1、學校代碼： 10128學 號：201220411061本科畢業論文英文文獻翻譯題 目：電磁力應用在中間包內的控流數學模型學生姓名：高 燕學 院：材料科學與工程學院系 別：材料與冶金工程專 業：冶金工程班 級：冶金12-1班指導教師：路焱/講師二一六年六月電磁力應用在中間包內的控流數學模型Anurag Tripathi摘 要中間包的控流在提高鋼的質量上是很重要的。威爾斯大壩和澆注室的設備用于控制中間包內的流動。電磁力作為這些設備替代品的調查對現在的工作是客觀要求，因此,三維磁流體動力模擬研究了電磁力對中間包流動行為的影響。對磁流體動力模型進行的仿真實驗驗證了哈特曼問題的解釋，獲得的結果顯示改善了

2、包括浮動情況在內流場的最佳流動強度。關鍵詞：板坯連鑄機，中間包，塞體積，平均停留時間，夾雜物浮選，電磁力量一 介 紹在鋼鐵市場，鋼鐵的質量正在成為一個要取得利潤的最大化的重要參數。分離鋼中夾雜物是獲得優質鋼的步驟。去除鋼中夾雜物是中間包冶金煉鋼過程的一個步驟,從而提高鋼的質量。中間包內夾雜物的上浮情況視包內鋼液流動狀態而定。RTD的特征是建立一個預測中間包夾雜物分離的標準。Ahuja和Saha假設過某些RTD特點實現夾雜物的最大分離比1 - 3。控制流體流動是取得中間包所需的RTD的特征的一種方法。中間包內的流體流動通過不同類型的控流調節器來控制。傳統的流動調節器是利用中間包內的壩和堰，壩和堰

3、已經提高了流動特性，卻導致有效面積的減少。設計有效的流動調節器是中間包冶金最新的研究領域。對于中間包內流動現象的理解是流動調節器設計的先決條件。不同的研究人員對中間包內流體流動現象做過調查，各種研究人員研究表明澆注過程會強烈的影響中間包內流動行為。最新的控流調節器的設計是依靠抑制中間包澆注區域的流體。RD.Morales等人討論了湍流抑制器在湍流進入中間包的作用，Foseco對倒箱的設計是這個方向上的最新研究，倒箱的設計是為了抑制澆注區域附近的湍流,從而實現所需的RTD的特點。湍流抑制器是機器設備，需要其他參數（例如覆蓋物的位置、下潛深度以及中間包的設計等）提供所需的流動特性。用外部力量代替這

4、些機械設備才能約束對中間包內其他各種參數的依賴。20術語：C：注入示蹤劑的質量分數L：中間包一半的長度K:湍流動能P：壓力RTD：停留時間分布T：時間Tm：實際平均停留時間tmin平均停留時間tr：理論平均停留時間u0：速度波動V 體積B 磁場強度Z哈特曼數希臘符號p 鋼的密度u分子粘性的鋼鐵uc湍流粘度的鋼鐵ueff 部件的有效粘度lsc：紊流施密特數ke:湍流動能耗散率tss:湍流剪應力:導電性使用外部力量在中間包內控流是在流動改性劑上的一個創新概念。因此,當前工作的目的是探索用電磁力代替現有的機械設備。電磁力量的使用僅限于各種鋼鐵制造商造過程的模具。電磁力量似乎可以引導中間包內流體流動。

5、因此，當前使用電磁力作為的中間包流動改性劑同樣也是一個增加煉鋼過程處理的這些力的應用的研究。二 模型開發2.1幾何描述對稱的一半中間包的模擬能完成實驗。1a和1b顯示的是對稱的三角型中間包的一半的頂部和垂直剖面圖。中間包的尺寸如圖中1a、1b所示。用于模擬的倒箱維數可以從圖2a和2b中看到。電磁力具體位置的數學模型在中間包的模擬可從圖1b中看出，表一是中間包的操作參數，表2顯示對仿真進行的研究。2.2數學公式和假設中間包流場是通過解決連續性和動量在三維的守恒方程的計算的。模型為等溫條件而發展，在整個中間包室內均鋼溫度1600C是假設條件。標準的ke模型解決了靠近入水和出水處的湍流混合。假定中間

