通道式感应加热中间包内钢液箍缩行为的数值模拟

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感应加热技术在连铸过程中能够有效地补偿中间包内钢液的热损失、更好地去除夹杂物。与此同时,通道内的钢水在电磁力的作用下会产生截面收缩现象。实际生产中冶金工作者需尽量发挥箍缩效应的利处,避免其负效应的发生。本文以双通道中间包为研究对象,对比分析了热浮力作用下中间包流场温度场的分布;利用ANSYS计算中间包内的电磁力和焦耳热,将其导入动量和能量方程中;利用OpenFOAM基于有限体积法,对比分析了感应加热对钢液流热场分布的影响,并进一步讨论了通道直径对感应加热下中间包内钢液流热场分布的影响;在此基础上,基于易变形的流体所受到的体积力和表面力,对通道内近壁面处钢液进行受力分析,推导出钢液所受到的壁面支持力的计算公式,并讨论了功率、频率、通道直径和入口速度对通道内钢液箍缩效应的影响。本文得出了以下结论:(1)热浮力作用导致从通道内流出的钢液向注入室的斜上方流动,注入室上方温度较高。(2)无感应加热时,钢液温度从注入室到分配室逐渐降低,出口温度降低8K,感应加热下,该方向温度逐渐升高,出口温度升高40K,感应加热对钢液温度补偿明显。(3)感应加热时,电磁力对钢液的搅拌作用明显,中间包内形成多个漩涡,通道内的钢液在径向出现旋转,该流动形式更有助于温度均匀化,整个中间包钢液流动路径更长,有助于夹杂物的去除。(4)相同条件下,被铁芯包围的通道内的钢液比未被其包围的更易出现钢液与壁面分离。(5)不同功率、频率和入口速度下,整条通道内钢液所受支持力的分布特点类似,箍缩效应最强点都位于5π/24圆弧处,最弱点位于3π/8处,钢液与壁面恰好分离的临界点几乎不变。(6)不同通道直径下,整个通道内钢液所受的壁面支持力的变化趋势相似,随着通道直径的增加,钢液与壁面的脱离面积减小。
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