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        水口位置對(duì)電磁偏心攪拌作用下大圓坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)及傳熱的影響

        2020-09-26 01:03:32趙俊學(xué)仇圣桃唐雯聃楊凌志
        上海金屬 2020年5期
        關(guān)鍵詞:大圓水口鋼液

        牛 亮 趙俊學(xué) 仇圣桃 唐雯聃 楊凌志

        (1.西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院,陜西 西安 710055; 2.鋼鐵研究總院,北京 100081;3.中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

        大斷面圓坯因其幾何形狀便于后續(xù)加工的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而迅速發(fā)展,廣泛應(yīng)用在大型鍛件、大型無(wú)縫鋼管和機(jī)車車輪等領(lǐng)域[1- 3]。隨著相關(guān)行業(yè)的迅速發(fā)展,對(duì)大圓坯質(zhì)量要求不斷提高[4]。鋼液在結(jié)晶器中的流動(dòng)與傳熱影響鑄坯的凝固及其質(zhì)量[5]。眾多學(xué)者研究了水口插入深度、水口結(jié)構(gòu)、電磁攪拌等因素對(duì)結(jié)晶器中鋼液流動(dòng)- 傳熱的影響[6- 9]。理想的結(jié)晶器鋼液流場(chǎng)及溫度場(chǎng)特點(diǎn)包括:較淺的鋼液沖擊深度使得過(guò)熱鋼液集中在結(jié)晶器上部以保證化渣效果及更多的熱量消散;合理的回流區(qū)以保證夾雜物、氣體上??;沿周向凝殼生長(zhǎng)均勻,降低縱向裂紋的萌生概率[10- 12]。

        任兵芝等[13]采用數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),大圓坯連鑄結(jié)晶器電磁偏心攪拌時(shí),外弧側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度及電磁力均大于內(nèi)弧側(cè),可能導(dǎo)致凝固坯殼生長(zhǎng)不均,易造成漏鋼等。某廠在實(shí)際生產(chǎn)中采用一臺(tái)中間包同時(shí)澆注直徑500和600 mm大圓坯時(shí),發(fā)現(xiàn)φ600 mm大圓坯水口偏離結(jié)晶器中心位置50 mm,導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)不均,溫差增大,坯殼厚度不均[14]。結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)和傳熱的不對(duì)稱會(huì)造成坯殼厚度和成分的不均勻,進(jìn)而造成質(zhì)量缺陷。

        某廠在采用同一臺(tái)結(jié)晶器電磁攪拌器(M- EMS)生產(chǎn)380、500及600 mm大圓坯時(shí),發(fā)現(xiàn)380 mm大圓坯的中軸線與M- EMS中軸線偏差110 mm,導(dǎo)致大圓坯中電磁力分布不均勻,進(jìn)而造成鋼液流動(dòng)不對(duì)稱。因此,本文通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了不同水口位置對(duì)380 mm大圓坯結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)及傳熱的影響,旨在消除電磁偏心攪拌造成的不利影響,為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供借鑒。

        1 數(shù)學(xué)模型

        結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)極其復(fù)雜,為簡(jiǎn)化計(jì)算,做出如下假設(shè):(1)高溫鋼液為各向同性且是不可壓縮的牛頓流體;(2)不考慮結(jié)晶器振動(dòng)及鑄坯凝固等對(duì)鋼液運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響;(3)忽略位移電流對(duì)電磁場(chǎng)分布的影響;(4)鋼液物性參數(shù)為常數(shù),不考慮凝固對(duì)流動(dòng)的影響;(5)用空氣代替電磁攪拌器內(nèi)冷卻水、不銹鋼保護(hù)套及絕緣物質(zhì)等,采用簡(jiǎn)化的攪拌器結(jié)構(gòu)。

        1.1 控制方程

        (a)電磁場(chǎng)控制方程

        采用持續(xù)電磁攪拌方法。電磁場(chǎng)計(jì)算模型采用Maxwell方程組描述。

        Faraday電磁感應(yīng)定律:

        (1)

        式中:E為電場(chǎng)強(qiáng)度,V/m;B為磁通密度,T。

        Ampere環(huán)路定律:

        (2)

        式中:H為磁場(chǎng)強(qiáng)度,A/m;J為電流密度,A/m2;D為電位移矢量,C/m2。

        Gauss磁通定律:

        (3)

        Gauss電通定律:

        (4)

        Ohm定律:

        (5)

        電磁力:

        (6)

        (b)流場(chǎng)控制方程

        連續(xù)方程:

        (7)

        動(dòng)量方程:

        (8)

