行波磁场对RH精炼过程混合特性的影响

收稿日期:2009 04 28基金项目:国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目(50834010);教育部科学技术研究重点项目(108036);高等学校学科创新引智计划项目(B07015);中国博士后科研基金资助项目(20070421065);教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(20071108-2)作者简介:耿佃桥(1982-),男,山东淄博人,东北大学博士研究生;赫冀成(1943-),男(满族),辽宁瓦房店人,东北大学教授,博士生导师第31卷第1期2010年1月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern U niversity(Natural Science)Vol 31,No.1Jan.2010行波磁场对RH 精炼过程混合特性的影响耿佃桥,雷 洪,赫冀成(东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室,辽宁沈阳 110004)摘 要:建立了RH 精炼装置内混合行为的数学模型,考察了不同励磁电流参数下行波磁场对RH 精炼装置内混合特性的影响 计算结果表明:混匀时间随电流强度的增大而减小,并且近似成线性关系;混匀时间随电流频率的增加先减小后增大,并且在30Hz 时达到极小值;在励磁电流强度为200A ,频率为10Hz 的条件下,在上升管或下降管施加行波磁场混匀时间可缩短9%~17%;在相同操作条件下,在上升管处施加行波磁场混匀时间小于在下降管施加行波磁场的混匀时间;同时在上升管和下降管施加行波磁场,混匀时间可缩短18%~26%;混匀时间随吹氩量的增大而减小,在吹氩量为1600NL /min 时混匀时间达到极小值,吹氩量继续增大时,混匀时间反而增大关 键 词:RH 精炼过程;数值模拟;混匀时间;浸渍管;行波磁场中图分类号:T F 769.4 文献标志码:A 文章编号:1005 3026(2010)01 0064 04Effects of Traveling Magnetic Field on Mixing Behavior in RH Refining ProcessGEN G Dian qiao ,L EI H ong,H E Ji cheng(K ey L aboratory of Electromagnet ic Processing of M aterials,M ini stry of Education,Northeaster n U niv ersity,Shenyang 110004,China.Correspo ndent:G EN G Dian qiao,E mail:g engdianqiao @)Abstract:A mathematical model was developed to investigate the effect of traveling magnetic field w ith different ex citing current parameters on the mixing behavior in RH degasser.The numerical results indicated that the mixing time decreases about linearly w ith increasing current intensity.The mix ing time decreases first then increases with increasing current frequency and comes up to its minimum value at 30Hz.Applying the traveling m agnetic field to the uptake or dow ntake w hen the exciting current intensity is 200A at 10Hz,the mixing time can be shortened by 9%~17%.With the operating conditions kept unchanged,shorter mixing time is available if applying the traveling magnetic field to the uptake instead of dow ntake,and the time can be shortened by 18%~26%if applying the magnetic field to both the uptake and dow ntake.M oreover,the m ix ing time decreases w ith increasing argon blow ing flow rate,and the time comes dow n to its minimum value if the argon blow ing flowrate is 1600NL/min.After the moment,the mix ing time increases with argon blow ing flow rate.Key words:RH refining process;numerical simulation;mixing time;uptake/dow ntake;traveling magnetic field近年来,市场上对钢铁产品纯净度的要求越来越高,超纯净已经成为21世纪钢产品质量发展的主要技术方向 在已有的炉外精炼工艺中,RH 