电磁搅拌连铸结晶器内多相流现象Word格式.docx
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这就需要继续努力，为追求研究质量更好的铸件。
本文通过汞实验和多相分析，使用两流体模型分析讨论了连续铸钢工艺中，电磁搅拌下（M-EMS）结晶器内的多相现象。
注入浸入式水口（SEN）的氩气泡是用来防止水口堵塞，这种做法对钢水流量有很大影响，并已通过水或熔融锡等模型试验进行研究。
也可以通过多相分析进行研究。
然而，在钢铁铸造系统，关于气液现象最重要的问题是浸入式水口（SEN）中的多相现象，它可以影响整个结晶器熔池流态。
在正常的水模型中，注入浸入式（丙烯制成）水口的气泡，与水具有良好的润湿性，体积相对较小，例如直径3毫米。
相反，如果水口壁涂上使润湿性变差的蜡，水口内会出现一个环形的多相状态，这使得气泡细腻，同时非常大的漂起来，迅速靠近水口外的凹面墙。
这种不良的润湿性和多相的关系现象与钢液和耐火材料水口的关系类似。
这一事实可以在很大程度上改变钢水在结晶器内的多相现象。
出于这个原因，汞模型在本文用来模拟多相现象。
最近已经讨论过如氩气泡和杂质的中间阶段的边界行为。
一个重要的现象是凝固壳捕获了夹杂物。
凝固壳的前端流速的存在是重要的，因为由速度梯度，湍流耗散等产生了上升力，上升力产生了分离力。
在本文中，通过研究凝固坯壳和边界层的流体，评估了粒子作用的力量。
为达到这个目的，用连铸机的汞模型进行实验研究，通过观察透明墙吸附的气泡和凹面上漂浮的气泡来测量浸入式水口中气泡的直径。
将这种气泡行为与按拉格朗日分散相模型结果进行比较。
同时，用装于模拟器的线性电机检测结晶器内电磁搅拌的应用。
此外，通过使用流场的数值模拟研究结晶器内电磁搅拌对墙壁上粒子的捕获的影响，其中流场包括边界层和比较行为粒子拉格朗日分散的模拟。
2、实验方法和结果
2.1实验方法
实验装置见图1，使用的汞模型厚250mm，宽1000mm，1/5规模的连铸机。
弗劳德数用于相似性，以确定汞的流量。
股池的尺寸是200毫米宽，50毫米厚和1500毫米长。
浸入式水口的端角为水平线上15度，每分钟再循环7.2升的汞，这相当于每分钟1.6米的拉速。
通过管在100毫米以上的弯月面的钢绞线，将氩气按0.05，0.1和0.2升/每分钟注入由丙烯制成的浸入式水口。
在宽度方向分为八个部分弯月面和汞池顶部拍视频，通过观察气泡飘起来的弯月面测量氩气泡的分布。
在实验中，气泡的组成，不仅大气泡飘起来的弯月面，还有股池中细的气泡。
在丙烯墙可以观察到这些很细的气泡，然而小于总注入氩量1%，因此，实验中其总的行为的影响应该是很小，可以忽视的。
此外，其直径为10毫米以上的大尺寸气泡上浮频率是不是定期。
因此，它们的数量和直径以流速计算，然后定期从漂浮在股池中的气泡中分离。
图1探讨氩气泡行为的实验仪器示意图
2.2实验结果
图2显示了漂浮在弯月面的氩气泡直径和数量之间的关系。
相关函数近似表示为N=k·
d-4.49，其中k代表提取氩量超过10毫米大直径从总注入浸入式水口的氩获得流量的修正系数。
据观察，大尺寸氩气气泡的数量随总流量增加，相对于总氩气量，分散的氩气泡的体积比降低。
图3显示了上浮气泡的频率和宽度方向的观察的关系，这表明，观测面积接近浸入式水口时，氩气泡的数量随之增加。
图2测量漂浮的在弯月面的氩气泡粒度分布
图3沿汞池宽度方向气泡浮选频率
3、数值模拟方法和计算结果
3.1流场的数值模拟和粒子行为分析方法
使用的k-ε模型作为湍流模型，有限差分法用于流体流动分析。
对于粒子的行为和第一阶段拉格朗日方法，这是一个被应用的两流体模型的相互作用的数值模拟。