6、包內液體的自由表面為平面，認為渣的深度是無關緊要的。將電磁力合并為體積動量方程的源項，忽視自然對流效應，同時計算速度場。中間包示蹤劑的離散方程解決了捕獲中間包示蹤劑濃度的變化進而分析RTD特征的問題。表3說明了RTD的表達特點。控制方程，連續性方程：表1用于仿真的中間包板腳輪的操作參數序號參數值1基線長度(米)1.12覆蓋物的下潛深度 (m)0.353覆蓋物直徑(米)0.0854出口噴嘴直徑0.0815吞吐量(噸/分鐘)3.5表2 選擇模擬情況序號中間包內控流設備使用磁場強度(T)1設有倒箱02沒有流控制設備03磁流控制裝置0.14磁流控制裝置0.55磁流控制裝置1表3表達式RTD特點序號RT

7、D特點表達式1理論停留時間(tr)中間包的體積/體積流率2實際平均停留時間(tm)tm¼=Cavi tDtCavi Dt（i=1,2,3）3平均突破時間(tmin)首次出現示蹤劑4部分死區體積VPV=tmin/ tr5死體積分數VDV =1- tm /t6混合體積分數VMV = 1-VPV-VDV動量方程：層流剪切力由雷諾數得出的剪切力Ui是第i個組件速度矢量,i和j改變x,y,z方向,如果是體積源項在洛倫茲力的動量方程。洛倫茲力：Ji是電流密度和Bi是磁場強度在X,Y和Z方向。使用歐姆定律和Ei = 0分散追蹤：湍流動能：擴散率：這里的是（6）、（7）中的23邊界條件如圖1b，動量

8、和連續性方程的邊界條件很容易記起。為中間包內所有的墻設置無滑動邊界，標準壁面函數將由湍流引起的變化表現出來。對稱邊界條件在對稱平面的應用是這個平面上所有正常的變量適用零梯度條件。1.45 m/s的入口速度對應2%入射流湍流強度。根據參考，零剪切應力邊界條件應用在中間包自由表面，在中間包的排水口始終保證1個大氣壓的邊界條件。示蹤劑的濃度對于中間包擋墻來說無影響，因此，零梯度或通量邊界條件適用于示蹤劑對擋墻的離散方程。示蹤劑的零梯度條件同樣適用在自由表面和中間包的排水口處。入口處示蹤劑的質量分數設置為0.11到1.2秒,之后一直保持為零。1.2s較中間包的平均停留時間是很小的，所以加入示蹤劑不會影

9、響所在區域的速度場。決定這個入口邊界條件示蹤劑質量分數是辛格和科里亞在進行板坯連鑄機中間包實驗時示蹤劑注入所采用的步驟。2.4數值計算過程中間包內一半的計算區域被劃分為1.5單位。對于計算域的每個組有邊界條件控制方程單元需要利用有限體積法解答，商業CFD軟件包用于解決方程。就目前的模擬應用到測試設備或混合網格和液態5/6解算器。解決了電磁力和湍流的動量方程就能得到對穩定狀態的描述。解決了示蹤劑濃度的不穩定方程就得到了RTD的數據分析。簡單的算法用于壓力速度耦合，高階算法用于動量方程的離散化。在整個計算域內分別保持熔融密度和粘度7100公斤/立方米,0.006482公斤/毫秒不變。三 模型驗證電

10、磁力動量方程的驗證是解決哈特曼的解析解的問題。剩余的模型方程早已被辛格和科里亞的實驗所驗證并發表。哈特曼流是平行非導電通道和應用橫向磁場之間的一個穩定不變的導電粘性流體。這個問題可以從圖3a中看到。洛倫茲力(即總電磁力)是對流體的運動行為的表現。將相似類型的類比融入中間包模型方程，選擇哈特曼的問題進行驗證的原因，這個問題的控制方程與方程式類似。在這個問題上入口速度保持在2米/秒，沒有滑動的條件應用于墻壁。哈特曼模擬實施在從0到50的特定范圍，哈特曼的模擬被定義為電磁力與非電磁力的比率表述。將獲得的結果與解析哈特曼的問題解進行比較四 結果與討論中間包三維磁流體動力模擬了不同磁場強度的磁流調節器。

