中间包电磁净化技术中流场的数值模拟.docVIP

中间包电磁净化技术中流场的数值模拟 王 赟 钟云波 任忠鸣 王保军 雷作胜 任维丽 上海大学材料学院 上海市现代冶金与材料制备重点实验室, 上海 200072 摘 要 本文采用数值模拟的方法对电磁净化中间包内钢液的流动特征进行了模拟研究。结果表明：中间包旋转室内的钢液在电磁力作用下产生水平旋转流动，该种流动方式能促进夹杂物的碰撞、聚合及上浮；旋转室出口旋流影响了分配室内的流动结构，其偏旋特性引起了分配室内流场结构的非对称性。为了减轻流动非对称性对分配室内流场带来的不利影响，针对旋流的偏旋特征，设计了具有抑制旋流偏旋的T形坝装置。模拟结果表明采用T形坝之后，减轻了流场结构的非对称性，分配室内的流动更为均匀，其流动方式对于夹杂物的进一步去除更为有利。 关键词 中间包，电磁净化，流场，数值模拟 1 引言 为了改善中间包内的流动状况和促进夹杂物的去除,目前普遍采用中间包扩容和优化设计、吹氩等技术和措施来促进中间包内夹杂物上浮分离，使钢液净化[1]。然而，随着对钢材质量要求的提高以及钢液二次精炼成本的上升，需进一步开发高效的夹杂物分离技术。在此背景下，日本川崎钢铁公司于1990年代中成功研发了中间包电磁净化技术[2，5]，该技术利用电磁场的非接触作用，在钢液中产生电磁力，驱动钢液在水平方向上旋转，使其中的夹杂物向中心聚集、碰撞长大，加之在高温的钢液中，夹杂物碰撞后聚合长大的速度很快，而夹杂物上浮速度又与夹杂物粒径的平方成正比，长大后的夹杂物上浮速度成倍提高，因此夹杂去除效率大为增加。目前该种颇具潜力的钢液净化技术已得到了冶金工作者的广泛关注。因此,掌握旋转磁场作用下钢液的流动特征，对研究该种特殊的流动状态下夹杂物去除的机制以及优化设计电磁净化用中间包结构甚为重要。 本文采用数学模拟方法对离心中间包内钢液的流动特性进行了研究,分析了中间包中有、无流动控制装置时钢液的流动状况，旨在揭示电磁净化中间包内钢液流动的特征，为离心中间包内流动控制装置的优化设计提供信息及依据，以便指导生产实践。 2 电磁净化用中间包计算模型 本实验计算模型以国内某厂拟采用的电磁净化用中间包为原型，其基本构成如图1所示。它可分为两个室：圆形带有一定锥度的旋转室和长方形的分配室，两室之间有通道相连通。弧形 图1 电磁净化中间包结构示意图 产生旋转运动，则夹杂物由于密度比钢液轻向中心迁移，进而碰撞长大上浮而去除；大包钢液注入圆形腔，在圆形腔经电磁净化后，从圆形腔的底部通道进入分配室和流入结晶器。中间包的容量为8吨，液位高度为760mm，大包水口的浸入深度为200 mm，入口处的钢液流量为1000kg/min，本次计算取旋转室内金属液的转速为40r/min。 3 电磁净化中间包流场的数学模型 3.1 基本控制方程 连续性方程： 动量方程： 式中，为液体密度；为时均速度矢量，为压力；为电磁力，为重力加速度，、分别为层流和湍流粘度，采用Launder和 Spalding[6]提出的双方程模型来确定，即： 式中，为湍动能，为湍动能耗散率，为一常数。、的偏微分控制方程分别为： 其中，，为湍流动能产生项，，，，。 3.2 电磁力 电磁力可根据Maxwell方程和Ohm定律计算。本文采用由Spitzer[7]等推导的旋转磁场电磁力计算公式： 其中，，为金属液切向速度，为金属液导电率，为金属液的磁导率，，为极对数，本研究中=1。为熔体表面周期性变化磁感应强度的幅值。 在笛卡尔坐标系下电磁力的表达式为： 3.3 流场边界条件 ①中间包入口。入口速度根据下式确定： 入口处湍动能和耗散率由下式确定，即： 其中，为入口处的质量流量，为水口的横截面面积，为水口当量半径。 ②在自由液面上，忽略自由液面的波动，。 ③在固体壁面，采用无滑移边界条件；采用经验壁面函数确定靠近壁面节点处的切向速度、湍动能和湍动能耗散率； ④中间包出口。各速度分量、、和、沿出口法线方向的梯度均为零。 3.4 求解方法 本研究采用CFX商业软件进行流场的模拟，采用有限体积法离散模型微分方程，用SIMPLE法求解离散后的模型非线性方程。模拟时将电磁力包含在动量守恒方程的体积力源项中。采用混合网格进行整个求解区域的网格划分，为保证计算精度在入口、出口以及靠近固体壁面处设置较密的网格。当各变量的均方根残差小于1e-4时，认为迭代收敛。 4 数值模拟结果及讨论 4.1 电磁净化中间包分配室内无坝时的流场 图2 无坝时不同高度处电磁净化中间包内的流场分布(a)z=0.5m；(b)z=0.25m；(c)z=0.05m 图2为分