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中间包电磁净化技术中流场的数值模拟王赟钟云波任忠鸣王保军雷作胜任维丽上海大学材料学院上海市现代冶金与材料制备重点实验室, 上海200072摘要本文采用数值模拟的方法对电磁净化中间包内钢液的流动特征进行了模拟研究。
结果表明：中间包旋转室内的钢液在电磁力作用下产生水平旋转流动，该种流动方式能促进夹杂物的碰撞、聚合及上浮；旋转室出口旋流影响了分配室内的流动结构，其偏旋特性引起了分配室内流场结构的非对称性。
为了减轻流动非对称性对分配室内流场带来的不利影响，针对旋流的偏旋特征，设计了具有抑制旋流偏旋的T形坝装置。
模拟结果表明采用T形坝之后，减轻了流场结构的非对称性，分配室内的流动更为均匀，其流动方式对于夹杂物的进一步去除更为有利。
关键词中间包，电磁净化，流场，数值模拟1 引言为了改善中间包内的流动状况和促进夹杂物的去除,目前普遍采用中间包扩容和优化设计、吹氩等技术和措施来促进中间包内夹杂物上浮分离，使钢液净化[1]。
然而，随着对钢材质量要求的提高以及钢液二次精炼成本的上升，需进一步开发高效的夹杂物分离技术。
在此背景下，日本川崎钢铁公司于1990年代中成功研发了中间包电磁净化技术[2，5]，该技术利用电磁场的非接触作用，在钢液中产生电磁力，驱动钢液在水平方向上旋转，使其中的夹杂物向中心聚集、碰撞长大，加之在高温的钢液中，夹杂物碰撞后聚合长大的速度很快，而夹杂物上浮速度又与夹杂物粒径的平方成正比，长大后的夹杂物上浮速度成倍提高，因此夹杂去除效率大为增加。
目前该种颇具潜力的钢液净化技术已得到了冶金工作者的广泛关注。
因此,掌握旋转磁场作用下钢液的流动特征，对研究该种特殊的流动状态下夹杂物去除的机制以及优化设计电磁净化用中间包结构甚为重要。
本文采用数学模拟方法对离心中间包内钢液的流动特性进行了研究,分析了中间包中有、无流动控制装置时钢液的流动状况，旨在揭示电磁净化中间包内钢液流动的特征，为离心中间包内流动控制装置的优化设计提供信息及依据，以便指导生产实践。
磁场水处理运用效果实验分析引言磁场水处理是近10年兴起的一种新型水处理技术，它利用磁场或电场的作用来防止水结垢和设备受腐蚀，去除污染物及抑制藻类和细菌生长1。
目前已有多个生产厂家生产相关的设备并投放市场，应用于空调、锅炉、污水等水环境设备系统的除垢防腐蚀处理2。
关于电磁水处理设备结构和工作机理的文献资料已有不少，但针对电磁水处理的应用效果却少有报道。
本文以动态冰蓄冷不锈钢水槽和电磁水设备组成的实验平台为研究对象，通过跟踪测试水槽中的水质在电磁水的作用下产生的变化，评价电磁水处理对水环境及金属设备的影响。
1试验部分1.1试验设备试验设备按图1安装。
试验主体为动态冰蓄冷不锈钢水槽，内盛装500kg自来水，电磁水处理设备的电极悬浸在水中，由电线联接到主机。
过滤芯柱为聚丙烯（PP）材质，通过循环水泵将槽中的水循环过滤。
1.2试验方法1.2.1水处理方法启动电磁水处理设备，使设备处于工作状态，每天运转8h，21d后启动循环水泵，使槽中的水经过过滤芯柱。
1.2.2样品检测每次启动电磁水处理设备前取水样检测pH值、硬度、活性氧含量。
将过滤芯柱取出，此时可观察到PP表层有红褐色附着物，取附着物层，干燥后置600℃灼烧，形成浅红色粉末样品，称重，取样品进行热场表面能谱（ESD）分析元素和电感耦合等离子发射光谱（ICP）进行主要金属含量分析。
2结果与讨论2.1硬度变化不锈钢水槽中的水为自来水，本身含有一定量的Ca、Mg离子或沉淀。
