67电磁制动下连铸结晶器内气泡行为物理模拟9-27.docVIP

电磁制动下连铸结晶器内气泡行为物理模拟 雷作胜，张浩斌，任忠鸣，邓康 上海大学，上海大学现代冶金与材料制备重点实验室，上海 200072 摘要：在板坯连铸过程中由于水口吹氩，结晶器内的流场本质上是一个气－液两相流，如何通过磁场等手段优化结晶器内的流场结构，改善铸坯质量，是个非常重要的问题。本文利用水银和氮气作为模拟介质，采用电阻探针研究气泡在结晶器内有无磁场条件下的统计规律。实验表明，施加磁场后，水口附近的气泡占空比和气泡数量明显增加,减少了结晶器窄面附近的气泡分布。同样气体流量下，施加磁场后气泡占空比总和与无磁场条件下相比明显要大。 关键词: 结晶器，气泡，两相流，电磁制动 Gas Bubble Statistical Behavior under Electro-magnetic Brake in Physical Simulation of Continuous Casting Slab Mold Zuosheng LEI, Haobin ZHANG, Zhongming REN, Kang DENG Shanghai University, Shanghai Enhanced Laboratory of Ferro-Metallurgy, Shanghai 200072, China Abstract: Multiphase magneto-hydrodynamic flow phenomenon in the continuous casting process is very important. Physical modeling use mercury and nitrogen as simulator was examined. The resistance probes were applied to study the gas bubble statistical behavior with and without magnetic field. The results show that when the magnetic field is imposed, the bubbles void fraction and number were increased at zone adjacent to nozzle, the bubbles number were decreased at the narrow side of mold. The total bubbles void fraction was increased at the same flow volume. Key words: Continuous casting mold, Bubble, Two phase flow, Electromagnetic brake 在板坯连铸过程中，为了防止水口的堵塞，一般会在水口中吹入一定量的氩气。在板坯连铸条件下，携带有氩气泡的高速钢液经由分叉式水口流入结晶器，分解为上下两个漩流区[1]。在控制不当的情况下，随上返流上浮的Ar气泡可能造成液面卷渣，形成大型的夹杂缺陷，同样，如果下部漩流控制不好则会把Ar气泡带到结晶器下部，为凝固的钢水/坯壳界面所捕获，形成皮下气孔[2]。由此可见，如何通过控制流动，从而有效控制气泡在结晶器内的分布、上浮行为将直接影响到铸坯质量。 随着连铸拉速的提高，单位时间内注入结晶器内的钢液流量及流速增加，从而使冲击深度增加，钢水液面波动剧烈，严重影响铸坯质量[3，4]。为了控制结晶器内的流动，人们发展了电磁制动技术[5、 6]。该技术的原理是通过在结晶器宽面施加垂直于水口出流的静磁场，钢水流股切割磁力线产生的感生电流与静磁场共同作用，就产生了与流股速度方向相反的电磁力，从而形成了电磁制动效应。 综上所述，结晶器内钢水的流动是本质上一个钢液－氩气的两相流，氩气所占的比例，氩气泡的大小和分布，钢液在水口出口处速度、流量等等都是影响结晶器内流场的关键参数，如何对水口吹氩进行参数优化是一个重要的问题[7]。电磁制动技术为控制结晶器内的流动提供了一个强有力的手段，但目前对该技术的研究多侧重于结晶器内钢水的单相流，针对金属液－气体两相流进行的研究很少，且多采用数学模拟的方法[8、9]，实验方面的研究一直不多[10]。本文采用水银－N2作为模拟介质，在水口出口处施加静磁场，采用电阻探针法测量了结晶器内气液两相流中气泡分布规律和特点，如有无磁场作用下气泡在结晶器不同位置的占空比、气泡的脉冲宽度等，为电磁制动下水口吹氩和流场控制提供参考。 1. 实验装置及研究方法 1.1 实验装置 实验装置如图1所示，板坯结晶器模拟装置采用不锈钢板制成，选取结晶器宽厚方向的相似比为1：4，即针对宽1