旋转磁场对钢包浇注末期底部钢液旋涡的影响研究

王旭东 李 彬 雷作胜

(1.宝山钢铁股份有限公司，上海 201900；2.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院，上海 200072)

旋转磁场对钢包浇注末期底部钢液旋涡的影响研究

王旭东1李 彬2雷作胜2

(1.宝山钢铁股份有限公司，上海 201900；2.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院，上海 200072)

钢包浇注末期，会出现旋涡下渣现象，严重影响钢液的利用率以及产品质量。提出了旋转磁场优化钢包浇注末期旋涡下渣的设想，并采用物理模拟方法研究与分析了不同旋转磁场对钢包浇注末期旋涡的影响。结果表明，钢包浇注末期旋涡的产生主要是由初始角动量引起的；钢包底部旋转磁场能够改善钢包浇注过程中钢液的流动行为；适当的旋转磁场能显著降低旋涡的临界高度，并对旋涡的产生和发展具有明显的抑制作用。

钢包下渣 电磁搅拌 旋涡

近年来，改进技术生产纯净钢(C+S+P+H+N+O<100 μg/g)乃至超纯净钢(C+S+P+H+N+O<40 μg/g)是目前钢铁行业的发展趋势，而生产纯净钢主要是通过提高钢的纯净度及严格控制钢中非金属夹杂物来实现的[1]。在连铸生产过程中，钢包浇注末期产生的汇流旋涡会严重影响钢液的质量[2]。

汇流旋涡又称自由表面旋涡，是指钢液经由钢包水口流出的过程中，当液面低于某一临界高度时，会在水口上方的自由表面产生一个旋涡漏斗[3- 4]，其产生因素很多，目前尚无定论。Shapiro[5]和Binnie[6]通过试验证明了旋涡在北半球逆时针旋转；Trefethen等[7]通过试验证明了旋涡在南半球顺时针旋转。他们都认为地球自转引起的科里奥利力是产生旋涡的主要原因。然而Haugen等[8]认为，科里奥利力只有对热带气旋和季风等作用效果比较明显，而对小规模的旋涡作用效果并不显著；Pedlosky等[9]报道，在同一试验条件下，逆时针和顺时针旋涡都会发生；Li等[10]指出，在正常情况下，科里奥利效应相对于初始角动量完全可以忽略，除非液体经过长时间的充分静置；蔺瑞等[11]针对钢包浇注的水模试验也证明了这一观点。

为了检测钢包下渣，国内外冶金工作者相继开发出了电磁检测法、振动检测法、称重检测法、超声波检测法等多种检测技术[12]。实际生产中，虽然这些技术可以避免卷渣进入水口，但同时也产生了一个问题：浇注完成后，钢包内残留的钢水不能转化为成品钢，降低了钢水的利用率[11]。例如，在300 t钢包中残钢量约为9 t，约占钢水总量的3%[13]，浪费巨大。目前旋转磁场已经广泛应用于连铸生产中，从理论上讲，旋转磁场应用于钢包是通过改变钢液的流场来降低旋涡产生高度，进而达到既避免卷渣进入中间包又提高钢水利用率的目的。本文研究的重点是如何将旋转磁场与大包下渣问题相结合，并探究旋转磁场对钢包内钢液流动行为的影响。

本文以某钢厂150 t钢包为原型，比较了有无旋转磁场情况下的旋涡产生高度以及流场变化，论证了采用旋转磁场解决钢包汇流卷渣问题的可行性。

1 试验原理及方法

1.1 试验原理

基于相似性原理[14]，物理模拟试验与实际过程中液态金属的流动都属于湍流，试验中主要保证几何相似以及Fr准数相等[15]。

(1)

(2)

钢包模型及原型的具体参数见表1[16]，为研究方便,忽略了钢包倾斜角度的影响。试验采用水银作为模拟介质，钢包材质选用不锈钢，钢液和水银的物性参数见表2。

表1 连铸钢包的模拟试验参数Table 1 Simulation parameters of the continuous casting ladle

表2 钢液和水银的物性参数Table 2 Physical parameters of the liquid steel and mercury

试验采用的旋转磁场由旋转的永磁铁产生。旋转磁场在金属液内感生出感生电流J，感生电流与磁场B相互作用产生洛伦兹力F，驱动钢液运动。

(3)

1.2 试验装置

图1为试验装置示意图及流场测试简图。试验中借助电磁泵可以实现水银在水银槽、管道、钢包之间的循环。采用DOP- 2000型多普勒测速仪测量液态金属的一维速度。试验中，多普勒探头布置于钢包底部向上15 mm的平面上，具体分布如图1(b)所示。多普勒测速以远离探头的方向为速度的正向(如图1(b)中黑色箭头所示)。

1.3 试验方法与方案

试验水银高度均为240 mm，忽略渣层的影响。试验前关闭门窗，水银静置10 min，尽可能减弱空气流动等外界因素对自由液面造成的影响；试验打开水口的同时，使用多普勒测速仪和摄像机分别获取金属液流速以及流动状态的实时变化。