已使用商业软件FLUENT进行流体流动模拟，该模型被认为是适用于体积浓度小于10％的第二阶段。
在模拟中，通过改良试验段中定义的氩气流量，忽视大尺寸氩气泡的存在。
这种大尺寸气泡的效果应该分开讨论，由应用如体积流体方法等。
关于作用于粒子的作用力，考虑了加速、重力、虚拟质量、阻力和压力梯度等的影响，而其他如升力、毛细力并没有考虑。
近璧处升力和毛细力的作用变得重要，但可以在讨论中的大部分流量的行为时，可以忽略不计。
从实验得到的结果是可得到气泡大小分布。
拉格朗日分散相模型基本方程如下。
初级阶段的连续性方程；
……………………………
（1）
初级阶段的运动方程；
中级阶段的运动方程；
其中：
，
其中，u：
初级阶段的速度，t：
时间，p：
压强，：
初级阶段的密度
：
中级阶段的密度，x：
直角坐标，：
第二相的速度，：
x分量的重力加速度，：
第二相粒子的直径，：
第二相的质量流率，：
每次迭代之间的时间增量，：
风阻系数，：
本地雷诺数，：
洛伦兹力
用拉格朗日法进行粒子行为分析，流场的边界条件如下。
所有的壁面选择壁面函数法，和弯月面的自由滑移条件。
在气泡的运动轨迹的计算，用于所有的壁面和弯月面的逸出条件反射条件。
3.2数值模拟结果
图4显示了在不同氩气流量的中心平面初级阶段的速度分布。
在氩气流量相对较低的情况下，流动模式的变化限制浸入式水口附近地区。
相反，流量增加导致整个区域内的流动模式的变化。
每分钟0.1升的氩气流量相当于在实际连铸机上正常为每分钟2升，并且考虑与大尺寸氩气泡上浮附近的水口，每分钟0.2升，相当于每分钟约8至10标准升。
结果表明，浸入式水口附近的流动受到上浮气泡的影响，而其他地区的流动没有这么多影响。
结果还表明，在实际连续机上，如果氩气流量变成每分钟超过5升，使用多相分析的数值模拟是必不可少的。
图5显示了1和2毫米直径氩气泡轨迹计算的结果。
气泡越大，浸入式水口附近的浮选更有优势。
图6显示了氩气泡浮选频率弯月面的数值模拟和实验结果的比较，在数值模拟，气泡大小分布是从实验观察得到的。
图中显示了两种结果之间的良好的一致性，气泡浮选的频率优势是浸入式水口附近。
这意味着如果确知气泡大小分布，可以通过上述拉格朗日分散相模型对氩气中的液态金属的浮选行为进行评估。
图4氩气流量（不包括EMS）的速度分布的变化
（a）氩气流量为0.1的情况下，（b）氩气流量为0.2的情况下
图5气泡的运动轨迹与氩气泡的大小（不包括EMS）的改变
（a）氩气泡直径1毫米的情况下，（b）氩气泡2毫米直径的情况下
图6弯月面的氩气泡浮选频率的实验和数值模拟结果比较
4、电磁搅拌带动下的流动对两相流的影响
系统使用汞时，为了阐明吹氩流量的影响，于氩气流量改变时，进行了两流体模型的数值模拟。
流速设置为每分钟0.1和0.2升，假设存在大尺寸氩气泡并不影响批量流模式。
氩气气泡的分布可以从一个不用电磁搅拌而使用汞的实验中观察到。
电磁搅拌参数设置如下，选择的频率是20赫兹，以对应电磁搅拌（M-EMS），其高度为50毫米，其核心上方根据弯月面水平面设置。
洛伦兹力值通过相互作用参数设定，以对应在实际连铸机M-EMS的。
将洛伦兹力分布引入从有限元方法获得的Navier-Stokes方程的外源项。
如图7所示，在有和没有电磁搅拌情况下，宽面前面的流速分布，在无氩气注入弯月面的之间的横截面以及两个宽面之间的纵切面处的速度分布。
在M-EMS下，循环流动形成弯月面区域。
需要指出的是，从端口喷出的浮力在减小，使弯月面的流速趋于增加，电磁驱动流和射流从水口之间的干扰，就不言而喻了。
图8显示了氩气注入，这说明气体流量增加时，从浸入式水口射流修改存在的气体和电磁驱动流之间的互动。
图7有无电磁搅拌的汞池流场的比较；
