中間包電磁凈化技術(shù)中流場(chǎng)的數(shù)值模擬

1、2007年?duì)t外精煉年會(huì)論文集2252007年7月LadleRefining2007AnnualMeetingProceedingsJuly.2007中間包電磁凈化技術(shù)中流場(chǎng)的數(shù)值模擬王赟鐘云波任忠鳴王保軍雷作勝任維麗上海大學(xué)材料學(xué)院上海市現(xiàn)代冶金與材料制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上海200072摘要本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)電磁凈化中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)特征進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明：中間包旋轉(zhuǎn)室內(nèi)的鋼液在電磁力作用下產(chǎn)生水平旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，該種流動(dòng)方式能促進(jìn)夾雜

2、物的碰撞、聚合及上?。恍D(zhuǎn)室出口旋流影響了分配室內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，其偏旋特性引起了分配室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性。為了減輕流動(dòng)非對(duì)稱性對(duì)分配室內(nèi)流場(chǎng)帶來(lái)的不利影響，針對(duì)旋流的偏旋特征，設(shè)計(jì)了具有抑制旋流偏旋的T形壩裝置。模擬結(jié)果表明采用T形壩之后，減輕了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，分配室內(nèi)的流動(dòng)更為均勻，其流動(dòng)方式對(duì)于夾雜物的進(jìn)一步去除更為有利。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞中間包，電磁凈化，流場(chǎng)，數(shù)值模擬1引言為了改善中間包內(nèi)的流動(dòng)狀況和促進(jìn)夾雜物的去除目前普遍采用中

3、間包擴(kuò)容和優(yōu)化設(shè)計(jì)、吹氬等技術(shù)和措施來(lái)促進(jìn)中間包內(nèi)夾雜物上浮分離，使鋼液凈化[1]。然而，隨著對(duì)鋼材質(zhì)量要求的提高以及鋼液二次精煉成本的上升，需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高效的夾雜物分離技術(shù)。在此背景下，日本川崎鋼鐵公司于1990年代中成功研發(fā)了中間包電磁凈化技術(shù)[2，5]，該技術(shù)利用電磁場(chǎng)的非接觸作用，在鋼液中產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動(dòng)鋼液在水平方向上旋轉(zhuǎn)，使其中的夾雜物向中心聚集、碰撞長(zhǎng)大，加之在高溫的鋼液中，夾雜物碰撞后聚合長(zhǎng)大的速度很快，而夾雜物上浮速度

4、又與夾雜物粒徑的平方成正比，長(zhǎng)大后的夾雜物上浮速度成倍提高，因此夾雜去除效率大為增加。目前該種頗具潛力的鋼液凈化技術(shù)已得到了冶金工作者的廣泛關(guān)注。因此掌握旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下鋼液的流動(dòng)特征，對(duì)研究該種特殊的流動(dòng)狀態(tài)下夾雜物去除的機(jī)制以及優(yōu)化設(shè)計(jì)電磁凈化用中間包結(jié)構(gòu)甚為重要。本文采用數(shù)學(xué)模擬方法對(duì)離心中間包內(nèi)鋼液的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究分析了中間包中有、無(wú)流動(dòng)控制裝置時(shí)鋼液的流動(dòng)狀況，旨在揭示電磁凈化中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)的特征，為離心中間包內(nèi)流動(dòng)控制裝

5、置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供信息及依據(jù)，以便指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。2電磁凈化用中間包計(jì)算模型本實(shí)驗(yàn)計(jì)算模型以國(guó)內(nèi)某廠擬采用的電磁凈化用中間包為原型，其基本構(gòu)成如圖1所示。它可分為兩個(gè)室：圓形帶有一定錐度的旋轉(zhuǎn)室和長(zhǎng)方形的分配室，兩室之間有通道相連通。弧形圖1電磁凈化中間包結(jié)構(gòu)示意圖產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則夾雜物由于密度比鋼液輕向中心遷移，進(jìn)而碰撞長(zhǎng)大上浮而去除；大包鋼液注入圓形腔，在圓形腔經(jīng)電磁凈化后，從圓形腔的底部通道進(jìn)入分配室和流入結(jié)晶器。中間包的容量為8噸，

6、液位高度為760mm，大包水口的浸入深度為200mm，入口處的鋼液流量為1000kgmin，本次計(jì)算取旋轉(zhuǎn)室內(nèi)金屬液的轉(zhuǎn)速為40rmin。3電磁凈化中間包流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型3.1基本控制方程連續(xù)性方程：??0???U?動(dòng)量方程：????gFPUUUemtl?????????????2式中，為液體密度；為時(shí)均速度矢?U量，為壓力；為電磁力，為重力加速PemFg旋轉(zhuǎn)室分配室壩塞棒大包水口July.20072007年?duì)t外精煉年會(huì)論文集?227?力

