静磁场下气泡在板坯连铸结晶器内运动行为的物理模拟.pdf_大学文库

DO10.13374f.issnl00i3x.2010.10.05 第32卷第10期北京科技大学学报 Vo132N910 2010年10月 JoumalofUniversity of Science and Technopgy Beijng Oct 2010 静磁场下气泡在板坯连铸结晶器内运动行为的物理模拟张浩斌雷作胜金小礼任忠鸣邓康钟云波上海大学材料科学与工程学院上海市现代治金与材料制备重点实验室.上海2000卫摘要以水银和氩气作为模拟介质，通过物理模拟研究了高拉速板坯连铸结晶器内电磁制动和水口吹氩耦合作用下的气泡运动和分布行为.采用电阻探针测量了结晶器内气泡的运动和分布情况，分析了磁场、吹氩量等不同工艺参数对气泡占空比、气泡数量和气泡脉冲宽度的影响规律.实验结果表明：在一定的拉速条件下，施加磁场改变了气泡在结晶器内的分布规律，有利于气泡的上浮，降低了气泡在结晶器内的冲击深度，减少了到达结晶器窄面的气泡数量：磁场的施加和吹氩量的增加都使得脉冲宽度较大的气泡数量增多，且主要集中在结晶器1/4宽度和水口之间区域. 关键词连铸结晶器：氩气泡；电磁制动；物理模拟：电阻探针分类号TF777.1 Physicalm odeling of gas bubble movem ent behav ior in a slab continuous casting mold under static magnetic field ZHANG Haa bin IEI Zuo sheng JN X aa li REN Zhongm ing DENG Kang ZHONG Yunbo ShanghaiK ey Laboraory of Modem Meta llugy&Materia s Poocessing School of Materials Sc ence and Engineering Shanghai University Shanghai 200072hna ABSTRACT A physicalmodel was devebped p sudy bubble movem ent and distrbuton behavior in consderation of he couped effects of elecuomagnetic brake(EMBr and argon gas injecton n a sla contnuous castng mold w ith hgh castng peed Mercury and argon gas were emp pyed to sinulate the molten m etal and argon gas twa Phase flow The resistance probe was applied to sudy the gas bubbe statistical behavor in the mold w ith and witoutEMBr under different argon gas fpw rates The effects ofEMBr and argon gas fpw aate on the local woid fraction num ber and puse wd h of gas bubbles were nvestgated The results show thatwhen hem ag netic fiel is mposed under a given casting speed the distribu tion ofgas bubbles n he mold changes the floatng up rate ofgas bub bes ncreases he penetraton depth of gas bubbes becames pwer and the number of gas bubb les reachng he narrow ace of he mod decreases The number ofgas bubbleswin wide pu be increases beween he 1/4 w ith of the mold and he nozzle wit EMBr or with he argon gas flow rate increasing KEY WORDS con tnuous castng mo argon gas bubble ekctromn agnetic brake(EMB:Physical modelng resisunce probe 为了防止水口堵塞，促进结晶器内非金属夹杂夹杂缺陷，同样，如果下循环流控制不好则会把物的上浮，结晶器浸入式水口吹氩技术被广泛应用氩气泡及黏附在其表面的非金属夹杂物带到结晶器于实际连铸生产过程中山.氩气随钢液进入结晶器深处，易被凝固的钢水坯壳界面捕获，导致铸坯中后，随上循环流运动的氩气泡从钢渣界面上浮逸出形成皮下气孔等缺陷.因此，如何优化和控制结但是在控制不当的情况下可能造成液面卷渣，形成晶器内吹氩条件下的钢水流动行为，保证连铸坯的收稿日期：2009-12-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N050874133):上海市科学技术委员会资助项目(N?09QA402200):长江学者和创新团队发展计划资助项目(N?RT0739 作者简介：张浩斌(198子)，男，硕士研究生：雷作胜(1975一)，男，副研究员，博士，Ema刚e1@s可dm

第 32卷第 10期 2010年 10月北京科技大学学报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.10 Oct.2010 静磁场下气泡在板坯连铸结晶器内运动行为的物理模拟张浩斌雷作胜金小礼任忠鸣邓康钟云波上海大学材料科学与工程学院上海市现代冶金与材料制备重点实验室, 上海 200072 摘要以水银和氩气作为模拟介质, 通过物理模拟研究了高拉速板坯连铸结晶器内电磁制动和水口吹氩耦合作用下的气泡运动和分布行为.采用电阻探针测量了结晶器内气泡的运动和分布情况, 分析了磁场、吹氩量等不同工艺参数对气泡占空比、气泡数量和气泡脉冲宽度的影响规律.实验结果表明:在一定的拉速条件下, 施加磁场改变了气泡在结晶器内的分布规律, 有利于气泡的上浮, 降低了气泡在结晶器内的冲击深度, 减少了到达结晶器窄面的气泡数量;磁场的施加和吹氩量的增加都使得脉冲宽度较大的气泡数量增多, 且主要集中在结晶器 1/4宽度和水口之间区域. 