CN105108093A - 搅拌磁场作用下连铸结晶器内非金属夹杂物运动规律的物理模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究搅拌磁场作用下连铸结晶器内非金属夹杂物运动规律的物理模拟方法，采用一种物理模拟实验装置，以饱和食盐水溶液代替钢水，并且针对饱和食盐水溶液导电率低、常规搅拌磁场在其中所产生的感生电流小、电磁搅拌力小等系列技术问题，针对性地提出了直接在饱和食盐水溶液中通入直流电，同时在实验装置外施加渐变式稳恒磁场，以非接触搅拌方式驱动饱和食盐水；并且，在饱和食盐水溶液中放置50微米～200微米的聚苯乙烯粒子代替不同尺寸的非金属夹杂物，以观察搅拌磁场对非金属夹杂物运动的影响。本发明的模拟实验过程直观、调节与操控、简便，实验结果真实性可靠性好，相对于现有技术更接近连铸生产实际情况。

Description

搅拌磁场作用下连铸结晶器内非金属夹杂物运动规律的物理模拟方法

技术领域

本发明涉及一种物理模拟实验方法，尤其涉及一种搅拌磁场作用下连铸结晶器内非金属夹杂物运动规律的物理模拟方法。该方法主要应用于冶金行业钢铁材料及其他金属材料的连续浇铸成型领域，以研究连续浇注过程中，结晶器内非金属夹杂物在搅拌磁场作用下的运动行为。

背景技术

随着我国的航空航天、石油化工、高铁、风电等行业的快速发展，对高端轴承需求量大幅增长，这些轴承在工作时承受着极大的压力和摩擦力，因此对轴承钢的化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布等要求都十分严格，如对于精密轴承钢，50μm大小的夹杂物都不允许存在，是所有钢铁生产中要求最严格的钢种之一。

由于轴承钢连铸材的纯净度优于模铸材，因此轴承钢广泛采用连铸技术进行生产，但是在连铸过程中，钢液在高温下和熔渣、大气以及耐火材料相接触，仍不可避免的造成钢水的二次氧化，此外，钢包及中间包的熔渣、结晶器保护渣、水口等熔损也会形成外来夹杂，它们会悬浮在钢液中直到最终冷凝成钢坯。为了进一步减少连铸轴承钢内的非金属夹杂物数量，常在轴承钢连铸结晶器处施加搅拌磁场，因此人们更加关心搅拌磁场对连铸结晶器内夹杂物的数量、尺寸以及分布影响的定量化规律。为了研究结晶器内钢液流动行为对夹杂物运动的影响，方法有实际生产实验、数学模拟和物理模拟，其中实际生产实验不便于观测，且代价昂贵；数学模拟方法被大量采用，如北京科技大学的赵晶晶、清华大学的沈厚发、东北大学的李宝宽以及J.Szekely等基于CFD建立了连铸过程中钢液流动、凝固以及夹杂物运动的数学模型，其中夹杂物的运动是采用Lagrange离散相模型来描述的，通过该模型可获得夹杂物在结晶器内的运动轨迹以及连铸坯凝固坯壳对夹杂物运动的影响，但是通过Lagrange离散模型来描述夹杂物粒子的轨迹，由于计算机性能的限制很难考虑到夹杂物的碰撞长大的情况。

东北大学的雷洪等采用Euler法对连铸过程中夹杂物的运动进行了研究，可以较好的考虑夹杂物间的碰撞、长大的过程。但是，他们的计算模型中没有考虑搅拌磁场的作用和影响，其所获得的研究结果存在一定的局限性和偏差。

总之，现有技术中，无论哪种数学模拟方法由于采用了很多假设，而且其准确性主要取决于数学模型和边界条件，所以单纯的数学模拟方法很难准确的获得夹杂物的运动规律；

目前，针对结晶器内钢液流动的研究，主要集中在物理模拟方面。这是因为，物理模拟不仅可以克服由于冶金过程的复杂性、高温及测试手段限制而难以进行研究的困难，而且消耗低，费用少，因而受到人们的广泛应用。

