王旭東 李 彬 雷作勝

(1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)鋼包澆注末期底部鋼液旋渦的影響研究

王旭東1李 彬2雷作勝2

(1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

鋼包澆注末期，會(huì)出現(xiàn)旋渦下渣現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鋼液的利用率以及產(chǎn)品質(zhì)量。提出了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)優(yōu)化鋼包澆注末期旋渦下渣的設(shè)想，并采用物理模擬方法研究與分析了不同旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)鋼包澆注末期旋渦的影響。結(jié)果表明，鋼包澆注末期旋渦的產(chǎn)生主要是由初始角動(dòng)量引起的；鋼包底部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)能夠改善鋼包澆注過(guò)程中鋼液的流動(dòng)行為；適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)磁場(chǎng)能顯著降低旋渦的臨界高度，并對(duì)旋渦的產(chǎn)生和發(fā)展具有明顯的抑制作用。

鋼包下渣 電磁攪拌 旋渦

近年來(lái)，改進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)純凈鋼(C+S+P+H+N+O<100 μg/g)乃至超純凈鋼(C+S+P+H+N+O<40 μg/g)是目前鋼鐵行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，而生產(chǎn)純凈鋼主要是通過(guò)提高鋼的純凈度及嚴(yán)格控制鋼中非金屬夾雜物來(lái)實(shí)現(xiàn)的[1]。在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，鋼包澆注末期產(chǎn)生的匯流旋渦會(huì)嚴(yán)重影響鋼液的質(zhì)量[2]。

匯流旋渦又稱自由表面旋渦，是指鋼液經(jīng)由鋼包水口流出的過(guò)程中，當(dāng)液面低于某一臨界高度時(shí)，會(huì)在水口上方的自由表面產(chǎn)生一個(gè)旋渦漏斗[3- 4]，其產(chǎn)生因素很多，目前尚無(wú)定論。Shapiro[5]和Binnie[6]通過(guò)試驗(yàn)證明了旋渦在北半球逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；Trefethen等[7]通過(guò)試驗(yàn)證明了旋渦在南半球順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。他們都認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)引起的科里奧利力是產(chǎn)生旋渦的主要原因。然而Haugen等[8]認(rèn)為，科里奧利力只有對(duì)熱帶氣旋和季風(fēng)等作用效果比較明顯，而對(duì)小規(guī)模的旋渦作用效果并不顯著；Pedlosky等[9]報(bào)道，在同一試驗(yàn)條件下，逆時(shí)針和順時(shí)針旋渦都會(huì)發(fā)生；Li等[10]指出，在正常情況下，科里奧利效應(yīng)相對(duì)于初始角動(dòng)量完全可以忽略，除非液體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的充分靜置；藺瑞等[11]針對(duì)鋼包澆注的水模試驗(yàn)也證明了這一觀點(diǎn)。

為了檢測(cè)鋼包下渣，國(guó)內(nèi)外冶金工作者相繼開(kāi)發(fā)出了電磁檢測(cè)法、振動(dòng)檢測(cè)法、稱重檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法等多種檢測(cè)技術(shù)[12]。實(shí)際生產(chǎn)中，雖然這些技術(shù)可以避免卷渣進(jìn)入水口，但同時(shí)也產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題：澆注完成后，鋼包內(nèi)殘留的鋼水不能轉(zhuǎn)化為成品鋼，降低了鋼水的利用率[11]。例如，在300 t鋼包中殘鋼量約為9 t，約占鋼水總量的3%[13]，浪費(fèi)巨大。目前旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于連鑄生產(chǎn)中，從理論上講，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)應(yīng)用于鋼包是通過(guò)改變鋼液的流場(chǎng)來(lái)降低旋渦產(chǎn)生高度，進(jìn)而達(dá)到既避免卷渣進(jìn)入中間包又提高鋼水利用率的目的。本文研究的重點(diǎn)是如何將旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與大包下渣問(wèn)題相結(jié)合，并探究旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)鋼包內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的影響。

本文以某鋼廠150 t鋼包為原型，比較了有無(wú)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)情況下的旋渦產(chǎn)生高度以及流場(chǎng)變化，論證了采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)解決鋼包匯流卷渣問(wèn)題的可行性。

