电磁场热-力耦合作用下通道内金属液非等温流动及夹杂物迁移机制

Under the effect of induction heating electromagnetic fields, the temperature of molten metal can be regulated and controlled by Joule heating, and inclusion removal from the molten metal can also be improved by promoting non-metallic inclusions collision and aggregation, to achieve the purpose of purifying molten metal. In this project, the molten metal flow and temperature distribution in channel type induction heating tundish is proposed to illustrate the laws of molten metal non-isothermal flow and heat transfer under the effects of Joule heating and electromagnetic force by using the low temperature alloy and oxides particles as experiment material. The rules of the inclusion aggregation and migration in molten metal are investigated by exploring the size, morphology and distribution of inclusion in molten metal. The mechanism of inclusion agglomeration and removal in flowing molten metal is illustrated. The project is significant for basic research in kinetic theory of flowing molten metal and nonmetallic inclusion in molten metal under the coupling action of electromagnetic force and Joule heating. It will also be helpful to develop the kinetic theory of molten metal tundish electromagnetic metallurgy, provide reference data and supporting theory.

感应加热电磁场一方面可以通过焦耳热效应加热金属液来对其温度进行调控；另一方面也可以通过力效应促进金属液中非金属夹杂物碰撞、聚集和去除，从而达到净化金属液的目的。本项目以通道式电磁感应加热中间包为对象，在电磁场焦耳热和电磁力耦合作用下，采用低温合金和氧化物粒子作为模拟介质，研究电磁感应加热中间包内金属液的流动和传热，解析在焦耳热和电磁力耦合作用下，金属液的非等温流动特征和传热规律。通过考察电磁感应加热中间包通道内金属液中非金属夹杂物的形貌、尺寸和分布特征，阐明流动金属液中非金属夹杂物聚集、迁移行为的规律，从而揭示电磁场作用下，流动金属液中非金属夹杂物聚集、去除的作用机理。该研究对焦耳热和电磁力耦合作用下，金属液的非等温流动以及非金属夹杂物聚集和迁移行为研究有重要意义，同时，可以为进一步完善和发展中间包电磁冶金的动力学理论奠定一定的基础，为实际生产提供参考数据和理论支持。

电磁场在控制钢液流动、传热和夹杂物迁移方面有着重要作用。然而，在电磁场作用下钢液的非等温流动和电磁场对夹杂物分布和去除作用的研究尚少见报道。在本研究中，我们研究了通道式电磁感应加热中间包内钢液的流动和传热特性。在电磁感应加热作用下，基于电磁力和焦耳热的耦合作用，在非等温流动条件下，研究了电磁力驱动金属液中非金属夹杂物的碰撞、聚集和迁移行为。同时，对通道式电磁感应加热中间包进行了工业试验，分析了在不同浇注钢包炉下，有无电磁感应加热条件下，中间包内钢液的温度分布和夹杂物传输特征。在电磁场作用下，钢液在通道内的流动随时间的变化而变化，通道横截面上的流动呈现单涡和双涡交替的螺旋式前进。无感应加热条件下，中间包内钢水的温度会下降，钢包内钢液温度的过热度需要控制在20-30 ℃。在电磁感应加热作用下，中间包内形成闭合的感应电流，该感应电流对钢液进行加热。中间包电磁感应加热热补偿可以使钢包过热度控制在5-10 ℃。通过调节感应加热功率的大小来控制连铸中间包内钢液的温度，可有效地控制中间包内钢液有较大的温度波动，可以控制钢液的温度在目标值±3 ℃。可以满足低过热度浇注过程中，连铸中间包内钢水温度的要求。采用扫描电子显微镜的方法获得了中间包感应加热通道上不同截面位置处夹杂物的分布和形貌特征。在电磁感应加热中间包通道中，直径大于9μm的大粒径夹杂物更多地集中在通道边缘，而对直径小于9μm的夹杂物影响不大。该研究结果对于完善电磁场作用下的金属液流动及非金属夹杂物动力学理论以及纯净化冶炼具有重要的学术意义和应用价值。同时，对电磁场作用下金属液中非金属夹杂物的分离效率和分离机制有更进一步的认识，也对工业生产提供工艺参考。