关键词连铸结晶器;氩气泡;电磁制动;物理模拟;电阻探针分类号 TF777.1 Physicalmodelingofgasbubblemovementbehaviorinaslabcontinuouscasting moldunderstaticmagneticfield ZHANGHao-bin, LEIZuo-sheng, JINXiao-li, RENZhong-ming, DENGKang, ZHONGYun-bo ShanghaiKeyLaboratoryofModernMetallurgy＆ MaterialsProcessing, SchoolofMaterialsScienceandEngineering, ShanghaiUniversity, Shanghai 200072, China ABSTRACT Aphysicalmodelwasdevelopedtostudybubblemovementanddistributionbehaviorinconsiderationofthecoupled effectsofelectromagneticbrake( EMBr) andargongasinjectioninaslabcontinuouscastingmoldwithhighcastingspeed.Mercury andargongaswereemployedtosimulatethemoltenmetalandargongastwo-phaseflow.Theresistanceprobewasappliedtostudythe gasbubblestatisticalbehaviorinthemoldwithandwithoutEMBrunderdifferentargongasflowrates.TheeffectsofEMBrandargon gasflowrateonthelocalvoidfraction, numberandpulsewidthofgasbubbleswereinvestigated.Theresultsshowthatwhenthemagneticfieldisimposedunderagivencastingspeed, thedistributionofgasbubblesinthemoldchanges, thefloatinguprateofgasbubblesincreases, thepenetrationdepthofgasbubblesbecomeslower, andthenumberofgasbubblesreachingthenarrowfaceofthe molddecreases.Thenumberofgasbubbleswithwidepulseincreasesbetweenthe1/4 widthofthemoldandthenozzlewithEMBror withtheargongasflowrateincreasing. KEYWORDS continuouscastingmold;argongasbubble;electromagneticbrake( EMBr) ;physicalmodeling;resistanceprobe 收稿日期:2009-12-08 基金项目:国家自然科学基金资助项目 (No.50874133 ) ;上海市科学技术委员会资助项目 (No.09QA1402200) ;长江学者和创新团队发展计划资助项目 (No.IRT0739) 作者简介:张浩斌 ( 1983— ), 男, 硕士研究生;雷作胜 ( 1975— ), 男, 副研究员, 博士, E-mail:lei zsh@staff.shu.edu.cn 为了防止水口堵塞, 促进结晶器内非金属夹杂物的上浮, 结晶器浸入式水口吹氩技术被广泛应用于实际连铸生产过程中 [ 1] .氩气随钢液进入结晶器后, 随上循环流运动的氩气泡从钢渣界面上浮逸出, 但是在控制不当的情况下可能造成液面卷渣, 形成夹杂缺陷 [ 2] ;同样, 如果下循环流控制不好则会把氩气泡及黏附在其表面的非金属夹杂物带到结晶器深处, 易被凝固的钢水 /坯壳界面捕获, 导致铸坯中形成皮下气孔等缺陷 [ 3] .因此, 如何优化和控制结晶器内吹氩条件下的钢水流动行为, 保证连铸坯的 DOI :10 .13374 /j .issn1001 -053x .2010 .10 .005

第10期张浩斌等：静磁场下气泡在板坯连铸结晶器内运动行为的物理模拟。1265 高质量，成为实现高速连铸过程中的核心问题之器底部安装有限流板以便使流体均匀地从结晶器一【.另外，电磁制动技术在控制结晶器流场方面底部流出.结晶器内的水银通过螺杆泵驱动由结晶得到了广泛的应用，成为获得高质量铸坯的重要方器底部经管道进入中间包（为保证水银压头的稳法之一5四.关于电磁制动和吹氩耦合作用下结晶定，中间包内设有100mm高的溢流挡板，然后经器内的多相流动问题，目前的研究手段主要是采用浸入式水口流入结晶器.氩气通过中间包下方的导数值模拟以，如L等0、Y等1山都利用数值模气装置吹入水口内，调节流量计阀门控制气体流量拟的方法研究了板坯连铸结晶器吹氩和磁场作用下大小.其他装置还包括电磁制动装置、水口吹气系的钢液流动和夹杂物去除行为，T业aan利用三统、电阻探针和计算机数据信号采集系统等.实验维非稳态模型分析了吹氩和施加磁场对于钢液流动中采用双条型静磁场，同时在自由液面处和水口下以及液面行为的影响，取得了一些有意义的结果，但方施加磁场，使用特斯拉计测量沿结晶器长度方向这些数值模拟的工作在某种程度上还缺乏系统的实中心轴线上的磁感应强度，其分布如图2所示. 验数据支持.在物理模拟方面的研究仅有零星的报道，如陈芝会等I9利用Pb-S-B液态合金模拟了单条型静磁场对结晶器内弯月面处氩气漂浮量和液面波动的影响.但是，对于铸坯质量影响更关键的是气泡在结晶器内部的分布和运动行为，这方面所知不多. 60 本文以水银氩气作为模拟介质，研究了双条型静磁场条件下板坯连铸结晶器内气泡的运动和分布的统计行为，通过电阻探针法研究了结晶器内有国或无磁场条件下气液两相流中气泡的分布规律和特点，以期为电磁制动下水口吹氩工艺优化和流场控制提供参考 120 1实验方法 140 -0302-0.100.1020.3 磁感应强度下 11实验装置水银氩气物理模拟实验装置的结构如图1所图2结品器内磁感应强度分布 Fg 2 Magnetic flux densit n themol space 示，板坯连铸模拟结晶器采用有机玻璃制成.结晶 1.2模型的相似性中间包实验介质为水银，表1列出水银和钢液相关的物性参数.本实验涉及气液两相流运动的一些动力学特性，与之相关的物理参数包括Froudey准数电阻探针 (F头、Suar推数(Sj和Harm anny准数(HaB, 采集其定义分别为线磁场既 SL BI.Ha=BL.反 PU 数据采集与分析式中，U为流速，ms:g为重力加速度。m 系统水银 s;L为特征长度，四。为金属液电导率，Sr:B 为磁感应强度Tp为金属液密度，km;η为流泵体的动力黏度，Pa§由于气液两相流动主要受重图1水银物理模拟实验系统示意图力和惯性力驱动，因此保证Froude准数相等模型 F琴1 Schem atic of expe血en al setup for physical smulati知app 与原型比选择入=16原型与模型的主要参数见表 ingmercuty 2应该指出的是，模型实验中由于水口壁厚仅为