1 試驗(yàn)原理及方法

1.1 試驗(yàn)原理

基于相似性原理[14]，物理模擬試驗(yàn)與實(shí)際過(guò)程中液態(tài)金屬的流動(dòng)都屬于湍流，試驗(yàn)中主要保證幾何相似以及Fr準(zhǔn)數(shù)相等[15]。

(1)

(2)

鋼包模型及原型的具體參數(shù)見(jiàn)表1[16]，為研究方便,忽略了鋼包傾斜角度的影響。試驗(yàn)采用水銀作為模擬介質(zhì)，鋼包材質(zhì)選用不銹鋼，鋼液和水銀的物性參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 連鑄鋼包的模擬試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Simulation parameters of the continuous casting ladle

表2 鋼液和水銀的物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of the liquid steel and mercury

試驗(yàn)采用的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由旋轉(zhuǎn)的永磁鐵產(chǎn)生。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在金屬液內(nèi)感生出感生電流J，感生電流與磁場(chǎng)B相互作用產(chǎn)生洛倫茲力F，驅(qū)動(dòng)鋼液運(yùn)動(dòng)。

(3)

1.2 試驗(yàn)裝置

圖1為試驗(yàn)裝置示意圖及流場(chǎng)測(cè)試簡(jiǎn)圖。試驗(yàn)中借助電磁泵可以實(shí)現(xiàn)水銀在水銀槽、管道、鋼包之間的循環(huán)。采用DOP- 2000型多普勒測(cè)速儀測(cè)量液態(tài)金屬的一維速度。試驗(yàn)中，多普勒探頭布置于鋼包底部向上15 mm的平面上，具體分布如圖1(b)所示。多普勒測(cè)速以遠(yuǎn)離探頭的方向?yàn)樗俣鹊恼?如圖1(b)中黑色箭頭所示)。

1.3 試驗(yàn)方法與方案

試驗(yàn)水銀高度均為240 mm，忽略渣層的影響。試驗(yàn)前關(guān)閉門窗，水銀靜置10 min，盡可能減弱空氣流動(dòng)等外界因素對(duì)自由液面造成的影響；試驗(yàn)打開(kāi)水口的同時(shí)，使用多普勒測(cè)速儀和攝像機(jī)分別獲取金屬液流速以及流動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化。

受限于目前試驗(yàn)設(shè)備，無(wú)法同時(shí)獲取8個(gè)探頭所測(cè)的金屬液流速，每次只能獲取一個(gè)探頭所測(cè)的金屬液流速。為了考察相同工況下各個(gè)探頭測(cè)量的可重復(fù)性，分別對(duì)相同工況下的1號(hào)和5號(hào)探頭進(jìn)行了4次重復(fù)測(cè)量，結(jié)果如圖2所示。

圖1 (a)試驗(yàn)裝置示意圖及(b)流場(chǎng)測(cè)試示意圖Fig.1 (a) Experimental device and (b) the measured positions of the flow field

圖2 1號(hào)和5號(hào)探頭所測(cè)金屬液的速度隨時(shí)間變化圖Fig.2 Variation of velocity of the liquid metal measured by probes No.1 and No.5 with time

從圖2可以看出，4次重復(fù)試驗(yàn)所得的金屬液流速雖然存在著某些細(xì)微的差別，但總體來(lái)說(shuō)試驗(yàn)的重復(fù)性十分良好。因此認(rèn)為8個(gè)探頭分別試驗(yàn)測(cè)量組合而成的速度矢量圖可以代替一次試驗(yàn)所取平面的速度矢量圖。

試驗(yàn)開(kāi)始后30 s，水銀液面降到探頭位置，之后測(cè)量的流速存在較大差異，因此選取30 s內(nèi)的液態(tài)水銀流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)中旋渦的旋轉(zhuǎn)方向具有很大的隨機(jī)性，因此僅考察初始旋渦方向?yàn)槟鏁r(shí)針的旋渦，所施加的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為順時(shí)針。根據(jù)磁場(chǎng)加入時(shí)間及大小的不同，做了以下幾組試驗(yàn)，并測(cè)量相應(yīng)的旋渦臨界高度(Hcr為形成凹窩時(shí)的高度)與旋渦貫穿高度(Hth為旋渦中心形成貫通的漏斗形氣柱的高度)，結(jié)果見(jiàn)表3。

