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1、节能技术与装备 450 新型电磁制动装置对薄板坯漏斗形结晶器内流场 影响的数值模拟 新型电磁制动装置对薄板坯漏斗形结晶器内流场 影响的数值模拟 田溪岩 李本文 赫冀成 (东北大学材料电磁过程教育部重点实验室 沈阳 110004) 摘摘 要要： 薄板坯电磁连铸漏斗形结晶器最关键的技术之一是设计合理的流动模型，因为它对结晶器内最后出坯的表面和内 部质量的影响很大。针对薄板坯漏斗形结晶器宽侧壁形状的不规则性，设计了新型全幅一段电磁制动装置，并采用商业软 件 Fluent 对电磁制动影响下的钢液流场进行了数值模拟。模拟结果显示，在新型电磁制动装置作用下，结晶器内的最大磁 感应强度的区域正处于钢液即将冲
2、击结晶器的位置，也是结晶器内最需要进行制动的区域之一。在电磁力的影响下，结晶 器内的钢液流场被明显改善，流场速度趋于均匀，成功地避免了高速熔融钢液对结晶器窄侧壁的冲击，弯月面速度明显降 低，结晶器下部区域形成均一的活塞流。 关键词关键词： 薄板坯；新型电磁制动装置；数值模拟；漏斗形结晶器 Numerical Analysis of the New Type EMBr Effects on the Fluid Flow in the Thin Slab Casting Funnel Shape Mold TIAN Xi-yan LI Ben-wen HE Ji-cheng (Key Labora
3、tory of National Education Ministry for Electromagnetic Processing of Materials of NEU, Shenyang 110004 ) Abstract: Thin slab continuous casting technology was gradually used in recent years to improve product and save cost. A new type magnet equipment specially designed for the thin slab casting fu
4、nnel shape mold is developed. A series of numerical simulations are made to analyze the melt steel flow with Electromagnetic Brake (EMBr) using commercial software Fluent. The results show that, the fluid flow is significantly controlled by the new type EMBr, the magnitude of the velocities becomes
5、more homogenous, flow jet impingement on narrow face of the mold is avoid, velocities becomes much smaller on the free surface and plug like flow forms at the outlet of the mold. Key words: Thin slab; New type magnet equipment; Numerical simulation; Funnel shape mold 1 前言 在电磁连铸过程中，电磁制动技术被用来对结 晶器内部的钢
6、液行为进行制动。电磁制动技术的 优点是：通过抑制结晶器内的熔融钢液流动，降 低卷渣和铸坯表面缺陷的发生比率、钢坯的横向 和纵向裂纹和弯月面的波动，减小弯月面高度， 避免钢液对结晶器窄壁面的冲击等，进而改善钢 坯的内部和表面质量，提高生产效率1-4。已经有 研究者1-5作了很多关于电磁制动技术在中厚板 坯、方坯连铸结晶器内的数值模拟工作。但是对 于薄板坯漏斗形结晶器来说，由于其结构较为复 杂，宽厚比大，结晶器宽面上部为漏斗形凸起， 拉坯速度高达6m/min甚至以上；浸入式水口的结 构也较为复杂；因此薄板坯漏斗形结晶器的钢液 行为很难控制，模拟的工作量较大，难度较高。 前人5-8对薄板坯漏斗形结晶
7、器内钢液行为的 数值模拟主要在于对钢液流场、温度场和凝固行 为单独或耦合计算的研究分析；而施加电磁场后 的流场、温度场和凝固的数值模拟的文献报道很 少。李宝宽9作了静电磁场对漏斗形结晶内流场的 数值模拟，但其采用的是传统的电磁制动装置， 全国能源与热工 2008 学术年会 451 对于薄板坯漏斗形结晶器来说，该装置需要耗费 很大的电能。 本文针对漏斗形结晶器结构的特殊性设计了一 种新型的电磁制动装置，并用数值模拟的方法对 施加该电磁制动装置后的流场进行研究分析。通 过和未施加磁场结果进行比较，证实了施加新型 磁场的优越性，为实际生产应用电磁制动技术提 供了理论依据。 2 物理模型 2.1 新型
8、电磁制动装置 图1给出了新型电磁制动装置示意图。从图中 可以看出，磁铁的中间部分为“工”字中空，结晶器 被竖直放置其内。换言之，磁轭环绕结晶器放置， 相对结晶器宽壁面伸出两个缠绕通电直流线圈的 磁极（结晶器和线圈未画出）。虚线部分显示出 新型制动装置区别于传统电磁制动装置的独特 性，传统的磁极表面是平面，新型磁极表面形状 与漏斗形结晶器宽侧壁形状相互嵌合，即两者的 水平距离处处相等且不超过5mm。磁铁上表面和 浸入式水口的出口处相平，高度是200mm。 图 1 新型电磁制动装置示意图 基于新型电磁制动装置形状的特殊性，它产 生的磁场强度比相同结构参数和电参数下传统电 磁制动装置产生的磁场强度大