第 10期张浩斌等:静磁场下气泡在板坯连铸结晶器内运动行为的物理模拟高质量, 成为实现高速连铸过程中的核心问题之一 [ 4] .另外, 电磁制动技术在控制结晶器流场方面得到了广泛的应用, 成为获得高质量铸坯的重要方法之一 [ 5--12] .关于电磁制动和吹氩耦合作用下结晶器内的多相流动问题, 目前的研究手段主要是采用数值模拟 [ 10--12] , 如 Li等 [ 10] 、Yu等 [ 11] 都利用数值模拟的方法研究了板坯连铸结晶器吹氩和磁场作用下的钢液流动和夹杂物去除行为, Takatani [ 12] 利用三维非稳态模型分析了吹氩和施加磁场对于钢液流动以及液面行为的影响, 取得了一些有意义的结果, 但这些数值模拟的工作在某种程度上还缺乏系统的实验数据支持.在物理模拟方面的研究仅有零星的报道, 如陈芝会等 [ 9] 利用 Pb--Sn--Bi液态合金模拟了单条型静磁场对结晶器内弯月面处氩气漂浮量和液面波动的影响 .但是, 对于铸坯质量影响更关键的是气泡在结晶器内部的分布和运动行为, 这方面所知不多. 本文以水银 --氩气作为模拟介质, 研究了双条型静磁场条件下板坯连铸结晶器内气泡的运动和分布的统计行为, 通过电阻探针法研究了结晶器内有或无磁场条件下气液两相流中气泡的分布规律和特点, 以期为电磁制动下水口吹氩工艺优化和流场控制提供参考. 1 实验方法图 1 水银物理模拟实验系统示意图 Fig.1 Schematicofexperimentalsetupforphysicalsimulationapplyingmercury 1.1 实验装置水银 --氩气物理模拟实验装置的结构如图 1所示, 板坯连铸模拟结晶器采用有机玻璃制成 .结晶器底部安装有限流板, 以便使流体均匀地从结晶器底部流出.结晶器内的水银通过螺杆泵驱动由结晶器底部经管道进入中间包 (为保证水银压头的稳定, 中间包内设有 100 mm高的溢流挡板 ), 然后经浸入式水口流入结晶器.氩气通过中间包下方的导气装置吹入水口内, 调节流量计阀门控制气体流量大小.其他装置还包括电磁制动装置、水口吹气系统、电阻探针和计算机数据信号采集系统等.实验中采用双条型静磁场, 同时在自由液面处和水口下方施加磁场, 使用特斯拉计测量沿结晶器长度方向中心轴线上的磁感应强度, 其分布如图 2所示 . 图 2 结晶器内磁感应强度分布 Fig.2 Magneticfluxdensityinthemoldspace 1.2 模型的相似性实验介质为水银, 表 1列出水银和钢液相关的物性参数.本实验涉及气液两相流运动的一些动力学特性, 与之相关的物理参数包括 Froude准数 ( Fr) 、Stuart准数 (St)和 Hartmann准数 ( Ha) [ 13--15] , 其定义分别为 Fr= U 2 gL , St= σB 2 L ρU , Ha=BL σ η . 式中, U为流速, m·s -1;g为重力加速度, m· s -2;L为特征长度, m;σ为金属液电导率, S·m -1 ;B 为磁感应强度, T;ρ为金属液密度, kg·m -3;η为流体的动力黏度, Pa·s.由于气液两相流动主要受重力和惯性力驱动, 因此保证 Froude准数相等, 模型与原型比选择 λ=1/6, 原型与模型的主要参数见表 2.应该指出的是, 模型实验中由于水口壁厚仅为 · 1265·

。1266 北京科技大学学报第32卷 1忽略水口出口倾角对流场的影响.通过计算表1钢液与水银物性参数本模拟实验的拉坯速度为1.8mm前，采用结晶器 Tab le1 Physical param eers of liqd steel and mecury 密度/ 黏度1 电导率/ 的当量直径为特征长度计算本模型中的有关准数值材料 (k8r3) (Pa s (Sml) 为S上13.8Ha=470根据S推数求得本模型所钢液 7020 5.5×10-3 7.14X105 对应的实际连铸过程中的最大磁场强度为0.17T 水银(25℃) 13529 1.523×10-3 1.04X105 表2工艺参数 Tabl 2 Process parame ters 结品器横截面/ 水口浸入水口水口出口水口出口金属液流量/ 拉速/ 类别比例 (mm nm) 深度/m 内径/mm 尺寸/(mm 角度1（°） (m.h1) (mm) 模型 210X35 40 14 7×9 0 1.8 原型 6 1260X210 240 电 42X54 15 70 44 QU 模型中的气体流量Q根据公式Q=B= 10 ..0 λ25计算（下标m代表模型，P代表原型，即 Q:AF2K25 QAT1830K 之 QAr298K=入25QAr180K (1) 考虑到实际连铸过程中室温的氩气吹入结晶器 600 600 650 后会被钢水加热膨胀，而本模型中氩气的温度一 ① 直为室温，必须对模型中的吹氩量进行修正.按照 -0 63006350640064506500 理想气体状态方程，1830K时氩气的膨胀系数为时间/ms 88-61 图3电阻探针法测量气泡行为的原理示意图 QAr298K Fig 3 Prnc ple schematic of the esisrmnce probe pomeasure the 即 behav ior of gas bubb es QAT180K=6.1Q Ar298K (2) 将式(2代入式(1)得到模拟实验过程中氩气的吹生产的C上6014数据采集卡，在LabVIEW7.0平入量为：台上编制数据采集程序，采样频率为1000Hz通过 QA28K=6.1X25 Q A298K. 对采集信号进行分析，可以得到探针所在位置气泡当原型中水口的吹氩量为3~10mT'时，模的占空比、气泡数量和气泡脉冲宽度等信息.气泡型中的吹氩量相应地为0.2~0.6Lm前的占空比定义为：气泡在探针处通过时间总和与一 13电阻探针法次测量总的时间之比其反映了在测量点处气泡出实验中采用单根单针电阻探针9测量经水口现的几率如下式所示：吹入结晶器内的氩气泡的运动和分布行为，其测量气泡占空比= 原理如图3所示：电阻探针是一根插在结晶器内水探针检测到的每个气泡的停留时间银液中固定不动、且只有尖端导电的不锈钢针（直径0.1m以，将其与电阻、直流电源和浸没于金属液每次测量的总时间 (3) 中的参比电极连接成闭合回路.当探针尖端处没有气泡数量通过统计电压信号的起伏次数得到. 气泡时（图3中①，回路导通，电阻两端可以测得气泡的脉冲宽度是指气泡从接触探针导电尖端开始一个电压信号：当气泡漂浮过程中，通过探针导电尖到完全脱离的时间，以毫秒(m9为单位.一般来端时（图3中②，导通的回路会断开，此时电阻两说，气泡的脉冲宽度为气泡直径和气泡速度的函数，端电压为零.通过测量回路中电阻两端的电压信号即上【).实验过程中，待结晶器内的流动状况 U的起伏就可以判断在探针端点处是否有气泡通趋于稳定后开始数据采集，对其中3m的数据进过，以及通过时间的长短行分析.采取多次重复测量，取平均值.如图4所电压信号的采集选用美国Natpnal Instment 示，电阻探针的测量区域选择结晶器中心对称面上

