旋轉(zhuǎn)磁場對鋼包澆注末期底部鋼液旋渦的影響研究

王旭東 李 彬 雷作勝

(1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072)

旋轉(zhuǎn)磁場對鋼包澆注末期底部鋼液旋渦的影響研究

王旭東1李 彬2雷作勝2

(1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072)

鋼包澆注末期，會出現(xiàn)旋渦下渣現(xiàn)象，嚴重影響鋼液的利用率以及產(chǎn)品質(zhì)量。提出了旋轉(zhuǎn)磁場優(yōu)化鋼包澆注末期旋渦下渣的設想，并采用物理模擬方法研究與分析了不同旋轉(zhuǎn)磁場對鋼包澆注末期旋渦的影響。結(jié)果表明，鋼包澆注末期旋渦的產(chǎn)生主要是由初始角動量引起的；鋼包底部旋轉(zhuǎn)磁場能夠改善鋼包澆注過程中鋼液的流動行為；適當?shù)男D(zhuǎn)磁場能顯著降低旋渦的臨界高度，并對旋渦的產(chǎn)生和發(fā)展具有明顯的抑制作用。

鋼包下渣 電磁攪拌 旋渦

近年來，改進技術(shù)生產(chǎn)純凈鋼(C+S+P+H+N+O<100 μg/g)乃至超純凈鋼(C+S+P+H+N+O<40 μg/g)是目前鋼鐵行業(yè)的發(fā)展趨勢，而生產(chǎn)純凈鋼主要是通過提高鋼的純凈度及嚴格控制鋼中非金屬夾雜物來實現(xiàn)的[1]。在連鑄生產(chǎn)過程中，鋼包澆注末期產(chǎn)生的匯流旋渦會嚴重影響鋼液的質(zhì)量[2]。

匯流旋渦又稱自由表面旋渦，是指鋼液經(jīng)由鋼包水口流出的過程中，當液面低于某一臨界高度時，會在水口上方的自由表面產(chǎn)生一個旋渦漏斗[3- 4]，其產(chǎn)生因素很多，目前尚無定論。Shapiro[5]和Binnie[6]通過試驗證明了旋渦在北半球逆時針旋轉(zhuǎn)；Trefethen等[7]通過試驗證明了旋渦在南半球順時針旋轉(zhuǎn)。他們都認為地球自轉(zhuǎn)引起的科里奧利力是產(chǎn)生旋渦的主要原因。然而Haugen等[8]認為，科里奧利力只有對熱帶氣旋和季風等作用效果比較明顯，而對小規(guī)模的旋渦作用效果并不顯著；Pedlosky等[9]報道，在同一試驗條件下，逆時針和順時針旋渦都會發(fā)生；Li等[10]指出，在正常情況下，科里奧利效應相對于初始角動量完全可以忽略，除非液體經(jīng)過長時間的充分靜置；藺瑞等[11]針對鋼包澆注的水模試驗也證明了這一觀點。

為了檢測鋼包下渣，國內(nèi)外冶金工作者相繼開發(fā)出了電磁檢測法、振動檢測法、稱重檢測法、超聲波檢測法等多種檢測技術(shù)[12]。實際生產(chǎn)中，雖然這些技術(shù)可以避免卷渣進入水口，但同時也產(chǎn)生了一個問題：澆注完成后，鋼包內(nèi)殘留的鋼水不能轉(zhuǎn)化為成品鋼，降低了鋼水的利用率[11]。例如，在300 t鋼包中殘鋼量約為9 t，約占鋼水總量的3%[13]，浪費巨大。目前旋轉(zhuǎn)磁場已經(jīng)廣泛應用于連鑄生產(chǎn)中，從理論上講，旋轉(zhuǎn)磁場應用于鋼包是通過改變鋼液的流場來降低旋渦產(chǎn)生高度，進而達到既避免卷渣進入中間包又提高鋼水利用率的目的。本文研究的重點是如何將旋轉(zhuǎn)磁場與大包下渣問題相結(jié)合，并探究旋轉(zhuǎn)磁場對鋼包內(nèi)鋼液流動行為的影響。

本文以某鋼廠150 t鋼包為原型，比較了有無旋轉(zhuǎn)磁場情況下的旋渦產(chǎn)生高度以及流場變化，論證了采用旋轉(zhuǎn)磁場解決鋼包匯流卷渣問題的可行性。

1 試驗原理及方法

1.1 試驗原理

基于相似性原理[14]，物理模擬試驗與實際過程中液態(tài)金屬的流動都屬于湍流，試驗中主要保證幾何相似以及Fr準數(shù)相等[15]。

(1)

(2)

鋼包模型及原型的具體參數(shù)見表1[16]，為研究方便,忽略了鋼包傾斜角度的影響。試驗采用水銀作為模擬介質(zhì)，鋼包材質(zhì)選用不銹鋼，鋼液和水銀的物性參數(shù)見表2。

表1 連鑄鋼包的模擬試驗參數(shù)Table 1 Simulation parameters of the continuous casting ladle

表2 鋼液和水銀的物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of the liquid steel and mercury

