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 Schematicofexperimentalsetupforphysicalsimulationapply￾ingmercury 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·