北京科技大学学报第 32卷 1 mm, 忽略水口出口倾角对流场的影响 .通过计算本模拟实验的拉坯速度为 1.8m·min -1 , 采用结晶器的当量直径为特征长度计算本模型中的有关准数值为 St=13.8, Ha=470.根据 St准数求得本模型所对应的实际连铸过程中的最大磁场强度为 0.17T. 表 1 钢液与水银物性参数 Table1 Physicalparametersofliquidsteelandmercury 材料密度 / ( kg·m-3 ) 黏度 / ( Pa·s) 电导率 / ( S·m-1 ) 钢液 7 020 5.5 ×10 -3 7.14×10 5 水银 ( 25℃) 13 529 1.523 ×10 -3 1.04×10 6 表 2 工艺参数 Table2 Processparameters 类别比例结晶器横截面 / ( mm mm) 水口浸入深度 /mm 水口内径 /mm 水口出口尺寸 / ( mm mm) 水口出口角度 / ( °) 金属液流量 / ( m3·h-1 ) 拉速 / ( m·min-1 ) 模型 1 210×35 40 14 7 ×9 0 1 1.8 原型 6 1 260×210 240 84 42 ×54 15 70 4.4 模型中的气体流量 Qm 根据公式 Qm Qp = UmL 2 m UpL 2 p = λ 2.5计算 [ 13] (下标 m代表模型, p代表原型 ), 即 Qm, Ar, 298 K Qp, Ar, 1 830 K =λ 2.5 , Qm, Ar, 298K =λ 2.5 Qp, Ar, 1830 K ( 1) 考虑到实际连铸过程中室温的氩气吹入结晶器后会被钢水加热膨胀 [ 14] , 而本模型中氩气的温度一直为室温, 必须对模型中的吹氩量进行修正 .按照理想气体状态方程, 1 830 K时氩气的膨胀系数为 Qp, Ar, 1 830 K Qp, Ar, 298 K = Volume1 830K Volume298 K = 1 830 K 298 K =6.1, 即 Qp, Ar, 1 830 K =6.1Qp, Ar, 298 K ( 2) 将式 ( 2)代入式 ( 1)得到模拟实验过程中氩气的吹入量为: Qm, Ar, 298 K =6.1 ×λ 2.5Qp, Ar, 298K. 当原型中水口的吹氩量为 3 ～ 10 L·min -1时, 模型中的吹氩量相应地为 0.2 ～ 0.6 L·min -1 . 1.3 电阻探针法实验中采用单根单针电阻探针 [ 15] 测量经水口吹入结晶器内的氩气泡的运动和分布行为, 其测量原理如图 3所示:电阻探针是一根插在结晶器内水银液中固定不动、且只有尖端导电的不锈钢针 (直径 0.1 mm), 将其与电阻、直流电源和浸没于金属液中的参比电极连接成闭合回路.当探针尖端处没有气泡时 (图 3中 ①), 回路导通, 电阻两端可以测得一个电压信号 ;当气泡漂浮过程中, 通过探针导电尖端时 (图 3中 ②), 导通的回路会断开, 此时电阻两端电压为零.通过测量回路中电阻两端的电压信号 Uab的起伏, 就可以判断在探针端点处是否有气泡通过, 以及通过时间的长短 . 电压信号的采集选用美国 NationalInstrument 图 3 电阻探针法测量气泡行为的原理示意图 Fig.3 Principleschematicoftheresistanceprobetomeasurethe behaviorofgasbubbles 生产的 PCI--6014 数据采集卡, 在 LabVIEW 7.0平台上编制数据采集程序, 采样频率为 1 000Hz.通过对采集信号进行分析, 可以得到探针所在位置气泡的占空比、气泡数量和气泡脉冲宽度等信息.气泡的占空比定义为 :气泡在探针处通过时间总和与一次测量总的时间之比, 其反映了在测量点处气泡出现的几率, 如下式所示 : 气泡占空比 = ∑ n i=1 探针检测到的每个气泡的停留时间每次测量的总时间 ( 3) 气泡数量通过统计电压信号的起伏次数得到 . 气泡的脉冲宽度是指气泡从接触探针导电尖端开始到完全脱离的时间, 以毫秒 ( ms)为单位 .一般来说, 气泡的脉冲宽度为气泡直径和气泡速度的函数, 即 t=f(d, ν).实验过程中, 待结晶器内的流动状况趋于稳定后开始数据采集, 对其中 3 min的数据进行分析 .采取多次重复测量, 取平均值 .如图 4所示, 电阻探针的测量区域选择结晶器中心对称面上 · 1266·

。1268 北京科技大学学报第32卷还发现无磁场时测量区域内气泡占空比最大区域 300 和气泡数量最大区域并不完全一致.如图5(、 --0.2 L'min 0.4 L'min -3,0.2L*min+ 女0.6Lmin无磁场 (9所示，图5（马中气泡占空比最大区域在自由液 250 ◆0.4L*min1 -0.6Lmin有磁场面下35m左右，而图5(9中气泡数量的最大区域白200 大约在自由液面下55m处.可以想象，气泡随着高速金属液从水口流出，向左下方运动，此时气泡受射流金属液的剪切作用较强，分散为很多小气泡，且 100 速度较大，表现为在液面下55m处的气泡数量较 50 10 30 50 70 90 大，但占空比并不是很大.然后，气泡在浮力作用距结晶器窄面距离mm 下，随上返流一起运动的过程中，碰撞聚合的几率增图6电磁制动和吹氩量对自由液面处气泡数量的影响(5 大，同时速度减小，表现为在液面下35处的气泡 m≤装15mm) 数量较少，占空比却较大.在施加磁场之后，由于静 Fξ6Ef依cts of EMBr and argon gas fow mte on the number of 磁场的制动效应，整个制动区域的金属液流速都有 agon gas bubbles at the free surface 5mn 15mm) 所减小，气泡占空比和气泡数量分布的这种差异相 160F -0.2 Lmin--0.4 L.min 对减小了. 140-o-0.2L~min- +0.6Lmim无磁场 22磁场对结晶器内不同位置处气泡数量的影响 -0.4 L.min -心0.6L'mim有磁场 120 图6为不同吹氩量条件下，有或无磁场对气泡 100 在自由液面区域(5mn≤15m)上浮数量的影 80 响.从图中可以看出，随着吹氩量的增大，气体的上 60 40 浮数量相应增加.与无磁场时相比，施加磁场后，在 20 02~04:mr吹氩量下，气泡在水口至结晶器 0102030405060708090 1/4宽度区域(48mn≤80m上浮数量有所增距白由液面距离mm 加，在靠近窄面的弯月面处(16mm的上浮数图7电磁制动和吹氢量对结品器窄面处气泡数量的影响(X 量明显减少.当吹氩量增大到0.6m江'时，相比 =16m5奖85mm) 无磁场条件下，气泡在水口至结晶器1/4宽度之间 Fig 7 Effec ts of EMBr and argon gas flow rate on the nmber of argon gas bubbles near the namow face of the mol(x-16 mm 5 上浮数量增加得更为明显.