試驗采用的旋轉(zhuǎn)磁場由旋轉(zhuǎn)的永磁鐵產(chǎn)生。旋轉(zhuǎn)磁場在金屬液內(nèi)感生出感生電流J，感生電流與磁場B相互作用產(chǎn)生洛倫茲力F，驅(qū)動鋼液運動。

(3)

1.2 試驗裝置

圖1為試驗裝置示意圖及流場測試簡圖。試驗中借助電磁泵可以實現(xiàn)水銀在水銀槽、管道、鋼包之間的循環(huán)。采用DOP- 2000型多普勒測速儀測量液態(tài)金屬的一維速度。試驗中，多普勒探頭布置于鋼包底部向上15 mm的平面上，具體分布如圖1(b)所示。多普勒測速以遠離探頭的方向為速度的正向(如圖1(b)中黑色箭頭所示)。

1.3 試驗方法與方案

試驗水銀高度均為240 mm，忽略渣層的影響。試驗前關閉門窗，水銀靜置10 min，盡可能減弱空氣流動等外界因素對自由液面造成的影響；試驗打開水口的同時，使用多普勒測速儀和攝像機分別獲取金屬液流速以及流動狀態(tài)的實時變化。

受限于目前試驗設備，無法同時獲取8個探頭所測的金屬液流速，每次只能獲取一個探頭所測的金屬液流速。為了考察相同工況下各個探頭測量的可重復性，分別對相同工況下的1號和5號探頭進行了4次重復測量，結(jié)果如圖2所示。

圖1 (a)試驗裝置示意圖及(b)流場測試示意圖Fig.1 (a) Experimental device and (b) the measured positions of the flow field

圖2 1號和5號探頭所測金屬液的速度隨時間變化圖Fig.2 Variation of velocity of the liquid metal measured by probes No.1 and No.5 with time

從圖2可以看出，4次重復試驗所得的金屬液流速雖然存在著某些細微的差別，但總體來說試驗的重復性十分良好。因此認為8個探頭分別試驗測量組合而成的速度矢量圖可以代替一次試驗所取平面的速度矢量圖。

試驗開始后30 s，水銀液面降到探頭位置，之后測量的流速存在較大差異，因此選取30 s內(nèi)的液態(tài)水銀流動狀態(tài)進行分析。

2 試驗結(jié)果與分析

本試驗中旋渦的旋轉(zhuǎn)方向具有很大的隨機性，因此僅考察初始旋渦方向為逆時針的旋渦，所施加的旋轉(zhuǎn)磁場為順時針。根據(jù)磁場加入時間及大小的不同，做了以下幾組試驗，并測量相應的旋渦臨界高度(Hcr為形成凹窩時的高度)與旋渦貫穿高度(Hth為旋渦中心形成貫通的漏斗形氣柱的高度)，結(jié)果見表3。

對比1、2、3組試驗可見，合理的磁場可以明顯降低旋渦的臨界高度及貫穿高度。這是由于洛倫茲力在一定程度上抵消了原有水銀漩渦的旋轉(zhuǎn)趨勢，并抑制了流體內(nèi)的切速度。4、5兩組試驗說明,不合理的旋轉(zhuǎn)磁場會改變旋渦的旋轉(zhuǎn)方向。6～12組試驗說明,初始角動量對旋渦的形成及方向影響很大。

接下來分別對1、3、12三組試驗旋渦的臨界高度及貫通高度進行分析。旋渦最大臨界高度為8 cm，考察了液面高度為8 cm時不同工況下的液面情況和測量面流場，結(jié)果如圖3和圖4所示。

表3 不同試驗條件下的臨界高度和貫穿高度Table 3 Hcr and Hth under different test conditions

圖4 液面高度8 cm時測量面的流場Fig.4 Flow field of the measured surface at the liquid height of 8 cm

從圖3(a)可以看出，當液面高度降低到8 cm時液面出現(xiàn)弧形下凹，形成渦芯。圖3(b)、3(c)顯示,在相同高度時液面平靜無渦芯。無磁場時第1組試驗中水銀呈逆時針方向旋轉(zhuǎn)，如圖4(a)所示；添加磁場后液態(tài)水銀表現(xiàn)為中間匯流的趨勢，如圖4(b)所示。這是因為磁場產(chǎn)生了順時針的力，抵消了逆時針的旋渦。

三組試驗中最小貫通高度為2 cm，于是考察液面高度為2 cm時不同工況下的液面情況與測量面流場，分別如圖5和圖6所示。

圖5 液面高度2 cm時的液面情況Fig.5 Surface conditions at the liquid height of 2 cm

圖6 液面高度2 cm時測量面的流場Fig.6 Flow field of the measured surface at the liquid height of 2 cm