對(duì)比1、2、3組試驗(yàn)可見(jiàn)，合理的磁場(chǎng)可以明顯降低旋渦的臨界高度及貫穿高度。這是由于洛倫茲力在一定程度上抵消了原有水銀漩渦的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，并抑制了流體內(nèi)的切速度。4、5兩組試驗(yàn)說(shuō)明,不合理的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)改變旋渦的旋轉(zhuǎn)方向。6～12組試驗(yàn)說(shuō)明,初始角動(dòng)量對(duì)旋渦的形成及方向影響很大。

接下來(lái)分別對(duì)1、3、12三組試驗(yàn)旋渦的臨界高度及貫通高度進(jìn)行分析。旋渦最大臨界高度為8 cm，考察了液面高度為8 cm時(shí)不同工況下的液面情況和測(cè)量面流場(chǎng)，結(jié)果如圖3和圖4所示。

表3 不同試驗(yàn)條件下的臨界高度和貫穿高度Table 3 Hcr and Hth under different test conditions

圖4 液面高度8 cm時(shí)測(cè)量面的流場(chǎng)Fig.4 Flow field of the measured surface at the liquid height of 8 cm

從圖3(a)可以看出，當(dāng)液面高度降低到8 cm時(shí)液面出現(xiàn)弧形下凹，形成渦芯。圖3(b)、3(c)顯示,在相同高度時(shí)液面平靜無(wú)渦芯。無(wú)磁場(chǎng)時(shí)第1組試驗(yàn)中水銀呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，如圖4(a)所示；添加磁場(chǎng)后液態(tài)水銀表現(xiàn)為中間匯流的趨勢(shì)，如圖4(b)所示。這是因?yàn)榇艌?chǎng)產(chǎn)生了順時(shí)針的力，抵消了逆時(shí)針的旋渦。

三組試驗(yàn)中最小貫通高度為2 cm，于是考察液面高度為2 cm時(shí)不同工況下的液面情況與測(cè)量面流場(chǎng)，分別如圖5和圖6所示。

圖5 液面高度2 cm時(shí)的液面情況Fig.5 Surface conditions at the liquid height of 2 cm

圖6 液面高度2 cm時(shí)測(cè)量面的流場(chǎng)Fig.6 Flow field of the measured surface at the liquid height of 2 cm

從圖5可以看出，當(dāng)液面高度降低到2 cm時(shí)，三種試驗(yàn)條件下均出現(xiàn)完全貫通的狀態(tài)，而且貫通高度與鋼包直徑相當(dāng)。從圖6可以看出，當(dāng)完全貫通時(shí)，三組試驗(yàn)的測(cè)量面的流場(chǎng)都以向中間匯流為主，但又有所不同。圖6(a)可以看到明顯的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，圖6(b)和圖6(c)中的旋轉(zhuǎn)不明顯。這說(shuō)明完全貫通高度時(shí)液位降低到比較低的位置，當(dāng)表面張力不足以維持液面時(shí)就出現(xiàn)了流體匯聚塌陷的流動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)無(wú)論液面是否旋轉(zhuǎn)都會(huì)出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，因此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)其改善作用較小。

3 結(jié)論

(1)充分靜置后，鋼包內(nèi)液態(tài)水銀旋渦的形成以及旋轉(zhuǎn)方向受初始角動(dòng)量的影響較大，而非科氏力的作用。

(2)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)能顯著降低旋渦的臨界高度，這是因?yàn)槁鍌惼澚Φ窒嗽行郎u的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，并抑制了流體內(nèi)的切速度。

(3)旋渦在貫通時(shí)，流場(chǎng)以向中間匯流為主，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在一定程度上可以降低旋渦的貫通高度。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.51274137，No.U1560202)和上海市經(jīng)濟(jì)與信息化委員會(huì)資助項(xiàng)目

王旭東，男，工程師，主要從事冶金技術(shù)及工程應(yīng)用研究，Email:gumufeng1023@163.com

雷作勝，教授，Email：ei_zsh@staff.shu.edu.cn