气泡在金属液中的流动 m卷85mm) 受流体的惯性力和气泡自身浮力的作用，由于电磁制动的作用，结晶器内主流股流速减慢，而气泡自身 85mm)区域有或无磁场时气泡数量的统计情况.从的浮力不变气泡在水口至结晶器14宽度区域更中可以看到，吹氩量为0.2-0.6m扩时，施加磁容易上浮，到达弯月面处气泡数量明显减少，使得在场后，各测量位置处气泡数量比无磁场时都减少，这结晶器宽度方向上气体的上浮更加均匀.于海岐在靠近结晶器窄面处(=16m)更为明显.一般来等通过数值模拟发现吹氩条件下施加电磁制动讲，到达结晶器窄边和进入结晶器深处的气泡数量在抑制窄面弯月面液面波动的同时，加剧了水口附越多，气泡被铸坯表面振痕处钩状凝固组织或初生近液面的波动，这与本实验的结果是一致的.这是坯壳捕获的几率越大，有可能恶化连铸坯的质因为磁场的施加减少了弯月面处气泡的上浮量，在量”.徐海伦等國在水模拟中观察到少数气泡受一定程度上降低了弯月面处的波动，而水口附近液水口出口流股冲击到达结晶器窄面处，并卷入下循面气泡上浮量的增加则会增强钢渣界面的扰动. 环流进入凝固前沿，这些气泡的穿透深度很大，难图7显示了不同吹氩量条件下，磁场对结晶器以及时上浮，很容易被凝固前沿的坯壳捕获而成为窄面处(=16四5m≤兰85m汽泡数量分布铸坯中的气孔缺陷.Abb等9对工业现场的铸坯的影响.图中，吹氩量为02~04mr'时，施加调查发现施加电磁制动后，结晶器窄面处皮下气孔磁场后气泡到达窄面的数量比无磁场时减少：而随的数量比无磁场时明显减少，本实验的结果从气泡着氩气流量增加到0.6Lmr时，这种减少的趋势在结晶器内的分布角度给出了解释这一实验结果的变得不再明显，这是因为气体流量大时，磁场的作用可能原因：这正是因为磁场的施加使气泡上浮量增相对于气体浮力等因素来说，影响力减小的缘故. 多，到达结晶器窄面和深处的气泡数量减少所致. 图8为不同吹氩量时结晶器下部(75m兰

北京科技大学学报第 32卷还发现, 无磁场时测量区域内气泡占空比最大区域和气泡数量最大区域并不完全一致 .如图 5( a) 、 ( c)所示, 图 5( a)中气泡占空比最大区域在自由液面下 35 mm左右, 而图 5( c)中气泡数量的最大区域大约在自由液面下 55 mm处.可以想象, 气泡随着高速金属液从水口流出, 向左下方运动, 此时气泡受射流金属液的剪切作用较强, 分散为很多小气泡, 且速度较大, 表现为在液面下 55 mm处的气泡数量较大, 但占空比并不是很大 .然后, 气泡在浮力作用下, 随上返流一起运动的过程中, 碰撞聚合的几率增大, 同时速度减小, 表现为在液面下 35 mm处的气泡数量较少, 占空比却较大 .在施加磁场之后, 由于静磁场的制动效应, 整个制动区域的金属液流速都有所减小, 气泡占空比和气泡数量分布的这种差异相对减小了 . 2.2 磁场对结晶器内不同位置处气泡数量的影响图 6为不同吹氩量条件下, 有或无磁场对气泡在自由液面区域 ( 5 mm≤y≤15 mm)上浮数量的影响.从图中可以看出, 随着吹氩量的增大, 气体的上浮数量相应增加.与无磁场时相比, 施加磁场后, 在 0.2 ～ 0.4 L·min -1吹氩量下, 气泡在水口至结晶器 1/4宽度区域 ( 48 mm≤x≤80mm) 上浮数量有所增加, 在靠近窄面的弯月面处 ( x=16 mm) 的上浮数量明显减少.当吹氩量增大到 0.6 L·min -1时, 相比无磁场条件下, 气泡在水口至结晶器 1/4宽度之间上浮数量增加得更为明显.气泡在金属液中的流动受流体的惯性力和气泡自身浮力的作用, 由于电磁制动的作用, 结晶器内主流股流速减慢, 而气泡自身的浮力不变, 气泡在水口至结晶器 1/4宽度区域更容易上浮, 到达弯月面处气泡数量明显减少, 使得在结晶器宽度方向上气体的上浮更加均匀 .于海岐等 [ 16]通过数值模拟发现吹氩条件下施加电磁制动在抑制窄面弯月面液面波动的同时, 加剧了水口附近液面的波动, 这与本实验的结果是一致的 .这是因为磁场的施加减少了弯月面处气泡的上浮量, 在一定程度上降低了弯月面处的波动, 而水口附近液面气泡上浮量的增加则会增强钢渣界面的扰动. 图 7显示了不同吹氩量条件下, 磁场对结晶器窄面处 (x=16 mm, 5 mm≤y≤85 mm)气泡数量分布的影响.图中, 吹氩量为 0.2 ～ 0.4 L·min -1时, 施加磁场后气泡到达窄面的数量比无磁场时减少;而随着氩气流量增加到 0.6 L·min -1时, 这种减少的趋势变得不再明显, 这是因为气体流量大时, 磁场的作用相对于气体浮力等因素来说, 影响力减小的缘故 . 图 8为不同吹氩量时结晶器下部 ( 75 mm≤y≤ 图 6 电磁制动和吹氩量对自由液面处气泡数量的影响 ( 5 mm≤y≤15mm) Fig.6 EffectsofEMBrandargongasflowrateonthenumberof argongasbubblesatthefreesurface( 5mm≤y≤15mm) 图 7 电磁制动和吹氩量对结晶器窄面处气泡数量的影响 ( x =16mm, 5mm≤y≤85mm) Fig.7 EffectsofEMBrandargongasflowrateonthenumberof argongasbubblesnearthenarrowfaceofthemold( x=16mm, 5 mm≤y≤85mm) 85 mm)区域有或无磁场时气泡数量的统计情况 .从中可以看到, 吹氩量为 0.2 ～ 0.6 L·min -1时, 施加磁场后, 各测量位置处气泡数量比无磁场时都减少, 这在靠近结晶器窄面处 ( x=16 mm)更为明显.一般来讲, 到达结晶器窄边和进入结晶器深处的气泡数量越多, 气泡被铸坯表面振痕处钩状凝固组织或初生坯壳捕获的几率越大, 有可能恶化连铸坯的质量 [ 17] .徐海伦等 [ 18] 在水模拟中观察到少数气泡受水口出口流股冲击到达结晶器窄面处, 并卷入下循环流, 进入凝固前沿, 这些气泡的穿透深度很大, 难以及时上浮, 很容易被凝固前沿的坯壳捕获而成为铸坯中的气孔缺陷.Abbel等 [ 19] 对工业现场的铸坯调查发现, 施加电磁制动后, 结晶器窄面处皮下气孔的数量比无磁场时明显减少 .本实验的结果从气泡在结晶器内的分布角度给出了解释这一实验结果的可能原因:这正是因为磁场的施加使气泡上浮量增多, 到达结晶器窄面和深处的气泡数量减少所致. · 1268·

