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东北大学学报（自然科学版） 2021年第12期42卷 1724-1730页

作者：王宁李宝宽齐凤升张晓明东北大学冶金学院辽宁沈阳110819

针对传统连铸设备中间包钢液入口与浇注口距离近无法安装感应加热装置的问题,设计出一种新型蝶式感应加热中间包,并建立三维非稳态磁-热-流耦合数学模型研究电磁场对蝶式中间包内流场和温度场的影响,得到感应加热功率与升温特性间的关系... 详细信息

针对传统连铸设备中间包钢液入口与浇注口距离近无法安装感应加热装置的问题,设计出一种新型蝶式感应加热中间包,并建立三维非稳态磁-热-流耦合数学模型研究电磁场对蝶式中间包内流场和温度场的影响,得到感应加热功率与升温特性间的关系.结果表明,感应电流在中间包中形成闭合回路且主要集中在通道处.偏心电磁力使得钢液在通道内产生旋流并伴有较大切向速度,流出通道的钢液向浇注室上方运动.中间包过流量为2 t/min时,无感应加热情况下出口温降为7 K,而有感应加热情况下,当加热功率由600 kW增至1000 kW,出口温升由8 K增至27 K.

关键词：蝶式感应加热中间包电磁场流场温度场升温特性

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蝶式感应加热中间包多物理场及升温特性研究

蝶式感应加热中间包多物理场及升温特性研究

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作者：王宁东北大学

学位级别：硕士

实现中间包的恒温稳态浇注对改善铸坯质量、提高连铸生产效率和稳定连铸操作起着重要作用,而钢液在中间包内流动时存在大量热损失。中间包感应加热技术因其清洁、安全、温控精准的优点成为补偿这一热损失、维持钢液低过热度的有效措施... 详细信息

实现中间包的恒温稳态浇注对改善铸坯质量、提高连铸生产效率和稳定连铸操作起着重要作用,而钢液在中间包内流动时存在大量热损失。中间包感应加热技术因其清洁、安全、温控精准的优点成为补偿这一热损失、维持钢液低过热度的有效措施。传统连铸设备中间包因其钢包长水口和浇注口已经固定,且二者距离过近而无法加装感应加热设备,因此需要对其结构进行改进。本文以传统中间包模型为基础,根据钢包后侧加装感应加热装置,钢液反向回流进行浇注的方案,设计了一种蝶式感应加热中间包,并根据该模型建立了一套三维非稳态磁/热/流耦合数学模型研究蝶式中间包内的电磁场、流场、温度场及夹杂物运动和去除。对电磁场的求解基于有限元法,在麦克斯韦方程组的基础上,结合电磁场本构方程等,以矢量磁位法和标量电位法相结合的方法进行求解,并将求解所得的电磁力、焦耳热以源项的形式导入到动量、能量方程中,基于有限体积法,结合RNG k-ε湍流模型对中间包流场、温度场进行求解;从力平衡原理出发,采用欧拉—拉格朗日方法研究了蝶式中间包内夹杂物的运动行为及有无感应加热条件下夹杂物去除率;最后对中间包结构进行了优化,选择通道倾角作为研究对象,探究0°、4°和8°倾角时中间包内的流动和传热行为,得到通道倾角对蝶式中间包内升温情况、流场温度场、及平均停留时间的影响,并总结出相应的规律。停留时间的计算是通过“刺激-响应”方法,使用组分输运模型,在入口处迅速注入示踪剂,注入时间为1 s,通过在出口检测示踪剂浓度得出其停留时间曲线(RTD)来对中间包内流动情况进行分析。结果表明:在蝶式感应加热中间包内,感应电流穿过双通道形成闭合回路,通道中的感应电流密度和焦耳热密度远大于其他部位。由于集肤效应和邻近效应以及进口、出口效应,通道中的感应电流和焦耳热分布不均匀。通道中的磁场是偏心旋转磁场,电磁力是偏心电磁力,对钢液有箍紧作用并使其产生旋流,通道内的钢液具有比无感应加热时更大的速度且整体流动较为活跃,进入浇注室后在热浮升力作用下产生上升流股,减轻对壁面耐火材料的冲击,有助于夹杂物上浮并被液面的渣层吸附,同时,通过观察示踪剂分布,感应加热情况下示踪剂分布更加均匀,钢液的流动和传热过程得到了改善。在600、800和1000 kW的加热功率下,通道内最大升温分别为17、28和36 K,出口升温分别为8、18和27 K,有效解决了连铸过程中钢液的温降问题。800 kW加热功率下通道内速度升高约0.4m/s,且通道截面的切向速度明显升高,从无感应加热时的最大0.02m/s到800kW加热功率时的0.13 m/s。中间包内的夹杂物运动受脉动速度的影响呈现锯齿状,并在流体的带动下运动,轨迹与流体类似,感应加热能有效提高夹杂物去除率,尤其是小粒径夹杂物。通过对一段时间后示踪剂浓度的观察可以得到感应加热情况下有助于示踪剂的扩散、均匀分布,流场得到优化。倾角为0°到4°时,中间包内温度场和流场受倾角影响较大,4°到8°之间时影响较小。倾角为0°时,通道轴线处温升为22K,出口温升为19K,但通道内温升过程复杂,浇注室内温度分布不均匀,出口升温过程波动较大,最大波动幅度达到2K。倾角为4°和8°时,通道中心温升分别为19K和18K,出口温升都为18K,浇注室和通道内温度分布都较为均匀,升温过程较为平稳,温度场整体区别不大;倾角为0°时,浇注室内流动较为活跃,顶部液面处流动较为紊乱,出现大大小小的涡,且流动速度较大,最大达到0.13 m/s,容易造成卷渣危险。倾角为4°和8°时浇注室内和顶部液面的流动较为平稳、均匀。对比不同倾角下的停留时间分布(RTD)曲线,0°时活塞流比例、死区比例较小,全混流比例较大,流动最为理想,4°和8°时各区域比例差距很小。为进一步优化流场,可在蝶式中间包内设置挡墙。

关键词：蝶式感应加热中间包电磁场流场温度场通道倾角

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