进一步提高了整个计算模型预测结果的准确性。(a)实测磁感应强度云图;(b)数值模拟磁感应强度云图图8 电流为4 0 0A现场实测与数值模拟磁感应强度对比云图F i g.8 C o m p a r i s o no f f i e l dm e a s u r e m e n t a n dn u m e r i c a l s i m u l a t e dm a g n e t i c i n d u c t i o ni n t e n s i t ya t 4 0 0Ac u r r e n t 为了深入研究电磁制动系统中不同线圈控制单元对结晶器流场的影响,本文对电磁制动设备的2组控制单元分别进行模拟,设计方案见表2。拉速为6m/m i n,水口浸入深度为1 9 0mm。表2 设计方案T a b l e2 D e s i g ns c h e m e研究线圈研究线圈电流/A无关线圈无关线圈电流/AA、B0C、D、E0A、B4 0 0C、D、E0A、B8 0 0C、D、E0A、B10 0 0C、D、E0C、D、E5 0 0A、B0C、D、E8 0 0A、B0C、D、E10 0 0A、B0A、B4 0 0C、D、E8 0 0A、B8 0 0C、D、E8 0 0A、B10 0 0C、D、E8 0 02.3 不同控制单元对结晶器内钢液的制动效果图9所示为电磁制动装置2组控制单元不同电图9 不同电流下同一时刻结晶器内钢液流场的速度云图与二维流线分布F i g.9 S p e e dc l o u dm a pa n d3 Ds t r e a m l i n ed i s t r i b u t i o nm a po f s t e e l l i q u i df l o wf i e l d i nc r y s t a l l i z e ra t s a m et i m eu n d e rd i f f e r e n t c u r r e n t v a l u e s77钢 铁第5 8卷流下结晶器宽面二维流线分布。从图中可以看出,在对结晶器施加了电磁场后,结晶器内流场发生了明显的变化。随着电流的增加,结晶器内上回流区域内钢渣界面涡流强度不断减弱,且上回流区域内出现小范围涡流;下回流涡心下移,钢液流股冲击结晶器窄面冲击点下移。当对电磁制动装置内上部控制单元内的两组线圈施加不同电流值时,钢液流场形态无明显改变,但施加电流由4 0 0A增加到到10 0 0A时,结晶器内上回流区域涡流范围增强,涡心位置不断下降,钢渣界面附近的涡流强度不断减弱,流场上回流区域钢液流股冲击钢渣界面的速度减小。这说明电磁制动系统中上部控制单元中A、B2组线圈主要作用于结晶器上回流区域。当电磁制动装置内下部控制单元内的3组线圈电流由5 0 0A增加到到10 0 0A时,钢液流场下回流强度和范围得到明显抑制,涡心位置和窄面冲击点也得到明显下降。但当电流达到8 0 0A且电流继续增加时,钢液流经此处会产生过大的洛伦兹力,钢液动能变小,将很难再对结晶器窄面造成冲击影响,也使结晶器上回流区面积变大,不利于气泡和夹杂物的上浮,影响铸坯质量阻碍生产。图1 0所示为C、D、E3组线圈在施加不同电流条件下,某一时刻结晶器钢液面速度云图与中心线波动值大小分布。由钢渣界面表面流速云图可知,当电流增加时,钢渣界面表面的最大流速会小幅度减小;表面流速分布趋势无明显变化。从结晶器钢液面波动折线可以看出,钢液面中心线高度在水口两侧整体表现为呈现增-减-增的趋势,然而随着电流由0增加到10 0 0A,钢渣界面的上下波动并无太大变化,最大液面波高由范围处于1 01 5mm。上述两项表明:C、D、E3组线圈对钢渣界面作用较小,其主要作用是对结晶器下部回流区主要起到稳流的控制作用,然而电流值过大,下回流冲击点过度下移,会影响气泡和夹杂物的上浮,影响铸坯质量阻碍生产,因此必须将电流控制在一定范围内。经计算电流范围处于8 0 010 0 0A时,制动效果最佳。(a)结晶器钢渣表面流速云图;(b)结晶器钢渣液面波动图1 0 C、D、E线圈不同电流值条件下结晶器钢渣界面行为F i g.1 0 S t e e l l i q u i d l e v e l b e h a v i o ro f c r y s t a l l i z e ru n d e rd i f f e r e n t c u r r e n t v a l u e s2.4 多模块电磁制动系统对结晶器内冶金行为影响结合上述模拟结果,本文选择在C、D、E线圈电流为8 0 0A条件下,对A、B2组线圈的最佳匹配电流值进行研究。图1 1所示为4种电流组合下,结晶器二维流线图。从图中可以看出,在对结晶器施加了电磁场后,从底部中心孔注射出的钢液流股所形成的上、下回流区域均得到明显的变化。随着A、B线圈电流强度的增加,结晶器内上回流区域不断扩大,涡心位置不断下降,且出现了小范围涡流。下回流区域内,下回流涡心不断下移,钢液射流冲击窄边的位置逐渐(a)0;(b)4 0 0A;(c)8 0 0A;(d)10 0 0A图1 1 不同电磁条件下同一时刻结晶器内钢液流场的二维流线分布F i g.1 1 2 Ds t r e a m l i n ed i s t r i b u t i o no f s t e e lf l o wf i e l da t s a m e t i m e87第6期李学凯,等:电磁制动对薄板坯结晶器内冶金行为的影响向结晶器底部方向移动,增加了钢液流股的冲击深度。并且随着电磁强度的增加,低速涡流区域的范围得到进一步加强,在结晶器内部开始形成了一种不稳定流场,若进一步增加电流强度,结晶器流场将更为复杂,不利于现场控制。图1 2所示为C、D、E线圈为8 0 0A条件下A、B2组线圈在施加不同电流时某一时刻结晶器钢液面的流速分布云图以及钢液面中心线流速分布。从图中可以看出,结晶器钢液面流速分布均呈现出中间大、两头小的趋势。并且随着电流的增加,结晶器钢液面流速均得到了不同程度的降低,尤其是在电流达到8 0 0A条件下,钢液面表面最大流速降低明显。(a)结晶器钢渣表面流速云图;(b)结晶器钢渣液面波动图1 2 A、B2组线圈不同电流下同一时刻结晶器钢液面的速度分布云图和钢液面中心线流速分布F i g.1 2 C l o u dd i a g r a mo f v e l o c i t yd i s t r i b u t i o no f s t e e l s u r f a c ea n dv e l o c i t y s i z eo f s t e e l s u r f a c ea t s a m e t i m eu n d e rd i f f e r e n t c o i l c u r r e n t v a l u e so fA Bg r o u p s 从钢液面中心线流速分布图中可以看出,在电流为0条件下,钢液面最大流速达到了0.2 4m/s,并且流速分布极不均匀,流速分布曲线呈现出中间尖的金字塔形状。在施加电流后,随着电流的增加,钢液面中心线流速得到了大幅度降低,钢液面流速分布更加均匀。在电流为0时钢液面最大流速为0.2 4m/s,钢液面平均流速为0.2m/s。当A、B2组线圈电流的增加至10 0 0A钢液面平均流速降低至为0.1m/s,钢液面最大流速降低至0.1 4m/s,说明与不施加电流值相比,A、B组线圈施加 电 流 时 电 磁 场 对 钢 液 面 流 速 的 制 动 效 果明显。图1 3所示为A、B2组线圈在不同电流条件下,同一时刻结晶器钢液面波动三维轮廓图和钢液面中心线波动值分布。从结晶器钢液面波动三维轮廓图中可以看出,在高拉速(6m/m i n)条件下,钢液