在结晶器流场的物理模拟中，由于水和钢液的运动粘度相似，所以以水为介质的模拟研究应用最广。

20℃水和1600℃钢液的物理性能如表1。

表1：20℃水和1600℃钢液的物理性质

水模拟实验的理论依据是相似原理。结晶器内钢液的流动，一般可视为粘性不可压缩稳态流动，因此，此系统只要满足几何相似和动力相似就可以满足模型和原型的相似。

几何相似:模型和原型中各对应长度之比为一定常数，该常数称为比例因子。

运动相似：模型和原型中运动状况相似。

动力相似：模型和原型中各对应力相似。

动力学相似也就是系统内力的相似，在进行流动模拟研究时，动力学相似和几何相似是两个最基本的条件。流体运动时受到了惯性力、重力、粘性力、表面张力的作用。包含这些力的主要相似准数有：

(1)雷诺准数(Reynolds)功当量

(2)弗鲁德准数(Froude)

(3)韦伯准数(Weber)

这三个准数考虑了惯性力、重力、粘性力和表面张力的作用。在单一模型中完全保持模型和实物系统中的Re、Fr、We相等是难以实现的，应视不同情况，考虑占统治地位力的作用。由于结晶器内钢液流动与模型中水的流动处于同一自模化区，所以只要保证模型(下表用m表示)与原型(下表用p表示)的Froude准数相同，就可以保证模型与原型的相似，即：

由此计算出模型所对应于原型的体积流量和水口流速，即:

Q_m＝λ^2.5Q_p(2)

u_m＝λ^0.5u_p(3)

其中：λ为模型与原型间的比例因子，u为速度，Q为流量，l为长度，g为重力加速度，η为粘度，ρ为密度。

因此，只要保证模型与原型的水口流速保持一定的比例，则可以保证模型与原型中的流动状态相似，从而可以通过直接观察模型中的流动反推获得原型中钢水的运动过程。

为了使模型和原型中的夹杂物的运动过程相似，还需要使模型和原型中的夹杂物的性质和尺寸保持一定的关系。

夹杂物在结晶器钢液中的运动速度可分解为两部分:流体流动的速度u_f和夹杂物上浮速度u_inc。其中u_inc满足Stokes定律,表达式如下:

$u_{inc}=\frac{({\mathrm{\ρ}}_f-{\mathrm{\ρ}}_{inc})g,d^2}{18{\mathrm{\μ}}_f}---\left(4\right)$

其中：ρ_f为流体的密度，d为夹杂物颗粒直径，ρ_inc为夹杂物的密度，μ_f为流体的粘度。

为保证模拟夹杂物与实际夹杂物的运动轨迹相似,其运动速度应满足以下方程:

$\frac{u_{f,m}}{u_{f,p}}=\frac{u_{inc,m}}{u_{inc,p}}---\left(5\right)$

根据(3)式，可知模拟的夹杂物颗粒的上浮速度与中间包中实际夹杂物上浮速度之间的对应关系为:

$\frac{u_{f,m}}{u_{f,p}}={\mathrm{\λ}}^{0.5}---\left(6\right)$

将(4)式代入(6)式，并假定钢液运动粘度系数与水的运动粘度系数相等，可得到水模拟中夹杂物颗粒直径与钢水中非金属夹杂物颗粒直径的对应关系为:

$\frac{d_{inc,m}}{d_{inc,p}}={\mathrm{\λ}}^{0.25}\·{\[(1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_{inc,p}}{{\mathrm{\ρ}}_{f,p}})/(1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_{inc,m}}{{\mathrm{\ρ}}_{f,m}})\]}^{0.5}---\left(7\right)$

