立式电磁制动对不同水口角度下连铸结晶器内流场的控制

李　菲，王恩刚，许　琳，李　壮

(东北大学材料电磁过程重点实验室，沈阳110819)



立式电磁制动对不同水口角度下连铸结晶器内流场的控制

李菲，王恩刚，许琳，李壮

(东北大学材料电磁过程重点实验室，沈阳110819)

摘要:利用Fluent软件模拟计算了常规板坯连铸和立式电磁制动板坯连铸过程，详细研究了不同水口出口角度结晶器内三维流场，为评价立式电磁制动技术的冶金效果提供理论依据.研究表明:常规连铸过程水口出口角度增加时，不利于夹杂物的上浮，影响铸坯质量;不同水口出口角度连铸过程应用立式电磁制动技术后，自由表面钢液流速、钢液主射流的运动速度和下回流区的冲击深度显著减小，利于稳定液面波动、减少卷渣、防止漏钢和促进夹杂物的上浮，符合立式电磁制动技术的设计思想.

关键词:连铸;电磁制动;数值模拟;流场;水口出口角度

连铸生产过程中，通过在结晶器宽面施加恒稳磁场可以控制结晶器内金属液流动.电磁制动技术作为一种成熟有效手段应用于板坯连铸过程可以明显改善铸坯质量，为实现高速连铸创造良好条件［1－3］.目前生产中主要应用的是国外进口的全幅一段和全幅二段电磁制动技术，一种新型电磁制动技术即立式电磁制动技术( V－EMBr，Vertical－Electromagnetic Brake)在2009年的EPM国际会议上首次提出［4］，该技术区别于国外电磁制动的磁极覆盖整个板坯宽度范围，采用条形磁极接近窄面竖直放置以控制容易产生表面缺陷和内部缺陷的关键区域，如图1所示.板坯连铸过程大多采用浸入式水口( SEN，Submerged Entry Nozzle)浇注，从浸入式水口流出的钢液射流将流向窄面然后形成上、下回流区，所以水口参数将直接影响结晶器内钢液流动［5－6］.本文主要计算水口出口角度变化时应用立式电磁制动技术前和应用后板坯连铸结晶器内三维流场，为研究立式电磁制动技术的冶金效果提供理论基础.

图1　立式电磁制动技术Fig.1 Vertical－electromagnetic brake

1　数学模型

为便于计算结晶器内三维流场做出以下假设:钢液的电磁特性是均匀和各向同性的，物性参数为常量;钢液流动是稳态不可压缩单相流动并且对磁场分布的影响忽略不计;液固界面为无滑移边界，在壁面处速度为零;忽略振动、已凝固的铸坯壳和结晶器锥度对钢液流动的影响;忽略弯月面的存在，认为液面是平面，不考虑保护渣的影响.

1.1控制方程

式( 1)－( 6)中，U为钢液流动速度，m·s－1; Ui、Uj为xi、xj方向上的流体流动速度分量，m·s－1;ρs为钢液密度，kg·m－3; P为钢液压力，Pa;μeff为有效黏性系数，kg·m－1·s－1; Fm为电磁力，N·m－3; μ1为分子黏性系数，kg·m－1·s－1;μt为湍流黏性系数，kg·m－1·s－1; gi为i方向上的体积力，m·s－2;μ为钢液的动力黏度，kg·m－1·s－1; k为湍流脉动动能，m2·s－2; Gk为湍动能k的增长率;ε为湍流动能耗散率，m2·s－3;系数C1ε、C2ε、Cμ、σε及σk分别为1.44、1.92、0.09、1.3和1.0［8］;系数f1、f2和fμ是对标准雷诺数方程中C1ε、C2ε和Cμ的修正.

1.2边界条件

表1　主要参数Table 1 Mainly parameters

1.3求解方法

首先用GAMBIT软件为结晶器内钢液流体建模，然后采用Fluent软件求解三维钢液流场.设置边界条件、采用SIMPLE计算方法、设定连续方程的质量源项和各速度分量的相对残差后进行计算，当计算迭代达到收敛标准0.0001后程序自动退出得到流场分布;计算应用立式电磁制动技术结晶器内三维流场时，需要先调用Fluent软件自身所带MHD模块，然后再设置边界条件等上述步骤进行计算.