從圖5可以看出，當液面高度降低到2 cm時，三種試驗條件下均出現(xiàn)完全貫通的狀態(tài)，而且貫通高度與鋼包直徑相當。從圖6可以看出，當完全貫通時，三組試驗的測量面的流場都以向中間匯流為主，但又有所不同。圖6(a)可以看到明顯的逆時針旋轉(zhuǎn)，圖6(b)和圖6(c)中的旋轉(zhuǎn)不明顯。這說明完全貫通高度時液位降低到比較低的位置，當表面張力不足以維持液面時就出現(xiàn)了流體匯聚塌陷的流動狀態(tài)，這時無論液面是否旋轉(zhuǎn)都會出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，因此旋轉(zhuǎn)磁場對其改善作用較小。

3 結(jié)論

(1)充分靜置后，鋼包內(nèi)液態(tài)水銀旋渦的形成以及旋轉(zhuǎn)方向受初始角動量的影響較大，而非科氏力的作用。

(2)旋轉(zhuǎn)磁場能顯著降低旋渦的臨界高度，這是因為洛倫茲力抵消了原有旋渦的旋轉(zhuǎn)趨勢，并抑制了流體內(nèi)的切速度。

(3)旋渦在貫通時，流場以向中間匯流為主，旋轉(zhuǎn)磁場在一定程度上可以降低旋渦的貫通高度。

[1] 潘秀蘭, 李震, 王艷紅,等. 國內(nèi)外純凈鋼生產(chǎn)先進技術(shù)[J]. 煉鋼, 2007, 23(1):59- 62.

[2] LI H X, WANG Q, LEI H, et al. Mechanism analysis of free- surface vortex formation during steel teeming[J]. ISIJ International, 2014, 54(7):1592- 1600.

[3] 黃曄, 蘇天森. 澆注過程的防下渣技術(shù)[J]. 煉鋼, 1996(2):1- 7.

[4] 王建軍, 包燕平, 曲英. 中間包冶金學[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社, 2001.

[5] SHAPIRO A H. Bath- Tub Vortex[J]. Nature, 1962, 196:1080- 1081.

[6] BINNIE A M. Some experiments on the bath- tub vortex [J]. ARCHIVE Journal of Mechanical Engineering Science, 1964, 6(6):256- 257.

[7] TREFETHEN L M, BILGER R W, FINK P T, et al. The bath- tub vortex in the southern hemisphere[J]. Nature, 1965, 207:1084- 1085.

[8] HAUGEN K B, TYVAND P A. Free- surface evolution due to an impulsive bottom sink at uniform depth[J]. Physics of Fluids, 2003, 15(3):742- 751.

[9] PEDLOSKY J, ZIMMERMAN J T F. Geophysical fluid dynamics[J]. Space Science Reviews,1983, 36(4):425- 426.

[10] LI H X, WANG Q, JIANG J W, et al. Analysis of factors affecting free surface vortex formation during steel teeming[J]. ISIJ International, 2016, 56(1):94- 102.

[11] 藺瑞, 顏正國, 于景坤. 鋼包澆注過程匯流旋渦的物理實驗[J]. 東北大學學報(自然科學版), 2010, 31(9):1287- 1291.

[12] 連文敬. 連鑄鋼包下渣檢測技術(shù)的發(fā)展[J]. 中國冶金, 2011, 21(8):8- 11.

[13] ZHAN Y Z, SHI X B, XIE H F. Microstructural investigation on antifriction characteristics of self- lubricating copper hybrid composite[J]. Materials Science and Technology, 2006, 22(3):368- 374.

[14] 周俐. 冶金傳輸原理[M]. 北京：化學工業(yè)出版社, 2009.

[15] 藺瑞，顏正國，劉濤，等. 60 t鋼包澆注過程中匯流旋渦形成機理[J]. 過程工程學報, 2010, 10(4):655- 659.

[16] DAVILA O, GARCIA- DEMEDICES L, MORALES R D. Mathematical simulation of fluid dynamics during steel draining operations from a ladle[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2006, 37(1):71- 87.

收修改稿日期：2016- 12- 15

ResearchontheEffectofRotatingMagneticFieldonVortexFormationduringLadleTeemingFinalProcess

Wang Xudong1Li Bin2Lei Zuosheng2
(1. Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

At the final steps of the ladle teeming, vortex roughing slag will occur. It will reduce the utilization of the liquid steel and have an impact on the quality of the final product. The rotating magnetic field was proposed to improve the vortex formation during the ladle teeming final process. The influence of the rotating magnetic field on the vortex was studied and analyzed by the physical simulation method. The results showed that the vortex was mainly caused by the initial angular momentum during the final process of ladle teeming; the rotating magnetic field under the ladle would affect the behavior of the liquid steel; the appropriate magnetic field would reduce the critical height of the vortex and control the formation and development of the vortex.

ladle slag，electromagnetic stirring，vortex

國家自然科學基金(No.51274137，No.U1560202)和上海市經(jīng)濟與信息化委員會資助項目

王旭東，男，工程師，主要從事冶金技術(shù)及工程應用研究，Email:gumufeng1023@163.com

雷作勝，教授，Email：ei_zsh@staff.shu.edu.cn