。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·