比如：实验用聚苯乙烯颗粒模拟夹杂物，其密度ρ_inc,m＝640kg/m³。根据式(7)可知，选择该塑料颗粒粒径分别为250μm、100μm的颗粒可分别对应钢液中夹杂物的粒径分别为240μm、90μm。

也就是说，可以用粒径为100μm的聚苯乙烯颗粒来作为夹杂物模拟粒径为90μm的钢液中夹杂物的运动状况。

但是，由于水溶液的导电性较弱，在结晶器外施加电磁搅拌很难使溶液产生旋转运动，因此常采用机械搅拌代替电磁搅拌来获得搅拌磁场对夹杂物运动的影响规律，由于机械搅拌装置与水溶液相接触，会与夹杂物颗粒碰撞，这样获得的夹杂物运动规律也不准确。

发明内容

本发明的目的是，提供一种仿真度高、实验过程直观、调节与控制简便的研究搅拌磁场对连铸结晶器内非金属夹杂物运动影响的物理模拟方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种连铸结晶器内非金属夹杂物运动规律的物理模拟方法，采用一种物理模拟实验装置，所述物理模拟实验装置包括一透明材质制成的、两端封闭的圆筒状槽体、一电磁铁、一铁板、一直流电源和2个石墨电极；

所述圆筒状槽体的上下两个底面的中心位置处，分别对称开设有一石墨电极安装用通孔；

上述2个石墨电极一上、一下分别安装在对应的石墨电极装配用通孔中，并分别与所述圆筒状槽体的上下两个底面密封连接；上述2个石墨电极与所述直流电源连接形成一供电回路，其中，位于上方的石墨电极为正极、下方的石墨电极为负极；

所述电磁铁与铁板一左、一右布置在所述圆筒状槽体的两侧壁面的外侧，所述电磁铁与一可调节电流的供电电源连接；

所述电磁铁和铁板均分别与同一旋转机构固定连接成一整体；

所述圆筒状槽体的顶板上还开设有注水孔，所述注水孔设置有内螺纹，通过一顶丝封堵；

所述物理模拟方法按以下方式进行：

拧下注水孔的顶丝，向圆筒状槽体内投放若干数量的50微米～200微米的聚苯乙烯颗粒，并注入饱和食盐水，直至上述2个石墨电极均浸没在所述饱和食盐水中；

然后，接通直流电源开关，通过滑动变阻器调节电压大小，以调节饱和食盐水溶液中的电流强度，直至饱和食盐水溶液中的电流强度达到设定值；与此同时，

接通电磁铁的供电电源，调节电磁铁的电流大小，直至在饱和食盐水溶液中形成一外加渐变式稳恒磁场；；并可启动旋转机构，由旋转机构带动电磁铁和铁板同步绕圆筒状槽体做圆周运动，此时的饱和食盐水溶液，在内通直流电以及外加稳恒磁场的共同作用下，促使其产生旋转运动；当这种旋转运动达到相对稳定的状态时，直接观察和/或采用高速摄像机摄录饱和食盐水溶液中的聚苯乙烯颗粒的运动状态及轨迹，即可。

优选为，上述供电回路中，还串联连接有滑动变阻器和电源开关；

进一步优选，上述槽体的材质为玻璃或者有机玻璃。

综上，可以看出，为了准确的获得搅拌磁场对连铸轴承钢结晶器内非金属夹杂物的影响规律，以优化电磁搅拌连铸工艺，提高轴承钢坯的质量，本发明在现有技术的基础上，提供了一种分析搅拌磁场对结晶器内非金属夹杂物运动影响的新的物理模拟方法，该方法以饱和NaCl水溶液代替钢水，针对饱和NaCl水溶液导电率较低，而一般的搅拌磁场在其中所产生的感生电流小，进而导致电磁搅拌力小的缺陷或不足，本发明通过采用直接在饱和NaCl水溶液中通入直流电、在有机玻璃模型外施加渐变式稳恒磁场等系列技术手段，从而使NaCl水溶液产生非接触旋转运动，在NaCl水溶液中放置50微米～200微米的聚苯乙烯塑料粒子代替不同尺寸的非金属夹杂物，就可以观察到搅拌磁场对非金属夹杂物运动的影响。即，本发明提供了一种具有更高仿真度以及操作方便的物理模拟方法，通过该方法可以更深入、更准确的获得搅拌磁场作用下轴承钢连铸结晶器内夹杂物的数量、尺寸以及分布状况，有利于大幅度提高连铸轴承钢材的质量。亦即，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