以精炼效率高、批量处理等优点获得了广泛的应用 其基本原理是在吹入气体驱动下,利用钢液的循环流动实现分批处理 而钢液温度和合金化后成分的均匀化都与RH 精炼过程的混合效率相关,因而RH 精炼装置内钢液的混合特性成为一个重要的研究课题[1-5] 通过在上升管或下降管周围安装行波磁场发生装置,可产生与上升管或下降管内钢液运动方向一致的磁场力加速钢液流动,从而提高RH循环流量,缩短混匀时间,提高精炼效率 因此,本文针对RH精炼装置内钢液的混合行为建立数学模型,并考察了不同励磁电流参数下行波磁场对RH精炼混合过程的影响1 数学模型本文应用ANSYS有限元软件求解三维电磁场,并应用Fortran程序对CFX软件进行二次开发,实现电磁场与流场的耦合计算 通过建立电磁场作用下的钢液混合行为数学模型,考察了不同励磁电流参数下行波磁场对混匀时间的影响 所建数学模型基于以下假设1)钢液为不可压缩Newton流体,且流动为稳态2)忽略钢包以及真空室液面波动,认为钢液表面水平3)忽略RH内钢液温差的影响,认为钢液流动是在等温条件下进行的4)钢液、导线、铁芯及空气为各向同性材料5)激励电流为低频交流电 此交变电磁场满足似稳条件,因而可忽略位移电流[6-7]6)加入的示踪剂不会影响RH精炼装置内的流场1.1 电磁场计算磁场发生装置如图1所示,长度为0 8m,极距为0 4m,磁轭齿高及齿根高为0 05m,采用弧形铁芯增大作用面积,并沿垂直方向留两个切缝安装绕组 励磁电流频率f为10~60Hz,励磁电流强度I为100~600A,导线匝数N为72匝,激励电流为正弦交流电 在小磁Reynold数下可忽略钢液运动对磁场的影响[8],电磁场分布满足如下方程:H=J,(1)E=- B t,(2)B=0,(3)B= H,(4)J=E (5)式中:H为磁场强度,A/m;J为电流密度,A/m2; E为电场强度,V/m;B为磁感应强度,T; 为磁导率,H/m;为电导率,S/m电磁场计算的物性参数:钢液、空气和线圈的相对磁导率为1,铁芯的相对磁导率为1000,钢液与绕组线圈的电导率分别为1 78107和7 14105S/m 应用有限元软件ANSYS计算电磁场,对空气采取四面体网格划分,除空气外如铁芯等均采用六面体单元划分,边界条件为磁力线平行于空气外表面,考虑到趋肤效应的影响,对集肤层网格进行加密处理图1 行波磁场发生装置示意图F i g.1 Schematic of tr aveling m agneti cfi eld gener ator1.2 流场计算采用修正的均相流模型计算RH装置内流场[9],时均磁场力作为动量方程源项连续方程:(!u)=0,(6)动量方程:(!uu)=-p+( eff u)+!g+F em,(7)含气率守恒方程:!(u+u slip)∀= effSc∀,(8)气液两相区的平均密度方程:!=∀!g+(1-∀)!l (9)式中:u为钢液速度,m/s;g为重力加速度,g/s2;∀为含气率;!g与!l分别为气液密度,kg/m3;p 为压力,Pa;u slip为气相滑移速度[9],m/s;Sc为湍流Schmidt数; eff为有效黏性系数,Pa s,由k #模型确定[10];F em为磁场力时均值,可表示为F em=12J B (10)流场边界条件:对于所有的壁面采用无滑移边界条件;自由液面上法向速度为零;气泡到达自由液面后从自由液面逸出,其逸出速度等于气相滑移速度;其他所有变量的法向梯度为零1.3 示踪剂浓度扩散模型示踪剂的浓度变化可用式(11)表示[1,3-4]:t!C+!u C=effS cC(11)式中C为示踪剂的无量纲浓度示踪剂浓度扩散模型的初始边界条件为:初始时刻在顶枪下方真空室自由表面加入示踪剂并65第1期 耿佃桥等:行波磁场对RH精炼过程混合特性的影响且RH 内其他位置示踪剂浓度为零,混合过程中壁面及自由液面处示踪剂浓度梯度为零 为监测混合过程,在钢包内不同位置同时监测示踪剂浓度随时间的变化规律,并取所有监测点中示踪剂浓度变化不超过稳定值!5%所需的最长时间为混匀时间 1.4 计算参数计算所用的RH 设备相关参数:钢包直径为3 19m,高度为3 0m ,浸渍管内径为0 5m,插入深度为0 48m,真空室直径为1 87m,钢液密度为7020kg/m 3,氩气密度为1 78kg/m 3,钢液黏度为0 0061Pa s 流场计算采用SIM PLE 算法,计算采用控制微元体积数约为42万个 当离散方程残差小于1 10-5且所有变量流入流出差小于0 1%时认为计算收敛2 结果分析及讨论2.1 不同位置施加行波磁场在励磁电流为200A,频率为10Hz 条件下,与没有施加磁场作用相比,在上升管施加行波磁场时混匀时间可缩短13%~17%,在下降管施加行波磁场时混匀时间可缩短9%~13%,单独在上升管施加行波磁场的效果优于下降管,见图2 形成这一现象主要有以下原因:∀当在上升管上施加磁场时,水平方向的向心磁场力促使气泡向管中心运动;#气泡越靠近管中心,越有利于发挥气泡浮力的驱动作用,因而在上升管处施加行波磁场的效果优于在下降管处施加行波磁场 图2还表明,与没有施加行波磁场作用相比,在上升管与下降管同时施加行波磁场混匀时间可缩短18%~26% 未施加行波磁场时,吹氩量达到1600NL/min 后混匀时间达到极小值,吹氩量继续增大时,混匀时间不再减小,反而增大,说明1600NL/m in 即为饱和吹氩量 由于在上升管施加行波磁场的效果优于下降管,因而本文以下部分仅在上升管施加行波磁场的情况下,考虑励磁电流参数对混匀时间的影响图2 不同位置施加磁场对混匀时间的影响Fig.2 Effect of different posi tions of magnetic fieldon m i xing time2.2 励磁电流参数的影响图3a 表明钢液内最大磁场力的水平分量与竖直分量均随电流强度的增加而增大,并且近似与电流强度成线性关系 