第10期张浩斌等：静磁场下气泡在板坯连铸结晶器内运动行为的物理模拟。1269 140 国 120叶 120- 100 100 ·无磁场 ·一无磁场一0·有磁场 80 0- -0·有磁场 D-- 20 D....0 1020 30405060708090 102030405060708090 距结晶器窄面距离mm 距结晶器窄面距离/mm 140 回 120 10o 0 ·无磁场 80 -0-有磁场 0 20 9-为 102030405060708090 距结品器窄面距离/mm 图8电磁制动和吹氢量对结品器下部气泡数量的影响(75mg米85mm,.(两Q=02上mr:(Q=Q4上mr:(9Q= 06:mr1 Fg8 Efec ts of EMBr and argn gas fow rate an he number of aron gas bubbles n the deep pan of themokl(75 m85 nm):(a Qr =02 m (b Q=0 4L:m(9 Q=06L;m 2.3磁场和氩气流量对气泡脉冲宽度的影响 120 ☐02L*min',t20ms 图9为无磁场、不同吹氩量时，自由液面下 100 0.4 L'min,20ms 80 ☐0.4L-mi',>20m 情况，图中的五个测量点坐标分别为一(1625人 22230.6 L'min,20 ms 2-(3225人3-(4825、4-(6425)和5- 60 (8025).由图中可以看出，随吹氩量的增加，所有测量点处气泡数量都相应增多，脉冲宽度>20ms 20 的气泡数量也明显增多，且大部分集中在结晶器1/4 2 宽度至水口附近区域即3.4和5点).这是因为在测量位置同样的金属液流量下，随着吹氩量的增加，大气泡数图9无磁场时自由液面下25m处吹氩量对气泡脉冲宽度的影量相应增多，单个气泡的浮力增大，更容易直接在水响口至结晶器1/4宽度之间提前上浮，所以测得的宽 Fg 9 Effects ofargon gas flow rate on the pu lse w idth ofgas bubbles at the level of25 mm under the free surfce wihout EMBr 脉冲气泡数量增多图10为吹氩量0.4Lmr时磁场对气泡脉冲易在水口附近上浮.另外，施加磁场后，气泡的聚合宽度的影响.从图中可以看出：与无磁场时相比，施现象可能会加强【，也使得大气泡的数量较无磁场加磁场后脉冲宽度20m的气泡数量在结晶器窄时变多，从而脉冲宽度较大的气泡数量也是增多的. 面附近减少，在结晶器14宽度至水口附近增多：脉综合上述各项实验结果，如从图6和图7中可冲宽度>20m的气泡在施加磁场后总体数量增以看到，当吹氩量为06m时，在电磁制动下，加，并且主要集中在结晶器1/4宽度至水口附近区靠近结晶器窄面弯月面处气泡的上浮数量和抵达结域.这主要是因为在电磁制动对流速的抑制作用下晶器窄面的气泡数量不再像0.2Lmr和0.4L: 流体对气泡的剪切力变小，气泡破裂的趋势相对减 m时变化那样明显，但靠近水口处的液面区域气小，大气泡数量比无磁场时增多，在浮力作用下更容泡上浮数量明显增加，这种情况容易增强水口附近

第 10期张浩斌等:静磁场下气泡在板坯连铸结晶器内运动行为的物理模拟图 8 电磁制动和吹氩量对结晶器下部气泡数量的影响 ( 75mm≤y≤85mm).( a) QAr=0.2L·min-1 ;( b) QAr=0.4L·min-1 ;(c) QAr= 0.6L·min-1 Fig.8 EffectsofEMBrandargongasflowrateonthenumberofargongasbubblesinthedeeppartofthemold( 75mm≤y≤85mm) :( a) QAr =0.2L·min-1;(b) QAr=0.4L·min-1;( c) QAr=0.6L·min-1 2.3 磁场和氩气流量对气泡脉冲宽度的影响图 9 为无磁场、不同吹氩量时, 自由液面下 25 mm深度处五个不同位置处气泡脉冲宽度的统计情况, 图中的五个测量点坐标分别为 1— ( 16, 25 ) 、 2— ( 32, 25 ) 、 3— ( 48, 25) 、 4— ( 64, 25 )和 5— ( 80, 25) .由图中可以看出, 随吹氩量的增加, 所有测量点处气泡数量都相应增多, 脉冲宽度 t>20 ms 的气泡数量也明显增多, 且大部分集中在结晶器 1 /4 宽度至水口附近区域 (即 3、4和 5点 ) .这是因为在同样的金属液流量下, 随着吹氩量的增加, 大气泡数量相应增多, 单个气泡的浮力增大, 更容易直接在水口至结晶器 1/4宽度之间提前上浮, 所以测得的宽脉冲气泡数量增多 . 图 10为吹氩量 0.4L·min -1时磁场对气泡脉冲宽度的影响.从图中可以看出:与无磁场时相比, 施加磁场后脉冲宽度 t20 ms的气泡在施加磁场后总体数量增加, 并且主要集中在结晶器 1 /4宽度至水口附近区域.这主要是因为在电磁制动对流速的抑制作用下流体对气泡的剪切力变小, 气泡破裂的趋势相对减小, 大气泡数量比无磁场时增多, 在浮力作用下更容图 9 无磁场时自由液面下 25mm处吹氩量对气泡脉冲宽度的影响 Fig.9 Effectsofargongasflowrateonthepulsewidthofgasbubbles atthelevelof25mmunderthefreesurfacewithoutEMBr 易在水口附近上浮.另外, 施加磁场后, 气泡的聚合现象可能会加强 [ 15] , 也使得大气泡的数量较无磁场时变多, 从而脉冲宽度较大的气泡数量也是增多的 . 综合上述各项实验结果, 如从图 6和图 7 中可以看到, 当吹氩量为 0.6 L·min -1时, 在电磁制动下, 靠近结晶器窄面弯月面处气泡的上浮数量和抵达结晶器窄面的气泡数量不再像 0.2 L·min -1和 0.4 L· min -1时变化那样明显, 但靠近水口处的液面区域气泡上浮数量明显增加, 这种情况容易增强水口附近 · 1269·

。1270 北京科技大学学报第32卷下实际连铸过程中吹氩量约为6mr较为合适. 120m%,尤磁场 ☐>20m%,无磁场 1c20m%.有磁场参考文献网>20m.有磁场【】ZhangL E Tanguchi$Fundamnentals of incusi知rmoval from Iud steel by bubble flotation htMaterRey 2000 45(2):9 【】Lu JX WangWK Zhang JM et al Influence of agon injec tion nto sab continuous castingmols on skg entrapment in bil lets JUn SciTechnol Beiing 2006.28(1):34 测量位置 (卢金雄，王文科，张炯明，等.板坯连铸结品器吹氢对铸坯卷渣的影响.