2　板坯连铸结晶器内流场的数值模拟结果

常规连铸过程和应用立式电磁制动技术连铸过程，不同水口出口角度时结晶器内钢液流速矢量分布如图2所示.由图2数值模拟结果可以看出:板坯连铸过程，从浸入式水口出口流出的钢液主射流首先以一定的速度向结晶器窄面运动，然后顺着壁面分成两部分，一部分向上流动，另一部分向下流动，分别在钢液主射流上下形成两个流动方向相反的回流区.钢液主射流冲击窄面的速度影响初生壳坯的形成，上部分流动状态主要影响液面稳定性和保护渣卷入程度，下部分流动状态主要影响夹杂物颗粒的上浮情况，因此钢液主射流向窄面运动的速度是影响结晶器内流动的关键因素;常规连铸过程水口出口角度增加(由－15°～－20°)，钢液主射流向下分量增多导致下回流区冲击深度变深，容易将夹杂物卷入更深的结晶器熔池中，影响铸坯纯净度，钢液主射流的运动速度无明显变化;应用立式电磁制动技术后，浸入式水口出口流出的钢液主射流向窄面的冲击速度和上回流区钢液流速分别减小，下回流区涡心明显上移，主射流冲击窄面速度的减小有利于防止漏钢，下回流区涡心上移说明钢液向下冲击深度变浅，有助于促进夹杂物颗粒的上浮.以上计算结果说明立式电磁制动技术有效抑制了不同水口出口角度情况结晶器内钢液主射流的运动速度，并且当水口出口角度增加时，可以减小下回流区冲击深度的增加幅度，有助于减少铸坯内部缺陷.

图2　不同水口出口角度结晶器内钢液流速矢量图Fig.2 Flow velocity vector of molten steel in mold with different outlet angle of SEN

自由表面的流速大小影响着结晶器内液面的稳定性和保护渣的卷入程度，本文做出的自由表面钢液流速分布和自由表面中心线上钢液流速分布如图3、图4所示，进一步分析应用立式电磁制动技术后自由表面钢液流速变化.

由图3、图4可知:自由表面流速从结晶器窄面壁面开始向水口方向逐渐增加，达到一定值后逐渐减小;常规连铸过程水口出口角度增加(由－15°～－20°)，自由表面钢液流速有小幅度减小，对稳定液面波动和减小卷渣有一定帮助;应用立式电磁制动后与常规连铸相比，不同水口出口角度时自由表面钢液流速大幅度降低，出口角度为－15°、－18°、－20°时自由表面中心线上的最大钢液流速分别从0.50、0.45和0.42 m/s降至0.34、0.25和0.21 m/s.以上结果充分说明立式电磁制动技术的应用有利于稳定不同水口出口角度下连铸结晶器内液面波动和有效减小卷渣.

图3　不同水口出口角度自由表面流速分布Fig.3 Flow velocity contour of free surface with different outlet angle of SEN( a)—水口?出口角度－15°; ( b)—水口出口角度－18°; ( c)—水口出口角度－?20°

图5为不同水口出口角度时应用立式电磁制动技术前后铸坯窄面的钢液流速分布和湍动能分布图.由图5可知，应用立式电磁制动技术前，铸坯窄面钢液主射流冲击点及其周围区域的流动呈现不规律的“发散状”，湍动能在主射流冲击处较大，冲击点向上或向下湍动能逐渐减小，增加或者减小水口出口角度，主射流的冲击速度与窄面湍动能的变化不十分明显，只是主射流冲击点向下移动，说明改变水口出口角度对改善铸坯窄面流速状况和湍动能的作用不大;应用立式电磁制动技术后，不同水口出口角度下的连铸结晶器内钢液主射流对铸坯窄面的冲击速度明显减弱，窄面冲击点及其周围区域的湍动能显著减小，特别明显的，主射流冲击点及其周围区域不规律发散流动的状况得到改善，紊乱状态得到抑制，形成比较规则有序的流动.说明立式电磁制动技术有效控制了不同水口出口角度下连铸结晶器内冲向铸坯窄面的高速钢液流股，被主射流冲击的窄面关键区域受到有效制动作用，减小了窄面的湍动能，避免钢液主射流冲击窄面的速度过大而发生的漏钢，减小实际生产时的操作危险.