以饱和食盐水溶液代替钢水，并且针对饱和食盐水溶液导电率低，一般的搅拌磁场在其中产生的感生电流小、所产生的电磁搅拌力小的不足，本发明有针对性地提出了直接在饱和食盐水溶液中通入直流电，同时在有机玻璃模型外施加渐变式稳恒磁场，根据左手定则可知，在食盐水溶液中将产生电磁力，由于该稳恒磁场为渐变式稳恒磁场，即该磁场不随时间发生变化，但在空间分布上，其大小是由左向右发生变化的，左边的磁场强度大，右边的磁场强度小，所以在直流电以及该稳恒磁场的共同作用下，在食盐水溶液中产生的电磁力的大小也不同，在食盐水溶液的左边产生的电磁力大，右边产生的电磁力小，从而使食盐水溶液产生旋转运动，在食盐水溶液中放置50微米～200微米的聚苯乙烯粒子代替不同尺寸的非金属夹杂物，就可以观察到搅拌磁场对非金属夹杂物运动的影响；

而且，在物理模拟过程中，考虑了电磁搅拌行为，使得结晶器内金属液的流动状态以及夹杂物在其中的运动状态的描述更为真实、准确，与实际的连铸生产更加接近。

附图说明

图1为本发明的物理模拟实验装置的结构原理示意图；

图2为本发明的搅拌磁场作用下饱和食盐水溶液的运动原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

本发明的连铸结晶器内非金属夹杂物运动规律的物理模拟方法，采用一种物理模拟实验装置，如图1所示，所述物理模拟实验装置包括一透明材质制成的、两端封闭的圆筒状槽体1、一电磁铁2、一铁板3、一直流电源4和2个石墨电极5；

所述圆筒状槽体的上下两个底面的中心位置处，分别对称开设有一石墨电极安装用通孔；上述2个石墨电极一上、一下分别安装在对应的石墨电极装配用通孔中，并分别与所述圆筒状槽体的上下两个底面密封连接；上述2个石墨电极与所述直流电源连接形成一供电回路，其中，位于上方的石墨电极为正极、下方的石墨电极为负极；上述供电回路中，还串联连接有滑动变阻器和电源开关；

所述电磁铁与铁板一左、一右布置在所述圆筒状槽体的两侧壁面的外侧，所述电磁铁与一可调节电流的供电电源连接(图中省略，未示出)；

所述电磁铁和铁板均分别与同一旋转机构6固定连接成一整体；

所述圆筒状槽体的顶板上还开设有注水孔，所述注水孔设置有内螺纹，通过一顶丝封堵；

所述物理模拟方法按以下方式进行：

拧下注水孔的顶丝，向圆筒状槽体内投放若干数量的50微米～200微米的聚苯乙烯颗粒，并注入饱和食盐水，直至上述2个石墨电极均浸没在所述饱和食盐水中；

然后，接通直流电源开关，通过滑动变阻器调节电压大小，以调节饱和食盐水溶液中的电流强度，直至饱和食盐水溶液中的电流强度达到设定值；与此同时，接通电磁铁的供电电源，调节电磁铁的电流大小，直至在饱和食盐水溶液中形成一外加渐变式稳恒磁场；