由图2可知，经电磁水处理后，水体的硬度逐日减少，初始值为76.79mg/L，21d后降至53.25mg/L，减少了30.66%，与此同时，浸泡在水中的电极金属网面上出现少量的垢，表明电磁水处理通过磁场作用将钙盐、镁盐吸附，具有软化水质的功能。
2.2活性氧和pH值变化在检测硬度的同时，笔者还跟踪测试水体中溶解氧含量的变化，测试数据如图3所示。
图3显示水体的溶解氧逐渐升高，第1天为0.065mg/L，21d后升高至1.24mg/L，表明电磁效应将水中的O2激发成带电荷的活性氧3，方程式如下：O2+2e→2O+（1）活性氧可以起到氧化和分解水体中的有机物，具有杀菌灭藻的作用4，因此电磁水处理可以有效降解有机物和抑制菌藻的滋生4。
一流板坯中间包数据处理过程在中间包的模型中，随着钢包注流注入一定剂量的示踪剂NaCl 溶液，用刺激—响应试验法描绘浓度C和时间t的RTD曲线(如图1)，从而得出从示踪剂的加入到中间包出口处示踪剂刚刚响应的时间t min,浓度达到最大的时间t max及计算得出流体平均停留时间t，死区体积V d,活塞区体积V p和混合区体积V m，数学关系如下：图1 理想RTD曲线⎰⎰∞∞=)()(dttEdtttEtθ-=1dVpdmpVVVV--=+=12maxminθθ式中无量纲时间;aftt=θ表观停留时间QVta=（V—中间包容积；Q—体积流量）在计算平均停留时间时，公式给的是连续的曲线公式，但是在我们实际操作中和实验条件下，我们可以转化成有限个离散的点进行代替。
即：∑∑=iiitEtEtt)()(本次实验是用EXCEL2000处理的。
1.运行EXCEL2000，界面如下：2.在菜单q栏找到“数据[D]”，找到“获取外部数据[D]”，然后在级联菜单里找到“导入文本文件[T]”。
界面如下：3.点击“导入文本文件[T]”界面如下：4.在“查找范围”里找到所要处理文件的盘浮位置。
如：本例文件名是CT008_3是在“3.5软盘[A]”中.然后选中此文件.点击“导入”即可.出现如下界面:5.在“导入起始行[R]”栏中,写入第一个数据出现的数字.本例中选“3”,因为本例中是从第3秒出现数据的是33.300.6.然后点击“下一步”,再点击“下一步”出现界面如下:7.点击“完成”.出现的窗口中点击“确定”. 原始数据就导入导EXCEL表格中去了.出现界面如下:8.找到数据骤然增大的那个数据.如本例中是在43秒的时候,测出了饱和食盐水浓度40.437. 那么就取前42秒的水浓度的平均值.让编辑框放在如图位置.9.在菜单栏中选中“插入”再在级联菜单中选中“f x函数”(或者直接点击工具栏“f x”即可).界面如下:10.在对话框中,函数分类栏选中“常用函数”.函数名栏中选中“A VERAGE”然后点击“确定”．11.在Number1中填入所要计算的长度.本例是第1个数据到第42个数据的平均值,即填入:A1:A42.12.点击“确定”.计算出了结果.13.在43列右边填写:A43-32.79152. 然后回车.计算出结果.14.在此结果上点右键,选中“复制”15.选中44列至最后16.在选中栏中点击右键,选择“粘贴”17.使B栏的43列以前的所有列设置为0,并清除C 42的数据（即在此处点右键，选中“清除内容”）。
冶金过程水模拟【实验性质】综合性实验；学时：41.1实验目的中间包是炼钢连铸生产流程的中间环节，是连接钢包和结晶器之间的过渡容器，是由间歇操作转向连续操作的衔接点，随着连铸技术水平的不断提高，中间包对于精炼和提高铸坯质量方面的作用越来越明显，已经由普通的过渡容器发展为多功能连铸反应器。
中间包现在的冶金作用不仅是储存和分配钢包钢水，而且还通过控流装置，调整钢液流动状态，从而达到均匀温度和促进非金属夹杂物上浮的效果。
