[发明专利]连铸结晶器内搅拌磁场对非金属夹杂物运动规律的研究方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟实验方法，尤其涉及一种连铸结晶器内搅拌磁场对非金属夹杂物运动规律的研究方法。

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，总之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，主要集中在物理和数值模拟两大方面。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，并能为数学模拟研究提供指导，在验证和完善数学模型结果方面发挥重要作用，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：