复合磁场作用下板坯结晶器内钢液流动、传热与凝固的数值模拟

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.04.008

摘要/Abstract

摘要：

为利用板坯连铸过程中电磁搅拌技术和电磁制动技术各自的优点克服自身缺点，本文应用了结合电磁搅拌和电磁制动的分体式复合磁场并提出电磁制动的结构为单条型电磁制动，对板坯连铸结晶器流场和温度场进行控制.建立了该磁场下结晶器内钢液流动、传热、凝固耦合的三维数值模拟模型.对复合磁场给予结晶器内钢液流动及传热与凝固的影响进行了分析.结果表明：施加复合磁场后，结晶器内上、下返流流速明显减小，钢液主流股对窄面的冲击深度变小，上返流整体下移，弯月面钢液形成顺时针循环流；结晶器内整体温度分布更均匀，弯月面处温度较无磁场时基本不变；结晶器出口处凝固坯壳更为均匀，其厚度较无磁场下有所增加，钢液射流对窄面附近初生坯壳冲刷程度减小.

关键词: 板坯连铸结晶器, 电磁搅拌, 电磁制动, 传热, 数值模拟

Abstract:

In view of the merits and the insurmountable technical defects of the electromagnetic stirring （EMS） process and electromagnetic braking （EMBr） process， a split type composite magnetic field combining EMS and EMBr is applied in this paper to control the flow field and temperature field in slab continuous casting mold. In this process， a ruler structure of EMBr is proposed. A three‐dimensional numerical simulation model of the molten steel flow and heat transfer with coupled solidification in slab mold under magnetic field is established. The effect of the composite magnetic field on the molten steel flow， heat transfer and solidification in mold is analyzed. The results show that， after applying the composite magnetic field， the velocities of the upward flow and the downward flow in the mold decrease obviously， the impact depth of the main stream of molten steel on the narrow surface rises， the upward flow moves down slightly as a whole， and the molten steel on the meniscus forms a clockwise circulation flow. The overall temperature distribution in the mold becomes more homogeneous， and the temperature on the meniscus is almost the same as that without magnetic field. The solidified shell at the outlet of the mold is more uniform， and its thickness is increased compared with that without magnetic field. The washing intensity of molten steel jet on the primary solidification shell near the narrow surface is reduced.

Key words: slab continuous casting mold, electromagnetic stirring （EMS）, electromagnetic braking （EMBr）, heat transfer, numerical simulation

中图分类号:

TF 777.1

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图/表 11

图1 复合磁场计算模型（a）—复合磁场装置结构图；（b）—复合磁场计算网格模型.

Fig.1 Calculation model of the composite magnetic field

图2 计算域网格划分局部和水口网格示意图（a）—计算域网格划分局部示意图；（b）—水口网格示意图.

Fig.2 Schematic diagram of computing domain grid division and nozzle grids

表1 主要计算参数

Table 1 Main calculation parameters

参数	数值
钢液电导率/（S·m^-1）	7.14×10⁵
线圈电导率/（S·m^-1）	6.25×10⁷
拉坯速度/（m·min^-1）	1.6
钢液密度/（kg·m^-3）	7 020
钢液黏度系数/（kg·（m?s）^-1）	0.006 2
电磁搅拌电流/A	400
电磁制动电流/A	400
电磁搅拌频率/Hz	2
钢液凝固潜热/（J·kg^-1）	272 000
钢液比热容/（J·（kg?K）^-1）	720
钢液导热系数/（W·（m·K）^-1）	温度函数
钢液固相线温度/K	1 728
钢液液相线温度/K	1 788

图3 复合磁场数值模拟结果与实验测量验证

Fig.3 Verification of magnetic field numerical simulation results with experimental measurements

图4 结晶器宽面中心截面速度分布（a）—无磁场时速度云图及矢量图；（b）—单独电磁搅拌时速度云图及矢量图；（c）—复合磁场时速度云图及矢量图；（d）—有、无复合磁场时及单独电磁搅拌时窄面向内15 mm截面中心竖直沿线z方向上速度.

Fig.4 Velocity distribution on wide central vertical section of the mold

图5 弯月面下10 mm横截面速度分布图（a）—无磁场时速度云图及矢量图；（b）—单独电磁搅拌时速度云图及矢量图；（c）—复合磁场时速度云图及矢量图；（d）—横截面的窄面中心线速度.

Fig.5 Velocity distribution on cross section 10 mm under the meniscus

图6 有无复合磁场时结晶器中心宽面温度分布云图

Fig.6 The temperature distribution contour on the central wide cross section of mold with

图7 弯月面下方10 mm横截面温度分布（a）—无磁场时截面温度云图；（b）—复合磁场时截面温度云图；（c）—截面上窄面中心线上温度分布.

Fig.7 Temperature distribution on cross section 10 mm under the meniscus

图8 结晶器内铸坯窄面坯壳厚度的变化情况

Fig.8 Change of the shell thickness on narrow face of slab in the mold

图9 结晶器弯月面下方400 mm和出口处横截面液相体积分数分布（a）—无磁场时弯月面下方400 mm处横截面；（b）—复合磁场时弯月面下方400 mm处横截面；（c）—无磁场时结晶器出口处横截面；（d）—复合磁场时结晶器出口处横截面.

Fig.9 The liquid volume fraction at the cross sections 400 mm under the meniscus and outlet of the mold

图10 有无复合磁场结晶器出口处的凝固坯壳厚度分布

Fig.10 Thickness of solidified shell at mold outlet with and without composite magnetic field

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