（a）无，（b）有
图8结晶器电磁搅拌过程中吹氩流量对流速分布的影响
（a）氩气流量为0.1升/分钟时；
（b）氩气流量为0.2升/分钟时
5、凝固壳附近的粒子行为的研究
前面的研究结果表明，捕获直径超过50微米的数量随着电磁搅拌的应用显着降低。
这个夹杂物去除的机制，由于流动受迫的一个例子是如下例子。
其一是边界层由于流动受迫变得更薄，使夹杂物的停留时间降低。
另外一种是Saffman力，它产生一种使颗粒从凝固壳分离的力。
凝固壳的颗粒滞留现象受各种因素的影响，如之前提到的凝固速度，特别提到的是在粘性子层上。
然而如果杂质体积变大，粒子作用力的顺序比较偏向阻力和升力的主导作用。
由于边界层的厚度数量级为毫米，结晶器的大小为米，数值模拟边界层和熔渣是相当困难的。
为此，进行两个管段内流动的三维模拟如下，以探讨电磁搅拌下近边界层流场的状态。
有此意，还介绍了计算网格内边界层，大涡模拟进行。
用于以下Smagorinski模型：
在计算系统，模拟弯月面部分结晶器池中，采用一个宽250毫米和500毫米的管道。
高度方向选择对称条件。
一种情况是在管道的单向流场，这对应于结晶器的弯月面上水平流态的一半，其中这个结晶器有两个水口，其他情况下是循环由电磁力驱动的流动。
最高速度级别设置为40厘米/秒，鉴于使用电磁搅拌在实际中普通应用。
在铸坯上的边界条件，使用无滑移条件。
图9是应用的网格，靠近边界层出引用网格以计算边界层厚度和速度的倾向。
然而，在沿管道方向粗化网格，使沿着这个方向详细的流量的结构不能足够模拟，只有讨论边界层的增长和速度的趋势。
图10和图11所示的是流场计算的结果。
在压力倾向带动了管道流的情况下，边界层厚度变为3毫米；
在电磁力驱动的流量的情况下，它变成1毫米。
在靠近边界的速度的趋势，在后一种情况下它大于前者的三倍。
因为Saffman力与速度的趋势平方根和速度差成正比，电磁驱动下的流量比压力梯度驱动的流量大五倍。
在前面的研究中，在电磁搅拌驱动的情况下，边界层处的体积力可以忽略。
这是因为边界层的厚度够薄，所以体积力是微不足道的。
但很明显的是，即使薄边界层内，体积力的作用是不可以忽略的；
并有强烈影响的估计值，这是由下面的表达式显示的Saffman升力。
图12显示了垂直于壁面的移动速度和颗粒直径的关系，这个移动速度可由求解垂直于壁面的运动方程得到。
移动速度随着颗粒直径的变大而增大；
从简单的凝固法凝固速度计算直径，当直径变成几百微米时，其作用就很明显了。
其中壳的厚度与凝固时间的平方根成正比，这比上面提到的速度低得多，这个可以直接表明电磁搅拌去除杂质的浮力的重要作用。
图9管道流动数值模拟的使用的网格
（a）生成的网格管的流量分析；
（b）扩大网状管道附近的角落
图10有无电磁搅拌时包含边界层分析的数值模拟得到的速度场
（a）在正常管道的流量近壁面处速度分布计算
（b）在电磁搅拌情况下计算的近壁流速度分布
图11近壁流速剖面的比较
图12移动速度和粒径之间的关系
6、结论
浸入式水口吹入结晶器内的氩气对流体的影响可以通过使用汞的冷实验进行研究，因为汞相比水模型润湿性差，它可以模拟发生在钢液和耐火材料结合处的现象。
结果还用双流体模型进行了讨论。
通过本研究，如果氩气流量超过正常的每分钟5升，氩气对结晶器内钢水流动的影响变得很明显。
在实际连铸机上，氩气流量为每分钟2升到每分钟10升，以至于数值5是一个很关键的值，应该拟在运行中的流量控制。
随着结晶器电磁搅拌的应用，凝固坯壳附近的流体主要取决于电磁驱动流，而氩气的影响相对较小；
但如果流速变得足够大，沿宽面
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