北京科技大学学报，200628(1)：34) 图10自由液面下25mm处电磁制动对气泡脉冲 [3 YujiM ShujiT Bubble entrapmet an soldified shell caused by 宽度的影响(Q04上mr1) unsteady steel flow n mol SteelRes ht 2003 74(2)114 Fg 10 Effects of EMBr on the pulse width of gas [4 Thonas BG Zhang I.E Mathematicalmodelng of flud fow n bubb les at the level of25 mm under the free surface continuous casting Isl ht 2001 41(10):1181 (Q=04Lmr1) I Harda H TonT IshiiT et al Effect of magnetic fiel condi tions on the e kectomagneticbraking efficiency SIJ Int 2001.41 自由液面的波动，且易产生二次涡流等，从而使卷渣 (10):1236 的几率增加.图8为下循环流区域中的气泡数量情 6 YasudaH TohT MaiK et al RecentpogressofEPM n steeL 况.从图中可以看到，吹氩量对抵达结晶器深处的 making casting and solidification processing BIJ Int 200747 气泡数量影响相对较小.但是，从进入下循环流区 (4):619 【刁Mon K H Shin HK Km B J etal Fpw control of molten 的气体量与总吹气量之比来考虑，电磁制动下吹氩 steel by electromagnetic brake n the contnuous castngmoH ISII 量分别为0.20.4和0.6bmr时，进入结晶器下 n199636(9pp:201 循环流的相对气体比例大约为432说明在 Hogava A SugizawaM Takeuchi$et al Contolofmolen seel 02上m前'的吹氩量下，进入下循环流区的气体量 fow in conthuous casting mol by wo static magnetic fie ds m. 与总吹气量之比最大，且液面气体的漂浮量较少，从 posed on whok wd Mater SciEngA 1993.173(1/2):293 Chen ZH WangEG ZhaingX W.et a]Effects of smticmagnet 防止水口结瘤和促进保护渣熔化的角度，0.2 ic fie l on the behav ior ofmeniscus n amoH uder argon gas in mr的吹气量也不是最佳选择.在综合液面上浮、 Fct知Acta Menl‖S0200743(4):422 抵达结晶器窄面和下循环区域气泡数量等各方面影 (陈芝会，王恩刚，张兴武，等.静磁场对吹氨结品器内弯月响来说在本实验条件下，当吹氩量为04m订面行为的影响.金属学报，200743(4：422) 时，电磁制动的作用效果比较好，根据上文中吹气量 10]LiBK Okane T Umed T Modelng ofmolenmetal fow in a continuous castng process considerng the effects ofagon gas in 的相似性计算方法可以推得本物理模型所对应的实 jection and static magneticfiel appl ication Meta ll Ma ter Trans 际连铸过程中的吹氩量约为6mr'. B200031(61491 11]YuHQ Zhu MY Numericalsmulation of the efects ofe kecto 3结论 magnetic brake and argon gas njection on the threedi ensicnal multphase flow and heat tmnsfer in sab oonthuous castngmol (1在双条型静磁场的作用下，结晶器内气泡 S0nt200848(5):584 占空比和气泡数量的最大区域比无磁场条件下发生【121 TakataiK Effects of elec tromagne tic brake andm eniscus elec 上移和向水口方向偏移的现象；氩气的上浮量在结 tiomnagnetic stimer on tansientmolten steel fow atmeniscus in a 晶器1/4宽度处至水口附近液面处增加，在弯月面 continuous castngmoll ISIJ Int 2003 43(6):915 处减少，使结晶器宽度方向上气体的漂浮更加均匀： 13]Zhang L E Yang CaiK K et al Investigation of fuid flov 另外，磁场的施加降低了气泡到达结晶器窄面的几 and steel ceanlness n the con tinuous casting strand Men llMa 率，气泡在结晶器内的冲击深度变浅 terTran5B2007,38(1):6 (2)双条型静磁场的施加和吹氩量的增加都使 14]Sirgh V Dash SK Smnitha J$et al Expermental smuktion andm athema ticalmodeling of air bubb le movement in sb caster 得脉冲宽度上20m的气泡数量增多，脉冲宽度5 20m的气泡主要集中在结晶器1/4宽度至水口附 mold IS0n.t200646(2):210 15]Ecken GebethG Le husis()The behav pur ofgas bubbles 近区域. n a ubuk知ud metal mae ch阳rodynemic flow Part: (3水银氩气物理模拟实验表明，在一定的拉速 Dispersion in quasi wo dimensponalm age chydrolynamic ubu 和电制动条件下，吹氩量为04m订时双条型静 lence Int JMultPhase Floy 2000 26(1):45 磁场的作用效果较好，由相似准则推得电磁制动作用 (下转第1378页)