9、得多，分布不均匀 11。 2.2 漏斗形结晶器和浸入式水口 漏斗形结晶器的结构尺寸见文献6。SEN的结 构尺寸见图2。实际的水口入口为圆形，向下过渡 至出口处为扁长形。为方便网格的划分，把圆形 的入口简化为正方形；水口底部是一块中间带有 三角块的水平挡板，便于钢液向水口两侧分流。 且三角块与水平方向的夹角为50度。水口浸入深 度是指从水口的出口到钢液自由液面的距离，模 拟选用的水口浸入深度为300mm。 图 2 浸入式水口 3 数学模型和数值方法 3.1 控制方程 连续方程： 0 j j v x = （1） 动量方程： , j i j ieffem j jjjij v vp v vF xxxx
10、x =+ （2） 式中，电磁力 ,em j F是源项。 eff 是有效黏度， 它是层流黏度和湍流黏度之和 efflt =+ （3） 不同的湍流模型导致 eff 的计算方法不同，本 模拟采用低雷诺数模型，其方程组如下 150mm 60mm 30mm 210mm 50mm 50 135mm 60mm 节能技术与装备 452 t i iiki k v kG xxx =+ （4） 2 12 t i iii vCGC xxxkk =+ （5） / 2 kfc t = （6） 式中， 22 2 jj i t jij vv v G xxx =+ 1 1.44C =,92. 1 2 =C,09. 0= C,0
11、 . 1= k , 3 . 1= ,1 1= f )50/Re1/(5 . 2exp( t f+= )Reexp(3 . 00 . 1 2 2t f= 2 Re/() t k= 电磁力由下式给出： em =FJ （7） 式中，J是感生电流密度，是磁感应强度。 3.2 计算区域及边界条件 为节省计算量，根据物理模型的对称性，选 用流场和磁场整个模型的四分之一作为计算区 域。结晶器内自由液面上方无钢液的区域未作计 算区。其边界条件如下： （1）水口入口：入口速度根据拉坯速度和质 量守恒方程计算得出，湍动能和湍动能耗散率由 下列公式给出： L kC L kC vk inletinletinlet 4
12、 . 0 ,03. 0 5 . 175. 05 . 175. 0 2 = （2）结晶器出口：压力为一个大气压；出口 处钢液为充分发展流动，各变量梯度为零。 （3）自由液面：不考虑弯月面的影响，自由 液面处理成固定壁面，垂直表面的速度分量为零， 其余变量的梯度为零。 （4）壁面：所有壁面处理成无滑移固体壁面， 垂直于对称面的速度分量和其他物理量的法向分 量为零。 （5）对称面：垂直于对称面的速度分量和沿 对称面法向方向的梯度为零。 3.4 数值方法 电磁场采用有限元法求解。流场计算网格选择 结构网格，曲面部分采用适体坐标网格。采用有 限容积法进行求解。对流项和扩散项分别采用迎 风格式和中心差分格
13、式进行离散，源项线性化。 通过求解代数方程获得压力和速度的耦合。整个 过程用SIMPLE算法求解。表1给出了钢液的主要 物性参数。 4 结果与分析 4.1 电磁场下的流场和湍动能分布 流场计算采用的拉坯速度是 5.0m/min，相应 的磁场计算中电流安匝数的为 9000an。图 3 给出 了未施加电磁制动和施加电磁制动下，结晶器内 沿宽度方向中心截面的流场速度矢量图和湍动能 分布云图。其中右侧是流场速度矢量图，左侧为 湍动能分布云图。从图 3（a）可以看出，未施加 磁场时，结晶器内流场十分混乱，熔融钢液从水 口出口，较高速度的流股冲击到结晶器窄壁面， 并在结晶器内部沿垂直方向上形成两个漩涡；湍
14、 动能较大。如图 3（b）所示，施加新型电磁制动 装置后，结晶器内的钢液流场情况得到明显改善， 在电磁力的作用下，整场速度趋于均匀化，熔融 钢液冲击深度变小，在没有冲击到结晶器窄壁之 前流动方向速度发生改变，由向斜下方变为向下； 上下两个漩涡变小且涡心向水口出口处偏移。结 晶器下部靠近出口处形成均一的活塞流。图 4 给 全国能源与热工 2008 学术年会 453 出了相应的结晶器内竖直方向中心线上的磁感应 强度曲线图，对照图 3（）图 4 所示最大的磁感 应强度处刚好位于磁场中心线下方靠近结晶器窄 侧壁的地方，也是最需要进行电磁制动的区域。 对于漏斗形结构的特殊性，新型电磁制动装置显 示了它独
15、特的优越性11。 4.2 自由液面的最大速度 自由液面的最大速度是检验连铸技术的重要 标准之一。过大的速度容易引起卷渣和表面震痕， 而过小的速度又会阻止熔融钢液的扰动，产生不 均匀的温度分布，过早形成凝固坯壳等等。这两 种极限情况都会影响板坯的质量。根据文献6，10 的结果，我们选用距离液面下方 10mm 处的最大 速度作为自由液面的最大速度。图 5 给出了两种 情况下该位置截面的速度矢量比较图。从图中可 以看出，钢液在未施加电磁制动情况下的钢液速 度很大，最大速度为 0.26732m/s。施加新型制动 装置后， 速度明显变小， 最大速度只有 0.05875m/s。 4.3 出口处的速度分布 从图 3 中不但可以看出沿结晶器中心宽面的 流场结果，还可以看出未施加磁场和施加磁场两 种情况下结晶器出口位置的速度分布比较情况。 未施加磁场的出口附近仍有回流区存在，速度方 向各异，大小不一。施加磁场后，结晶器出口附 近的回流区消失，流场的速度方向均变为向下， 且速度的最大值和最小值的差值很小。 0.00.20.40.60.81.0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 磁感应强度，T 距离弯月面距离, m B 图 4 结晶器内沿高度方向中心 (a) 无电磁制动 湍动能，m2