图5　不同水口出口角度铸坯窄面流速矢量和湍动能云图Fig.5 Flow velocity vector and turbulent kinetic energy contour of slab narrow face with different outlet angle of SEN( a)—水口出口角度－15°; ( b)—水口出口角度－18°; ( c)—水口出口角度－20°

可见，立式电磁制动技术可以适用于水口出口角度变化的板坯连铸过程并且冶金效果良好，以接近结晶器窄面的竖直磁极控制了容易导致铸坯出现缺陷的自由表面、钢液主射流冲击点和下回流区冲击深度，电磁力有效控制了结晶器内钢液流动，减小了上回流区的流动速度，削减了钢液主射流对窄面的冲击速度，规整了铸坯窄面的流动方式，能够稳定液面波动、减小卷渣、防止漏钢以及促进夹杂物颗粒的上浮，并且可以减少由于水口出口角度增加引起的铸坯缺陷.

3　结论

( 1)常规连铸过程水口出口角度增加，钢液主射流的运动速度不变，窄面主射流冲击点向下移动，窄面流速和湍动能大小无太大变化，对稳定液面波动和减少卷渣有一定作用，但是下回流区冲击深度变深不利于夹杂物上浮，容易造成铸坯内部缺陷.

( 2)拉坯速度1.6 m/min、水口浸入深度170 mm保持不变，不同水口出口角度下的连铸结晶器应用电流强度850 A的立式电磁制动技术时，钢液主射流向窄面运动的速度、上回流区钢液流速、下回流区冲击深度和自由表面钢液流速明显减小，水口出口角度－15°、－18°、－20°时自由表面最大钢液流速分别减小了0.16、0.20和0.21 m/s，钢液主射流对铸坯窄面的冲击速度明显减弱，窄面冲击点及其周围区域的湍动能显著减小，窄面不规律发散流动被规整为比较规则有序的上、下流动，有利于稳定液面波动、避免卷渣和漏钢、促进夹杂物颗粒的上浮，为提高铸坯质量提供有利条件，也同时减小了连铸过程的操作危险.

( 3)立式电磁制动技术的制动效果不受水口出口角度变化的影响，水口出口角度增大或者减小，产生的电磁力都能控制容易产生缺陷的关键区域，适用范围较广.

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Control of V－EMBr on flow field in continuous casting mold with different angle of SEN

Li Fei，Wang Engang，Xu Lin，Li Zhuang
( Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Abstract:The slab continuous casting process without and with V－EMBr ( Vertical－Electromagnetic Brake) are simulated by software Fluent，and the three－dimensional flow field in mold with different outlet angle of SEN ( Submerged Entry Nozzle) are studied in detail，which provide a theoretical basis to evaluate the metallurgical effect of V－EMBr.The studies show that when outlet angle of SEN is increased in continuous casting process，it is very unfavorable to float inclusions and the quality of slab is affected.After using the V－EMBr in continuous casting process with different outlet angle of SEN，the molten steel velocity of free surface，the flow velocity of jet and the impinging depth in lower recirculation zone are decreased significantly，these are beneficial to stabilize the level fluctuations，reduce slag，prevent breakout and promote inclusions floating，which conform the design philosophy of V－EMBr technology.

Key words:continuous casting; electromagnetic brake; numerical simulation; flow field; outlet angle of SEN

通讯作者:王恩刚( 1962—)，男，教授，博士生导师，E－mail: egwang@ mail.neu.edu.cn.

作者简介:李菲( 1985—)，女，博士研究生，E－mail: fayeleeneu@ sina.com.

基金项目:国家自然科学基金( No.51574083)，高等学校学科创新引智计划项目(国家111计划，B07015)，中央高校基本业务费( L1509003)，辽宁省创新团队项目( No.LT2010035).

收稿日期:2015-10-22.

doi:10.14186/j.cnki.1671－6620.2016.01.008

中图分类号:TF 777.1

文献标识码:A

文章编号:1671-6620( 2016) 01-0043-06