这是由于励磁电流强度越大,磁感应强度越大,感应涡流也越大,因而磁场力随电流强度的增加而增大 并且随着电流强度的增大,最大磁场力的水平分量远小于竖直分量 图3b 表明随着电流频率的增加,水平分量越来越大,而竖直分量的变化并不十分明显 具体原因如下:∀钢液内产生的感应电流为水平面的旋转涡流;#行波方向的磁感应强度分量远大于水平分量,磁场力在水平方向的变化大于竖直方向;∃电流频率对磁感应强度的变化率影响较大,使感应涡流随电流频率的增大而增大[7]图3a 还表明混匀时间随电流强度的增大而减小,并且二者近似呈线性关系 在电流频率为10Hz 的条件下,电流强度每增加100A,混匀时间相应缩短15~20s 主要原因如下:∀图3a 表明电流强度对磁场力的竖直分量的影响大于对水图3 磁场力和混匀时间随励磁电流参数的变化Fig.3 C hanges of field m agnetom otive force and m i xing time with exci ting current param eters (a)%电流频率=10Hz,吹氩量=1000N L/min;(b)%电流强度=200A,吹氩量=1000N L/min66东北大学学报(自然科学版) 第31卷平分量的影响;#磁场力的竖直分量随电流强度的增大而增大;∃磁场力的竖直分量与钢液运动方向一致,可提高钢液流速,有利于钢液的混合 从缩短混匀时间、提高精炼效率出发,可尽量增大电流强度,但较大电流强度会产生大量焦耳热,降低磁场发生装置寿命,在实际生产中应合理设计水冷装置图3b还表明电流频率在10~30Hz范围内时,混匀时间随电流频率的增大而减小,然后在30~60H z范围内时,混匀时间随电流频率的增大而增大 原因如下:∀磁场力的水平分量指向管中心,可以促进气泡向管中心运动;#到达上升管中心的气泡更有利于加速钢液流动[9];∃水平方向的向心磁场力随电流频率的增加而增大,而磁场力竖直分量受电流频率的影响较小,因而混匀时间随电流频率的增加先减小,当电流频率增大到一定值后,上升管中心的气体饱和,反而不利于发挥驱动钢液流动的作用,混匀时间反而增大 3 结 论1)钢液所受磁场力的水平分量和竖直分量均随电流强度的增加而增大;磁场力的水平分量随电流频率的增加而增大;磁场力的竖直分量随电流频率的增加先增大后减小,但变化不明显2)电流频率在10~30Hz范围内时,混匀时间随电流频率的增大而减小,然后在30~60H z 范围内时,混匀时间随电流频率的增大而增大;电流强度在100~600A范围内时,混匀时间随电流频率的增大而减小,并且近似呈线性关系3)在励磁电流强度为200A,频率为10H z 条件下,当在上升管施加行波磁场时混匀时间可缩短13%~17%;当在下降管施加行波磁场时混匀时间可缩短9%~13%;当同时在上升管和下降管施加行波磁场时,混匀时间可缩短18%~26% 混匀时间随吹氩量的增大而减小,在吹氩量为1600NL/min时混匀时间达到极小值,吹氩量继续增大时,混匀时间反而增大参考文献:[1]Nakanishi K,S zekely J,Chang C W.Experimental andtheoretical investigati on of mixing phenomena in the RHvacuum process[J].I ron making&S teelmaking,1975,2(5):115-124.[2]Wei J H,Yu N W,Fan Y Y,et al.Study on fl ow andmixing characteristics of molten steel i n RH and RH KTBrefining processes[J].Jour nal of S hanghai Univer sity:E ng lish Edition,2002,6(2):167-175.[3]Ajmani S K,Dash S K,Chandra S,et al.M ixing evaluationin the RH process using mathematical modelling[J].IS IJI nt,2004,44(1):82-90.[4]Kishan P A,Dash S K.M i x i ng time in RH ladle with uplegsize and i mm ersion depth:a new correlation[J].ISIJ Int,2007,47(10):1549-1551.[5]Ahrenhold F,Pluschkell W.M ixing phenomena inside theladle duri ng RH decarburization of steel melts[J].Ste elResearch,1999,70(8):314-318.[6]Gliere A,M asse P.A finite element finite differencecom putation of magnetic and turbulent flow coupled problem[J].IEEE Trans M ag n,1988,24(1):252-255.[7]杨晓东 大方坯结晶器电磁搅拌电磁场的数值模拟[D]沈阳:东北大学,2007(Yang Xiao dong.Numerical simulation of electromagn eticfield i n bloom continuous casti ng mold with electromagn eticstirri ng[D].Shenyang:Northeastern University,2007.) 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