长水口结构及电磁作用对中间包冲击区钢液流动的影响研究

摘要

连铸过程中，钢包的钢液由长水口进入中间包，对中间包冲击区钢液冲击强烈，尤其是换钢包过程中，液面波动大，极易引起钢液卷渣和钢液面裸露，造成钢液二次氧化和卷入夹渣，降低钢液纯净度，影响铸坯内部质量。如何抑制浇铸过程中中间包冲击区钢液湍流成为国内外研究的热点。
　　本文提出采用结构简易扩张型长水口和电磁旋流技术，控制浇铸过程中中间包冲击区钢液湍流。首先，建立中间包浇铸过程钢-渣-气VOF多相流数学模型，并采用水力学物理模拟验证，研究长水口结构对中间包冲击区钢液流动行为的影响，并重点针对换钢包非稳态浇铸过程进行研究。再者，基于以上模型，使用UDF将电磁力加载到长水口，研究长水口电磁旋流作用对中间包冲击区钢-渣-气三相流动行为的影响。研究结果表明:
　　(1)稳态浇注时，采用扩张型长水口，能对钢包高速注流产生较大缓冲作用，抑制其对中间包钢液流动的冲击，显著降低中间包冲击区的湍流程度和液面流速，降低钢液面裸露和钢渣卷混的倾向。换钢包非稳态浇注时，随着长水口内径扩张增大，钢液裸露面积的最大值和裸露时间逐渐减小，但长水口内径扩张到2倍时，会由于需排除长水口内大量的气体，造成钢液持续约25s的裸露。最佳长水口结构为内径扩张1.5倍的长水口。
　　(2)扩张型长水口和湍流控制器两种控流装置均能降低中间包冲击区钢液面湍动能和钢液速度大小。两种控流装置组合使用使中间包冲击区钢液面湍动能下降了71％，钢液速度大小下降了65％。扩张型长水口+湍流控制器组合使用冶金效果更佳。
　　(3)在旋转磁场作用下，中间包长水口的钢液产生明显旋转，并在长水口出口上下附近处都产生旋流，冲击区钢液的循环回流范围变大，路径变长。但由于长水口出口到中间包底部的距离短，且流速高，旋流来不及扩散且受钢液回流影响，最终电磁旋流技术对中间包冲击区的优化效果并不明显。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 中间包冶金技术的发展

1．1．1 中间包及其作用

1．1．2 中间包的冶金功能

1．3 中间包冶金的研究方法

1．3．1 物理模拟

1．3．2 数学模拟

1．4 中间包钢液流场的研究

1．5 中间包冲击区钢液流动控制研究

1．5．1 湍流控制器和长水口研究

1．5．2 电磁控流技术研究

1．6 本文研究意义和基本内容

第二章 扩张型长水口对中间包冲击区钢液流动的影响研究

2．1 数学模型建立

2．1．1 基本假设

2．1．2 控制方程

2．1．3 边界条件

2．1．4 求解方法

2．2 物理模型的建立

2．2．1 实验原理

2．2．2 实验装置

2．2．3 实验方法

2．3 计算结果与分析

2．3．1 长水口结构对无湍流控制器中间包冲击区的影响

2．3．2 长水口结构对使用圆形带檐湍流控制器中间包冲击区的影响

2．2．3 水模实验对数模结果的验证

2．4 本章小结

第三章 电磁旋流技术对中间包冲击区钢液流动的影响研究

3．1 数学模型建立

3．1．1 基本假设

3．1．2 控制方程

3．1．3 边界条件

3．1．4 求解方法

3．2 计算结果与分析

3．2．1 无湍流控制器

3．2．2 圆形带檐湍流控制器

3．2．3 电磁强度大小的影响

3．3 本章小结

第四章 全文总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文