11、也進行有或沒有磁流調節器的中間包三維模擬并比較分析了磁流調節器取得的結果。所有流模式下的RTD分析和獲得的結果都可以從4a和4b中看到，在中間包內流模式下磁場強度的增加所具有的作用是目前仿真研究的方向。4.1比較倒箱與磁流調節器比較研究是通過分析流模式在中間包倒箱和磁流調機器的仿真結果獲得。仿真也進行沒有調機器的空白中間包的操作參數的分析。對空白中間包的結果進行了分析并比較澆注室。這個分析是為了了解獲得澆注室的流動模式。圖4顯示了不同流動改性劑比較的RTD曲線，對不同調節器的RTD的相關性曲線與速度模式在一列。4.1.1沒有調機器的中間包流動模式對沒有任何調節器的中間包進行了模擬。在仿真過程中

12、獲得的流模式與分析RTD結果所得到的有一定聯系。我們發現在該區域出水口處高些，而在進水口區域明顯高于出口。發展的低速區域高于出口的速度是流體向下運動的原因。這種低速區的發展明顯有助于死體積的顯現，如表4。向中心流動的運動也使死區發展的增快。定向直下的流量的流模式可以清楚地從圖5看到。部分平原的橫向流模式通過覆蓋物的入口從圖5b中可看到。循環室在逆時針方向的再循環是中間包沒有任何流動調節器直接流入底部的原因之一。表4報道的塞體積低價值顯著低于圖4中顯示的RTD曲線。4.1.2具有澆注室中間包的流模式流模式的設置得到中間包利用倒箱作為流動調節器仿真結果。將流模式與一個沒放置任何調節器的實驗進行分析

13、與比較了解倒箱作用。從圖6可以看到中間包流模式的前視圖(Y=1.1 m)速度概述比圖5中發現的速度更均一。運動的流體是直接指向出口與圖5中心平面運動矢量的比較，6b、6c分別顯示橫向平面的流型(X=3.4米)和垂直中心平面(Z=0米)。倒箱上方循環的發展讓人很容易想起平面(Z=0米)下的流模式。從圖6c中能看出，傳入的水流向澆注室上方平面旋轉。這個旋轉流對流體表面朝著出口表面平面賦予動力，因此，速度的大小在飛機表面的增加是由于動量轉移了旋轉流。旋轉流的發展原因可以通過觀察橫向平面流型圖6b獲得。這個澆注腔內循環流作為運用阻礙物和循環流在垂直中心平面上在移動的中介。在圖中指出流模式的重要觀察。6

14、a和6c的中間包的中心緩慢運動流的地區。在中心區域的動量損失流入中間包的角落里。因此，流再分配到中間包的頂部和角落會引起塞體積和死區體積的增加圖4，中間包澆注室塞體積的增加反映了RTD曲線tmin的增加。4.1.3流模式與中間包磁流調節器對不同磁場強度的流動調節器進行仿真，將獲得的結果與仿真結果得到在之前的情況進行分析。從圖1b可以看到電磁區域的位置和尺寸，不同強度磁場在0.1T1T范圍內進行了仿真，電磁力作為假設墻壓制傳入動蕩地區的流體。圖7b和7c顯示了流模式0.1t分別顯示橫向(X=3.4 m)和垂直中心平面(Z=0米)磁流模式磁場強度在在前視圖(Y=1.1m)的圖像。在圖7中的流量剖面

15、看起來與如圖5所示沒有任何流體調機器得到的剖面圖看起來相似但更均勻。在圖7c流體的流型的一致性現象通過細的調查仔可以解釋。進水口處的湍流抑制器被電磁力區域圍繞獲取。流量剖面的輪廓形狀向著有電磁圍繞區域移動，從圖7c中可以看出。在觀察中可以看到，湍流的抑制作用下限制流體向下運動，從圖5c中看出。向下運動的限制會導致動量的再分配，因此流量剖面變得更加均勻。圖6c中可以看出循環回路在倒箱上方的發展并沒有被圖7c中的磁流調節器所觀察到。RTD顯示了對死體積比例較大的改善與沒有放置任何調節器的比較獲得的數據分析。磁流調節器的RTD特征顯示了性能的改進但不適用澆注室。 4.2磁場強度對中間包內的流動模式的