中间包控流技术包括：增大中间包容量、挡墙挡坝及导流孔的应用、湍流抑制器、过滤装置、使用塞棒、中间包吹氩等。
本实验通过改变中间包挡墙和坝大高度或位置来改变钢液流动状态，促进钢液中夹杂物的上浮去除，延长钢液在包内的平均停留时间，提高铸坯的质量。
本实验要达到以下目的：（1）用KCl作示踪剂，采用“刺激—响应”的方法测得不同控流装置条件下水的RTD（Residence Time Distribution, 停留时间分布）曲线，通过分析该曲线，确定中包内控流装置的最佳配合，从而达到在实际生产中促进夹杂物上浮，均匀钢液温度的目的。
（2）用水模拟钢液，用墨水作示踪剂，直观地表现出钢液在中间包内的流动情况；1.2实验基本原理本实验中用水模拟钢液，用有机玻璃模型模拟实际中间包。
这是因为水易于操作且20℃水的运动粘度与1600℃钢液的运动粘度相当，其各自的物理性质如表1.1表1 20℃水和1600℃钢液的物性参数本实验以相似原理为理论基础，要保证模型与实型的相似，必须满足几何相似，动力相似，才能保证运动相似。
中间包内钢液的流动，是液体在重力作用下从大包水口流入中间包内，然后从中间包水口流出。
在这种情况下，可视为粘性不可压缩稳态等温流动。
中间包中的钢液流动主要受粘滞力、重力和惯性力的作用，为保证原型与模型的运动相似，需要采用雷诺数、弗鲁德数同时相等。
雷诺数 Re＝ρuL/μ，（1）弗鲁德数 Fr＝u2/ gL，（2）其中：ρ：密度；L：长度；u：流速；μ：粘性系数； g：重力加速度。
电磁模拟试验实验报告实验目的：本实验旨在通过模拟电磁场的分布和变化，加深对电磁场理论的理解，掌握电磁场的模拟方法，并通过实验结果验证理论计算的准确性。
实验原理：电磁场是由变化的电场和磁场相互作用产生的，其分布和变化遵循麦克斯韦方程组。
在本实验中，我们使用计算机模拟软件来模拟电磁场的分布，通过改变电流源、介质参数等条件，观察电磁场的变化。
实验设备与材料：1. 计算机一台，安装有电磁场模拟软件。
2. 模拟软件所需的输入参数，包括电流源、介质的介电常数和磁导率等。
实验步骤：1. 打开电磁场模拟软件，设置实验参数，包括电流源的强度、频率，以及介质的物理特性。
2. 根据实验要求，选择合适的模拟区域和边界条件。
3. 运行模拟程序，观察电磁场的分布情况，并记录关键数据。
4. 改变电流源的参数或介质特性，重复步骤3，比较不同条件下的电磁场分布。
5. 根据模拟结果，绘制电磁场分布图，并与理论计算结果进行对比分析。
实验结果：通过模拟软件，我们得到了不同条件下电磁场的分布图。
在实验中，我们观察到电流源的强度和频率对电磁场分布有显著影响。
当电流源强度增大时，电磁场的强度也随之增大；频率增加时，电磁场的分布范围扩大。
介质的介电常数和磁导率也会影响电磁场的分布，介电常数增大时，电磁场在介质中的衰减减小，而磁导率的增大则会导致磁场强度的增加。
实验分析：实验结果与理论预期相符，验证了麦克斯韦方程组在描述电磁场分布方面的准确性。
通过改变电流源和介质参数，我们能够直观地理解这些因素对电磁场分布的影响。
此外，模拟软件的使用为电磁场的可视化提供了便利，有助于加深对电磁场理论的理解。
实验结论：本实验成功地模拟了电磁场的分布，并验证了理论计算的准确性。
通过改变电流源和介质参数，我们能够观察到电磁场分布的变化，这有助于我们更好地理解电磁场的物理特性。
实验结果表明，电磁场模拟软件是一个有效的工具，可以用于教学和科研工作。
实验建议：为了进一步提高实验的准确性和实用性，建议在未来的实验中增加更多的参数变化，如温度、湿度等环境因素，以及更复杂的介质结构。