北京科技大学学报第 32卷图 10 自由液面下 25mm处电磁制动对气泡脉冲宽度的影响 ( Q=0.4L·min-1 ) Fig.10 EffectsofEMBronthepulsewidthofgas bubblesatthelevelof25mmunderthefreesurface ( Q=0.4L·min-1 ) 自由液面的波动, 且易产生二次涡流等, 从而使卷渣的几率增加.图 8为下循环流区域中的气泡数量情况.从图中可以看到, 吹氩量对抵达结晶器深处的气泡数量影响相对较小 .但是, 从进入下循环流区的气体量与总吹气量之比来考虑, 电磁制动下吹氩量分别为 0.2、0.4和 0.6 L·min -1时, 进入结晶器下循环流的相对气体比例大约为 4 ∶3 ∶2, 说明在 0.2 L·min -1的吹氩量下, 进入下循环流区的气体量与总吹气量之比最大, 且液面气体的漂浮量较少, 从防止水口结瘤和促进保护渣熔化的角度, 0.2 L· min -1的吹气量也不是最佳选择.在综合液面上浮、抵达结晶器窄面和下循环区域气泡数量等各方面影响来说, 在本实验条件下, 当吹氩量为 0.4 L·min -1 时, 电磁制动的作用效果比较好, 根据上文中吹气量的相似性计算方法可以推得本物理模型所对应的实际连铸过程中的吹氩量约为 6 L·min -1 . 3 结论 ( 1)在双条型静磁场的作用下, 结晶器内气泡占空比和气泡数量的最大区域比无磁场条件下发生上移和向水口方向偏移的现象;氩气的上浮量在结晶器 1 /4宽度处至水口附近液面处增加, 在弯月面处减少, 使结晶器宽度方向上气体的漂浮更加均匀; 另外, 磁场的施加降低了气泡到达结晶器窄面的几率, 气泡在结晶器内的冲击深度变浅. ( 2)双条型静磁场的施加和吹氩量的增加都使得脉冲宽度 t>20 ms的气泡数量增多, 脉冲宽度 t> 20 ms的气泡主要集中在结晶器 1/4 宽度至水口附近区域. ( 3)水银--氩气物理模拟实验表明,在一定的拉速和电磁制动条件下, 吹氩量为 0.4 L·min -1时双条型静磁场的作用效果较好, 由相似准则推得电磁制动作用下实际连铸过程中吹氩量约为 6L·min -1较为合适. 参考文献 [ 1] ZhangLF, TaniguchiS.Fundamentalsofinclusionremovalfrom liquidsteelbybubbleflotation.IntMaterRev, 2000, 45( 2 ) :59 [ 2] LuJX, WangWK, ZhangJM, etal.Influenceofargoninjectionintoslabcontinuouscastingmoldsonslagentrapmentinbillets.JUnivSciTechnolBeijing, 2006, 28( 1 ):34 (卢金雄, 王文科, 张炯明, 等.板坯连铸结晶器吹氩对铸坯卷渣的影响.北京科技大学学报, 2006, 28( 1 ) :34 ) [ 3] YujiM, ShujiT.Bubbleentrapmentonsolidifiedshellcausedby unsteadysteelflowinmold.SteelResInt, 2003, 74( 2 ):114 [ 4] ThomasBG, ZhangLF.Mathematicalmodelingoffluidflowin continuouscasting.ISIJInt, 2001, 41 ( 10) :1181 [ 5] HaradaH, TonT, IshiiT, etal.Effectofmagneticfieldconditionsontheelectromagneticbrakingefficiency.ISIJInt, 2001, 41 ( 10) :1236 [ 6] YasudaH, TohT, IwaiK, etal.RecentprogressofEPMinsteelmaking, casting, andsolidificationprocessing.ISIJInt, 2007, 47 ( 4) :619 [ 7] MoonKH, ShinHK, KimBJ, etal.Flowcontrolofmolten steelbyelectromagneticbrakeinthecontinuouscastingmold.ISIJ Int, 1996, 36 ( Suppl) :S201 [ 8] IdogawaA, SugizawaM, TakeuchiS, etal.Controlofmoltensteel flowincontinuouscastingmoldbytwostaticmagneticfieldsimposedonwholewidth.MaterSciEngA, 1993, 173( 1 /2) :293 [ 9] ChenZH, WangEG, ZhangXW, etal.Effectsofstaticmagneticfieldonthebehaviorofmeniscusinamoldunderargongasinjection.ActaMetallSin, 2007, 43( 4) :422 (陈芝会, 王恩刚, 张兴武, 等.静磁场对吹氩结晶器内弯月面行为的影响.金属学报, 2007, 43( 4) :422) [ 10] LiBK, OkaneT, UmedaT.Modelingofmoltenmetalflowina continuouscastingprocessconsideringtheeffectsofargongasinjectionandstaticmagnetic-fieldapplication.MetallMaterTrans B, 2000, 31( 6 ):1491 [ 11] YuHQ, ZhuMY.Numericalsimulationoftheeffectsofelectromagneticbrakeandargongasinjectiononthethree-dimensional multiphaseflowandheattransferinslabcontinuouscastingmold. ISIJInt, 2008, 48 ( 5) :584 [ 12] TakataniK.Effectsofelectromagneticbrakeandmeniscuselectromagneticstirrerontransientmoltensteelflowatmeniscusina continuouscastingmold.ISIJInt, 2003, 43( 6) :915 [ 13] ZhangLF, YangS, CaiKK, etal.Investigationoffluidflow andsteelcleanlinessinthecontinuouscastingstrand.MetallMaterTransB, 2007, 38( 1 ) :63 [ 14] SinghV, DashSK, SunithaJS, etal.Experimentalsimulation andmathematicalmodelingofairbubblemovementinslabcaster mold.ISIJInt, 2006, 46 ( 2) :210 [ 15] EckertS, GerbethG, LielausisO.Thebehaviourofgasbubbles inaturbulentliquidmetalmagnetohydrodynamicflowPartⅠ : Dispersioninquasi-two-dimensionalmagnetohydrodynamicturbulence.IntJMultiphaseFlow, 2000, 26( 1) :45 (下转第 1378页 ) · 1270·