受限于目前试验设备，无法同时获取8个探头所测的金属液流速，每次只能获取一个探头所测的金属液流速。为了考察相同工况下各个探头测量的可重复性，分别对相同工况下的1号和5号探头进行了4次重复测量，结果如图2所示。

图1 (a)试验装置示意图及(b)流场测试示意图Fig.1 (a) Experimental device and (b) the measured positions of the flow field

图2 1号和5号探头所测金属液的速度随时间变化图Fig.2 Variation of velocity of the liquid metal measured by probes No.1 and No.5 with time

从图2可以看出，4次重复试验所得的金属液流速虽然存在着某些细微的差别，但总体来说试验的重复性十分良好。因此认为8个探头分别试验测量组合而成的速度矢量图可以代替一次试验所取平面的速度矢量图。

试验开始后30 s，水银液面降到探头位置，之后测量的流速存在较大差异，因此选取30 s内的液态水银流动状态进行分析。

2 试验结果与分析

本试验中旋涡的旋转方向具有很大的随机性，因此仅考察初始旋涡方向为逆时针的旋涡，所施加的旋转磁场为顺时针。根据磁场加入时间及大小的不同，做了以下几组试验，并测量相应的旋涡临界高度(Hcr为形成凹窝时的高度)与旋涡贯穿高度(Hth为旋涡中心形成贯通的漏斗形气柱的高度)，结果见表3。

对比1、2、3组试验可见，合理的磁场可以明显降低旋涡的临界高度及贯穿高度。这是由于洛伦兹力在一定程度上抵消了原有水银漩涡的旋转趋势，并抑制了流体内的切速度。4、5两组试验说明,不合理的旋转磁场会改变旋涡的旋转方向。6～12组试验说明,初始角动量对旋涡的形成及方向影响很大。

接下来分别对1、3、12三组试验旋涡的临界高度及贯通高度进行分析。旋涡最大临界高度为8 cm，考察了液面高度为8 cm时不同工况下的液面情况和测量面流场，结果如图3和图4所示。

表3 不同试验条件下的临界高度和贯穿高度Table 3 Hcr and Hth under different test conditions

图4 液面高度8 cm时测量面的流场Fig.4 Flow field of the measured surface at the liquid height of 8 cm

从图3(a)可以看出，当液面高度降低到8 cm时液面出现弧形下凹，形成涡芯。图3(b)、3(c)显示,在相同高度时液面平静无涡芯。无磁场时第1组试验中水银呈逆时针方向旋转，如图4(a)所示；添加磁场后液态水银表现为中间汇流的趋势，如图4(b)所示。这是因为磁场产生了顺时针的力，抵消了逆时针的旋涡。

三组试验中最小贯通高度为2 cm，于是考察液面高度为2 cm时不同工况下的液面情况与测量面流场，分别如图5和图6所示。

图5 液面高度2 cm时的液面情况Fig.5 Surface conditions at the liquid height of 2 cm

图6 液面高度2 cm时测量面的流场Fig.6 Flow field of the measured surface at the liquid height of 2 cm

从图5可以看出，当液面高度降低到2 cm时，三种试验条件下均出现完全贯通的状态，而且贯通高度与钢包直径相当。从图6可以看出，当完全贯通时，三组试验的测量面的流场都以向中间汇流为主，但又有所不同。图6(a)可以看到明显的逆时针旋转，图6(b)和图6(c)中的旋转不明显。这说明完全贯通高度时液位降低到比较低的位置，当表面张力不足以维持液面时就出现了流体汇聚塌陷的流动状态，这时无论液面是否旋转都会出现贯通现象，因此旋转磁场对其改善作用较小。

3 结论

(1)充分静置后，钢包内液态水银旋涡的形成以及旋转方向受初始角动量的影响较大，而非科氏力的作用。

(2)旋转磁场能显著降低旋涡的临界高度，这是因为洛伦兹力抵消了原有旋涡的旋转趋势，并抑制了流体内的切速度。

(3)旋涡在贯通时，流场以向中间汇流为主，旋转磁场在一定程度上可以降低旋涡的贯通高度。

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收修改稿日期：2016- 12- 15

ResearchontheEffectofRotatingMagneticFieldonVortexFormationduringLadleTeemingFinalProcess

Wang Xudong1Li Bin2Lei Zuosheng2
(1. Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

At the final steps of the ladle teeming, vortex roughing slag will occur. It will reduce the utilization of the liquid steel and have an impact on the quality of the final product. The rotating magnetic field was proposed to improve the vortex formation during the ladle teeming final process. The influence of the rotating magnetic field on the vortex was studied and analyzed by the physical simulation method. The results showed that the vortex was mainly caused by the initial angular momentum during the final process of ladle teeming; the rotating magnetic field under the ladle would affect the behavior of the liquid steel; the appropriate magnetic field would reduce the critical height of the vortex and control the formation and development of the vortex.

ladle slag，electromagnetic stirring，vortex

国家自然科学基金(No.51274137，No.U1560202)和上海市经济与信息化委员会资助项目

王旭东，男，工程师，主要从事冶金技术及工程应用研究，Email:gumufeng1023@163.com

雷作胜，教授，Email：ei_zsh@staff.shu.edu.cn