通道式感应加热中间包内夹杂物碰撞长大和去除行为

In the continuous casting process, the inclusions in the steel should be removed as low as possible and the superheat degree of molten steel should be kept stable and low in the tundish. The channel induction heating tundish is an effective technology to realize this aim. This project will apply and integrate the theories about electromagnetic hydromechanics (pinch effect), heat transfer(energy transport and induction heating), multiphase flow (collision and growth among inclusions), metallurgical reaction engineering (analysis for the residence time distribution curve of tundish) in order to predict the spatial distribution of magnetic field, induced current field, electromagnetic force field, velocity field and temperature field of molten steel, size and population of inclusions by mathematical and physical simulation. This work consists of three tasks: (1) the mechanics of pinch effect and the related electric stabilization condition (2) spatial distribution of inclusion size and number density in the tundish with channel induction heater (3) inclusions’ collision-aggregation under strong electromagnetic force and strong heat convection (4) basic theory about water model to simulate the channel induction heater. The ultimate aim of the current project is to realize the promotion for the inclusions removal and the close control for the superheat degree of molten steel.

连铸生产要求在中间包内尽可能多地去除夹杂物，稳定地保持钢液的低过热度。通道式感应加热中间包为这一目标的实现创造了条件。本项目通过整合电磁流体力学（箍缩现象）、传热学（能量输运和感应加热）、多相流（夹杂物碰撞聚合）、冶金反应工程学（中间包停留时间分布曲线分析）等理论和模型，采用数学物理模拟手段研究了通道式感应加热中间包内磁场、感应电流场、电磁力场、钢液速度场和温度场、夹杂物尺寸和数量的三维空间分布。主要工作包括：(1) 箍缩效应起源和电稳定性条件；(2)通道式感应加热下中间包内非金属夹杂物尺寸、数量的分布特征；(3) 强电磁力和强热对流下夹杂物碰撞长大行为；(4)通道式感应加热下中间包水模型实验研究基础理论。最终的目标是稳定地实现夹杂物去除率的提高和钢液过热度的精确控制。

通道式感应加热技术已经成功地应用于连铸中间包。通过数学物理模拟手段研究了通道式感应加热中间包内磁场、流场、温度场、RTD曲线、夹杂物场等的特点，得到了如下结论。① Sahai修正方法是处理中间包RTD曲线的常用方法。修正方法的物理背景是减小活塞区体积，增大死区体积，从而减小负死区体积的出现；但是计算式却表明修正方法的数学背景是减小全混区体积，增大死区体积。因此，修正方法在物理背景和数学背景上存在着自相矛盾，是错误的。②多流中间包整体RTD曲线方法可以从总体上评估多流中间包流体流动特性，避免多流中间包负死区体积的出现；各流RTD曲线平均停留时间的差值可以作为关键参数评估多流中间包各流之间流动特性的差异。③在通道式感应加热中间包内，磁场强度、感生电流密度、电磁力、焦耳热均在通道内最强，磁场和电磁力场均呈偏心分布；通道内钢液在电磁力作用下，在通道横截面上产生两个环流，其周向速度可达0.3m/s；相对于钢包长水口出口钢液温度而言，通道式感应加热可将中间包出口处钢液温度提高12K。④在通道式电磁感应加热下，钢液与通道壁面脱离点不在通道的正上方，而是斜向上指向对称面，位于5π/24圆弧处。⑤在电磁场中的夹杂物聚合长大应考虑Archimedes碰撞的影响。⑥ 通道直径增大,夹杂物去除率增大，粒径减小，在中间包出口处钢液温度略有降低；熔池深度增大，夹杂物去除率增大，粒径增大，在中间包出口处钢液温度略有降低；随着感应加热功率的增加，中间包出口温度增加，但感应加热功率与中间包出口钢液温度并不是线性关系。⑦文献中铝脱氧数据差异较大的原因在于部分冶金学者的实验产物是亚稳态的纳米级氧化铝，而不是晶体氧化铝，即部分实验尚未达到平衡。铝脱氧反应的吉布斯自由能变化推荐值为 DG=-1241100 + 419.502T J•mol-1，并给出了在1873K时一、二阶相互作用系数的取值。