        式中:ρ為密度,kg/m3;v為速度,m/s;p為壓力,Pa;g為重力加速度,m/s2;μeff為有效黏度系數(shù),kg/(m·s)。

        湍動(dòng)能方程:

        (9)

        湍動(dòng)能耗散率方程:

        (10)

        式中各參數(shù)取值見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

        (c)能量控制方程

        能量方程:

        (11)

        式中:t為時(shí)間,s;T為溫度,K;λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);cp為比熱容,J/(kg·K)。

        1.2 生產(chǎn)條件及物性參數(shù)

        圖1(a)為結(jié)晶器偏心攪拌示意圖,圖1(b)是φ380 mm大圓坯電磁攪拌模型,其中水口直徑40 mm,插入深度100 mm,結(jié)晶器有效長(zhǎng)度680 mm,結(jié)晶器銅管厚度30 mm,計(jì)算區(qū)域包括結(jié)晶器和足輥區(qū),圓坯總長(zhǎng)1 180 mm,M- EMS底部與結(jié)晶器底部重合。

        圖1 偏心攪拌(a)和結(jié)晶器電磁攪拌器(b)示意圖

        某廠φ380 mm合金鋼大圓坯生產(chǎn)工藝參數(shù)見(jiàn)表1,主要物性參數(shù)見(jiàn)表2。

        表1 工藝參數(shù)

        表2 材料物性參數(shù)

        1.3 初始條件和邊界條件

        (1)電磁場(chǎng)邊界條件

        電磁場(chǎng)外層空氣外表面施加磁力線平行的邊界條件。

        (2)水口入口邊界條件

        Tin=T1

        (12)

        式中:Tin為入口處鋼液溫度,T1為澆注溫度,K。

        入口處鋼液速度可根據(jù)質(zhì)量守恒計(jì)算得出。

        (3)出口邊界條件

        鋼液在足輥區(qū)出口壓力為0。

        (4)溫度邊界條件

        結(jié)晶器液面及浸入式水口耐材表面按絕熱處理,結(jié)晶器壁面平均熱流計(jì)算公式為:

        (13)

        式中:QN為結(jié)晶器冷卻水流量,m3/s;CP,N為冷卻水的比熱容,J/(kg·℃);ΔTN為結(jié)晶器冷卻水進(jìn)出口溫差,K;Fm為結(jié)晶器銅板有效傳熱面積,m2;ρN為水的密度,kg/m3。

        足輥區(qū)換熱系數(shù)[16]:

        hf=581w0.541

        (14)

        式中:hf為換熱系數(shù),W/(m2·K);w為水流密度,L/(m2·s)。

        1.4 計(jì)算過(guò)程

        本文采用COMSOL軟件計(jì)算電磁場(chǎng)、流場(chǎng)及溫度場(chǎng)。計(jì)算過(guò)程包括建模、添加物理場(chǎng)、添加材料物性、設(shè)置初始條件和邊界條件、劃分網(wǎng)格(鑄坯采用流體網(wǎng)格,其他采用常規(guī)網(wǎng)格,共劃分12 000個(gè)網(wǎng)格)、計(jì)算(全耦合求解器選用PARDISO,預(yù)階算法為多線程嵌套式剖分,相對(duì)容差為0.01)、后處理。在瞬態(tài)研究中添加參數(shù)化掃描,得到一個(gè)周期內(nèi)的電磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果,然后通過(guò)設(shè)置流場(chǎng)- 溫度場(chǎng)求解器,根據(jù)時(shí)間加載不同的電磁力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)與流場(chǎng)- 溫度場(chǎng)的耦合,計(jì)算時(shí)間設(shè)置為300 s。

        1.5 結(jié)果驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證磁場(chǎng)模型的準(zhǔn)確性,利用F.W Bell 8030 高斯計(jì)對(duì)無(wú)鋼液的結(jié)晶器中軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)(電磁攪拌參數(shù)為300 A/2 Hz),模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量值見(jiàn)圖2,可知模擬值與實(shí)測(cè)值有一定差異,但仍可認(rèn)為模擬結(jié)果準(zhǔn)確。

        圖2 磁感應(yīng)強(qiáng)度的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

        2 電磁偏心攪拌作用下大圓坯的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布

        圖3是t=0時(shí)大圓坯結(jié)晶器出口處橫截面磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力分布云圖。由圖3可知,電磁偏心攪拌使得外弧側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力均大于內(nèi)弧側(cè),這與文獻(xiàn)[13]的結(jié)果一致。