7、作用下產(chǎn)生水平旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，這種流動(dòng)狀態(tài)促進(jìn)了輕相的夾雜物向旋轉(zhuǎn)中心區(qū)集中，且旋轉(zhuǎn)攪拌的作用促進(jìn)了夾雜物的碰撞和聚合而大型化，有利于夾雜物的上浮分離。同時(shí)水平旋流運(yùn)動(dòng)改變了旋轉(zhuǎn)室內(nèi)垂直方向的流場(chǎng)，具有抑制鋼液短路流動(dòng)的效果，延長(zhǎng)了鋼液在旋轉(zhuǎn)室內(nèi)的停留時(shí)間。在旋轉(zhuǎn)室出口處，在慣性力的作用下，旋轉(zhuǎn)室出流以近似于切線的方向碰撞到連接通道的后部壁面。由于流動(dòng)在旋轉(zhuǎn)室內(nèi)被加速，因此形成一較強(qiáng)的流股流向分配室，在該流股附近由于較大的壓差將形成一回流向旋

8、轉(zhuǎn)室的漩渦（如圖2中箭頭所示）。流股進(jìn)入分配室后發(fā)生偏旋，隨后以一定旋流角度沿平行于包底的方向鋪展流動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)室內(nèi)金屬液旋轉(zhuǎn)速度較大時(shí)，旋轉(zhuǎn)室出流的旋流強(qiáng)度增加，當(dāng)旋流流股碰撞到靠近塞棒處的中間包右側(cè)壁時(shí)形成較強(qiáng)的回流漩渦，這種漩渦促進(jìn)了出口匯流漩渦的形成，而且這種流動(dòng)方式增大了分配室內(nèi)短路流的發(fā)生，流動(dòng)狀況對(duì)夾雜物的進(jìn)一步去除非常不利。4.2電磁凈化中間包分配室內(nèi)設(shè)置矩形壩時(shí)的流場(chǎng)圖3設(shè)置矩形壩時(shí)不同高度處電磁凈化中間包內(nèi)的流場(chǎng)分(a

9、)z=0.5m(b)z=0.25m；(c)z=0.05m；圖4流場(chǎng)結(jié)果讀取截面示意圖圖5壩前方Y(jié)Z截面內(nèi)的流場(chǎng)分布圖6靠近分配室前包壁ZX截面內(nèi)的流場(chǎng)分布圖3為電磁凈化中間包內(nèi)不同z向高度處水平截面內(nèi)的流場(chǎng)分布，從圖中可以看出，在分配室設(shè)置矩形壩之后，由于壩對(duì)鋼液流動(dòng)的阻擋作用，因此減輕了上述無(wú)壩時(shí)短路流、匯流漩渦等不利流動(dòng)狀況的的發(fā)生，從而延長(zhǎng)了鋼液在分配室內(nèi)的停留時(shí)間。由于旋轉(zhuǎn)室出口旋流的影響，鋼液進(jìn)入分配室的方式發(fā)生了改變，因此分

10、配室內(nèi)的流動(dòng)特性與傳統(tǒng)中間包有較大的差別。圖5（圖5、6的流場(chǎng)結(jié)果讀取截面示意圖見(jiàn)圖4）為旋流進(jìn)入分配室后的流動(dòng)狀態(tài)圖，從圖中可以看出，旋轉(zhuǎn)室出流股進(jìn)入分配室后在慣性力作用下產(chǎn)生偏旋流動(dòng)，主要的流股朝著前包壁方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)壁面后沿著包壁指向液面流動(dòng)，由于旋流原因造成的流動(dòng)非對(duì)稱性，鋼液向著前方包壁的流動(dòng)較強(qiáng)，而向著后方包壁的運(yùn)動(dòng)則較弱。當(dāng)旋轉(zhuǎn)室內(nèi)金屬液轉(zhuǎn)速較大時(shí)，出口旋流的偏旋性越強(qiáng)，這種非對(duì)稱性更加明顯。由圖6還可以看出，由于流股碰撞

11、壩壁之后產(chǎn)生了回旋流動(dòng)，因此一部分流股碰到左側(cè)中間包壁后沿著壁面向液面運(yùn)動(dòng)。在無(wú)壩及采用矩形壩的情況下，旋轉(zhuǎn)室出流的偏旋特性引起了分配室內(nèi)前、后區(qū)域流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，這種非對(duì)稱性造成了鋼液對(duì)分配室前包壁較強(qiáng)的沖刷，并進(jìn)一步引起了靠近前包壁處液面較大的波動(dòng)，有可能加大卷渣現(xiàn)象和鋼液裸露現(xiàn)象的發(fā)生。因此應(yīng)減小這種流動(dòng)非對(duì)稱性帶來(lái)的不利影響。4.3電磁凈化中間包分配室內(nèi)設(shè)置T形壩時(shí)流場(chǎng)(a)(b)(c)矩形壩，z=0.25mT形壩，z=0.