16、影響磁場強度為0.1T的磁流調節器中得到的結果并不足以代替澆注室。增加磁場強度可以替代磁流動調節器提高的性能。磁流調節器應以只影響中間包的一部分這樣一種方式的設計。因此,有必要限制磁場區,提高性能。目的是在中間包小區域應用磁場激勵我們研究達到1T的磁場強度的影響，實現性能優越,。仿真是通過磁場的強度由0.5T增加到1 T完成的。8a-8c顯示三個模擬磁場強度為0.5T磁場流型的不同視圖獲得的仿真結果9a-9c顯示的是磁場強度為1T的磁場區域的流模式。8a-8c中0.5T的磁場區域的流模式與7a-7c磁場流域的流模式相似。表4所示的RTD特點反映磁場區域為0.5T的磁流調節器的性能的改善。從表4

17、 1中可以注意到磁場在夾雜物上浮過程的流動特性影響下磁場強度急劇下降的原因。RTD特征值在磁場強度為1T的磁場中下降的原因能通過關聯流動模式下的RTD曲線得出。9b和9c(Y=1.1m的飛機和Z=0m,分別)中的流模式與從低場強度的得到的流模式相似。圖9中顯示一個與低強度的不同的流動現象b(平面X=3.4)的磁場。圖9中的循環回路b展示了更高的強度和7b和8b相比有局限性的小區域。中間包的最優值流速應該能最好的夾雜物上浮特征。中間包的速度增高會形成循環室的，速度超出一定的限制減少產生停滯不前的形成區。因此,通過控制裝置獲得最佳流速是一個挑戰。超出一定范圍的磁場強度的增加能增強控制力量，這樣的水

18、平流速的大小低于最優水平。從圖10a-10c顯示出速度在磁場強度分別為0.1T、0.5T和1T的半月面輪廓。輕微的下降速度可以注意到可以注意到比較磁場從0.5T下降到0.1T速度變化很小，這個下降速度使流體矢量接近最優值。然而,對磁場為1T的區域，速度進一步下降導致嚴重偏離最優值。圖11顯示了彎月面用中間包長度在不同強度磁場下產生的磁速大小。圖11所示，我們發現磁速大小在1T與在0.1和0.5T的磁場下相比顯著低相比。對于磁場區域內不同磁場強度下的流模式的RTD曲線的優勢不同的比較從圖4b中可以看出。五 結 論(1)利用三維磁流體動力模擬對電磁力在中間包內的控流作用進行研究，從研究得出的結論記

19、錄如下:(2)對中間包有或沒有倒箱比較研究。倒箱傳入流區域的湍流抑制是模擬研究確立的。(3)倒箱將流體引向流體表面的作用是研究確立。表面定向流動的結果是改善了包括夾雜物上浮在內的流動特性。(4)研究磁流調節器作為倒箱的替代的意義。得到的結果顯示，某些流動特性與沒有倒箱取得結果相似。(5)對不同模下的RTD的分析反映出需要對磁場強度做出優化以提高磁流調節器的性能。(6)磁流調節器可以作為中間包調節器的替代。參考文獻1 Y. Sahai, R. Ahuja, Ironmak. Steelmak. 13 (1986) 241.2 P.K. Jha, S.K. Dash, Sanjay Kumar, ISIJ Int. 41 (2001) 1437.3 Anurag Tripathi, S.K. Ajmani, ISIJ Int. 45 (2005) 1616.4 R.D. Morales, J. Palafox-Ramos, J.deJ. Barreto, S. Lopez-Ramirez, D. Zacharias, Metall. Mater. Trans. B 31 (2000) 1505.5 S. Singh, S.C. Koria, ISIJ Int. 33 (19