        圖3 大圓坯橫截面磁感應(yīng)強(qiáng)度(a)及電磁力(b)的分布云圖

        圖4(a)是大圓坯縱截面的速度矢量分布,圖4(b)為結(jié)晶器出口橫截面的速度矢量分布。由圖4可知,在電磁偏心攪拌作用下,鋼液從水口進(jìn)入結(jié)晶器后偏向外弧側(cè),碰到結(jié)晶器后,在內(nèi)弧側(cè)形成一個(gè)較大的回流;外弧側(cè)水平方向的鋼液流速大于內(nèi)弧側(cè)的鋼液流速,且流速最小處偏離中心軸。

        圖4 大圓坯不同截面的速度矢量分布

        圖5(a)是大圓坯縱截面上的溫度分布,圖5(b)是結(jié)晶器出口橫截面上的溫度分布。由圖5可知,大圓坯的溫度分布與鋼液流場(chǎng)密切相關(guān),高溫鋼液集中在沖擊流上,在結(jié)晶器出口處,大圓坯外弧側(cè)的鋼液溫度明顯比內(nèi)弧側(cè)的鋼液高。

        圖5 大圓坯不同截面上的溫度場(chǎng)分布

        3 水口位置對(duì)大圓坯流場(chǎng)和傳熱的影響

        在電磁偏心攪拌作用下,鋼液由水口進(jìn)入結(jié)晶器后向外弧側(cè)偏轉(zhuǎn),且外弧側(cè)鋼液溫度更高。為了減小380 mm大圓坯結(jié)晶器中鋼液流動(dòng)及傳熱的不對(duì)稱性,對(duì)水口位置進(jìn)行了調(diào)整,分別將水口位置向內(nèi)弧側(cè)移動(dòng)10、30、50 mm,以研究水口位置對(duì)電磁偏心攪拌作用下鋼液流動(dòng)和傳熱的影響。

        3.1 水口位置對(duì)流場(chǎng)的影響

        圖6是水口位置對(duì)大圓坯縱截面鋼液流速的影響。由圖6可知,當(dāng)水口位置移向內(nèi)弧側(cè)后,鋼液從水口進(jìn)入結(jié)晶器后向內(nèi)弧側(cè)偏轉(zhuǎn),隨后形成較大的回流區(qū),鋼液由內(nèi)弧側(cè)流向外弧側(cè)。

        圖6 水口位置對(duì)鋼液流動(dòng)的影響

        當(dāng)水口位置向內(nèi)弧側(cè)移動(dòng)10 mm時(shí),結(jié)晶器上部?jī)?nèi)、外弧側(cè)均存在一個(gè)強(qiáng)度較小的回流區(qū);由于水口位置偏移較小,大部分鋼液未沖擊到結(jié)晶器壁就在電磁力的作用下向外弧側(cè)偏轉(zhuǎn),在結(jié)晶器下部和足輥區(qū)形成一個(gè)極大的回流區(qū)。當(dāng)水口位置移向內(nèi)弧側(cè)移動(dòng)30 mm時(shí),結(jié)晶器上部?jī)?nèi)、外弧側(cè)存在2個(gè)較小的回流區(qū);鋼液碰壁后在電磁力的作用下,快速流向外弧側(cè),并在結(jié)晶器出口處形成較小的回流區(qū);部分鋼液流到外弧側(cè)后向下流動(dòng),在足輥區(qū)下部形成一個(gè)強(qiáng)度較小的回流區(qū)。當(dāng)水口位置向內(nèi)弧側(cè)移動(dòng)50 mm時(shí), 結(jié)晶器上部外弧側(cè)的回流區(qū)消失,內(nèi)弧側(cè)的回流區(qū)范圍縮??;鋼液碰壁后在電磁力作用下,形成范圍更大的回流區(qū),回流的鋼液甚至?xí)竭_(dá)彎月面附近;足輥區(qū)的回流強(qiáng)度明顯減弱。

        圖7是水口位置對(duì)結(jié)晶器出口鋼液水平流速的影響。由圖7可以看出,外弧側(cè)鋼液的流速大于內(nèi)弧側(cè)鋼液,橫截面上鋼液流速最小處逐漸向中心靠近。鋼液的水平流速主要與電磁力分布有關(guān),水口位置不影響鋼液水平流速的分布。