并可启动旋转机构，由旋转机构带动电磁铁和铁板同步绕圆筒状槽体做圆周运动，此时的饱和食盐水溶液，在内通直流电以及外加稳恒磁场的共同作用下，促使其产生旋转运动；

当这种旋转运动达到相对稳定的状态时，直接观察和/或采用高速摄像机摄录饱和食盐水溶液中的聚苯乙烯颗粒的运动状态及轨迹，即可。

上述槽体的材质为玻璃或者有机玻璃。

如图2所示，根据左手定则可知，在饱和食盐水溶液中将产生电磁力，由于该稳恒磁场为渐变式稳恒磁场，即该磁场不随时间发生变化，但在空间分布上，其大小是由左向右发生变化的，左边的磁场强度大，右边的磁场强度小，所以在直流电以及该稳恒磁场的共同作用下，在饱和食盐水溶液中产生的电磁力的大小也不同，在饱和食盐水溶液的左边产生的电磁力大，右边产生的电磁力小，从而使饱和食盐水溶液产生旋转运动。

此时，在饱和食盐水溶液中放置50微米～200微米的聚苯乙烯粒子，将在旋转的饱和食盐水的驱动下，同步进行相应的运动。

说明：本发明中，直流电源及电磁铁功率的大小，根据具体的模拟对象，选配不同的参数；旋转机构依据物理模拟实验装置的大小及具体的模拟对象，进行选配。

Claims (3)

1.一种搅拌磁场作用下连铸结晶器内非金属夹杂物运动规律的物理模拟方法，采用一种物理模拟实验装置，所述物理模拟实验装置包括一透明材质制成的、两端封闭的圆筒状槽体、一电磁铁、一铁板、一直流电源和2个石墨电极；

所述圆筒状槽体的上下两个底面的中心位置处，分别对称开设有一石墨电极安装用通孔；上述2个石墨电极一上、一下分别安装在对应的石墨电极装配用通孔中，并分别与所述圆筒状槽体的上下两个底面密封连接；上述2个石墨电极与所述直流电源连接形成一供电回路，其中，位于上方的石墨电极为正极、下方的石墨电极为负极；

所述电磁铁与铁板一左、一右布置在所述圆筒状槽体的两侧壁面的外侧，所述电磁铁与一可调节电流的供电电源连接；

所述电磁铁和铁板均分别与同一旋转机构固定连接成一整体；

所述圆筒状槽体的顶板上还开设有注水孔，所述注水孔设置有内螺纹，通过一顶丝封堵；

所述物理模拟方法按以下方式进行：

拧下注水孔的顶丝，向圆筒状槽体内投放若干数量的50微米～200微米的聚苯乙烯颗粒，并注入饱和食盐水，直至上述2个石墨电极均浸没在所述饱和食盐水中；

然后，接通直流电源开关，通过滑动变阻器调节电压大小，以调节饱和食盐水溶液中的电流强度，直至饱和食盐水溶液中的电流强度达到设定值；

与此同时，接通电磁铁的供电电源，调节电磁铁的电流大小，直至在饱和食盐水溶液中形成一外加渐变式稳恒磁场；

并可启动旋转机构，由旋转机构带动电磁铁和铁板同步绕圆筒状槽体做圆周运动，此时的饱和食盐水溶液，在内通直流电以及外加渐变式稳恒磁场的共同作用下，促使其产生旋转运动；

当这种旋转运动达到相对稳定的状态时，直接观察和/或采用高速摄像机摄录饱和食盐水溶液中的聚苯乙烯颗粒的运动状态及轨迹，即可。

2.根据权利要求1所述的搅拌磁场作用下连铸结晶器内非金属夹杂物运动规律的物理模拟方法，其特征在于，所述供电回路中，还串联连接有滑动变阻器和电源开关。

3.根据权利要求1所述的搅拌磁场作用下连铸结晶器内非金属夹杂物运动规律的物理模拟方法，其特征在于，所述槽体的材质为玻璃或者有机玻璃。