        圖7 水口位置對(duì)鋼液水平流動(dòng)的影響

        3.2 水口位置對(duì)溫度場(chǎng)的影響

        由圖8可知,鋼液的溫度分布與鋼液流動(dòng)關(guān)系密切。當(dāng)水口位置向內(nèi)弧側(cè)移動(dòng)10 mm時(shí),由于結(jié)晶器上部回流區(qū)強(qiáng)度最小,彎月面處鋼液溫度較低;結(jié)晶器下部回流區(qū)較大,高溫鋼液被帶到外弧側(cè)及足輥區(qū),但由于在結(jié)晶器中停留時(shí)間較短,鋼液熱量消散較少,鋼液溫度較高。當(dāng)水口位置向內(nèi)弧側(cè)移動(dòng)30 mm時(shí),結(jié)晶器上部回流區(qū)強(qiáng)度相對(duì)水口位置偏離10 mm時(shí)提高,彎月面處鋼液溫度升高;鋼液碰壁后在足輥區(qū)上部形成較強(qiáng)回流,鋼液在結(jié)晶器中停留時(shí)間增加,熱量消散增加,鋼液溫度降低;在足輥區(qū)下部,靠近外弧側(cè)鋼液向下流動(dòng),鋼液溫度較高,中心及內(nèi)弧側(cè)鋼液由于受回流影響,溫度略低。當(dāng)水口位置向內(nèi)弧側(cè)移動(dòng)50 mm時(shí),結(jié)晶器上部回流強(qiáng)度較弱,鋼液溫度較低;鋼液碰壁后,高溫鋼液主要集中在結(jié)晶器上部,足輥區(qū)鋼液溫度有所降低。

        圖8 水口位置對(duì)大圓坯縱截面溫度場(chǎng)分布的影響

        圖9是結(jié)晶器出口鋼液溫度分布??梢钥闯觯芩阡撘簺_擊影響,高溫鋼液并非集中在大圓坯中心主要集中在大圓坯內(nèi)弧側(cè)。當(dāng)水口偏移30 mm時(shí),高溫區(qū)范圍最大,且更接近中心。

        圖9 水口位置對(duì)大圓坯橫截面溫度場(chǎng)分布的影響

        圖10是不同水口偏移距離下大圓坯內(nèi)、外弧側(cè)的鋼液溫度。由圖10可知,當(dāng)水口位置向內(nèi)弧側(cè)偏移后,內(nèi)、外弧側(cè)鋼液溫度明顯降低;溫度分布發(fā)生改變,即遠(yuǎn)離彎月面處鋼液溫度反而升高;內(nèi)弧側(cè)鋼液的最高溫度均在距彎月面0.6 m處。

        圖10 不同水口偏移距離下大圓坯內(nèi)(a)、外(b)弧側(cè)的鋼液溫度

        圖11是不同水口偏移距離下大圓坯內(nèi)、外弧側(cè)鋼液的溫差(ΔT=外弧側(cè)溫度-內(nèi)弧側(cè)溫度)。由圖11可知,改變水口位置后,ΔT明顯增大。不同水口位置下大圓坯的ΔT最大值及其對(duì)應(yīng)位置見(jiàn)表3。由表3可知,隨著水口向外弧側(cè)偏移,鋼液溫差明顯增大,ΔT最大值主集中在足輥區(qū)。

        圖11 不同水口偏移距離下大圓坯內(nèi)、外弧側(cè)鋼液溫差

        表3 大圓坯內(nèi)、外弧側(cè)鋼液ΔT最大值及其位置

        從以上結(jié)果可知,當(dāng)水口向內(nèi)弧側(cè)偏移后,鋼液整體溫度明顯下降,尤其是彎月面附近的鋼液溫度降低明顯,這不利于保護(hù)渣熔化;同時(shí)內(nèi)、外弧側(cè)鋼液溫差增大,會(huì)使鑄坯坯殼生長(zhǎng)不均勻,進(jìn)而產(chǎn)生裂紋,因此,調(diào)整水口位置的方法不宜用來(lái)消除電磁偏心攪拌造成的不利影響。

        4 結(jié)論

        (1)電磁偏心攪拌使從水口進(jìn)入結(jié)晶器的鋼液流向外弧側(cè),并使外弧側(cè)鋼液溫度升高。

        (2)當(dāng)水口位置偏向內(nèi)弧側(cè)時(shí),從水口進(jìn)入結(jié)晶器的鋼液流向內(nèi)弧側(cè),碰到結(jié)晶器壁后形成較大的回流區(qū),同時(shí)結(jié)晶器上部回流區(qū)縮小。

        (3)當(dāng)水口位置偏向內(nèi)弧側(cè)時(shí),彎月面處鋼液溫度明顯降低,且內(nèi)、外弧側(cè)鋼液溫度隨著與彎月面的距離的增大而降低,同時(shí)內(nèi)、外弧側(cè)鋼液溫差明顯增大。

        (4)將水口位置移向內(nèi)弧側(cè)不宜用于消除電磁偏心攪拌對(duì)380 mm大圓坯質(zhì)量產(chǎn)生的不利影響。

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