板坯電磁制動(dòng)結(jié)晶器內(nèi)冷卻水熱傳導(dǎo)行為的數(shù)值模擬仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

丁巖，尹騰飛，甘霖，趙孝正，杜穎

（湖南科美達(dá)電氣股份有限公司，414000）

1 前言

薄板坯連鑄連軋技術(shù)因其工藝流程短、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化、能耗低、生產(chǎn)效率高而在鋼鐵冶金領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。而結(jié)晶器內(nèi)的冶金過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的多相流動(dòng)過(guò)程。因此，結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)范圍小、流速高，鋼液流場(chǎng)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)不均勻，會(huì)對(duì)鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，需要對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)和電磁制動(dòng)器的溫度場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化。

為了提高鑄坯的質(zhì)量，工業(yè)上采用電磁制動(dòng)技術(shù)來(lái)控制鋼液的流動(dòng)。對(duì)于鋼水的分析，Harada 等人利用水銀模型研究了不同電磁制動(dòng)方式對(duì)鋼液流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)了水平磁場(chǎng)下液腔內(nèi)的活塞流現(xiàn)象。b.k.li 等采用數(shù)值模擬法研究了在全寬度兩級(jí)電磁制動(dòng)作用下，吹氬對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的影響。Takatani 等分析了從結(jié)晶器水口流出鋼液的穿透能力。Garcia-Hernandez 等人通過(guò)應(yīng)力的角度分析了電磁力對(duì)鋼液流動(dòng)的影響。hami 等結(jié)合前人的相關(guān)研究，采用數(shù)值模擬方法耦合傳熱與凝固，發(fā)現(xiàn)電磁制動(dòng)可以減少鋼液流動(dòng)對(duì)結(jié)晶器窄面的沖擊，改善結(jié)晶器內(nèi)鋼液的速度分布。

綜合以上所述，目前對(duì)于電磁制動(dòng)器內(nèi)部冷卻水系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究較少。某廠的一臺(tái)1850mm ×800mm×700mm 電磁制動(dòng)器是目前國(guó)內(nèi)已實(shí)際應(yīng)用的最廣電磁制動(dòng)器之一，本文通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)建立了電磁制動(dòng)器模型，為了使連鑄過(guò)程中電磁制動(dòng)達(dá)到更合理、更有效的控流效果，本文基于電磁制動(dòng)技術(shù)的基本原理，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)板坯電磁制動(dòng)作用下制動(dòng)器內(nèi)冷卻水熱傳導(dǎo)行為進(jìn)行研宄。通過(guò)對(duì)比分析，討論了工藝參數(shù)對(duì)電磁制動(dòng)器鐵芯溫度和絕緣層壽命的影響，為板式電磁制動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用和傳統(tǒng)電磁制動(dòng)技術(shù)的優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。

2 模型建立

2.1 電磁制動(dòng)器模型的建立

以某廠1850mm×800mm×700mm 電磁制動(dòng)器為研究對(duì)象，適用生產(chǎn)的鋼種為冷成型鋼SPHC，低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼，碳素結(jié)構(gòu)鋼Q195。電磁制動(dòng)器采用PLC 控制，冷卻方式為銅管內(nèi)冷，內(nèi)循環(huán)控制。電磁制動(dòng)器采用12mm×12mm 方形銅管作為線圈圖1 電磁制動(dòng)（2 組，共4 個(gè)線圈）。電磁制動(dòng)器采用6 層線圈依次堆疊纏繞，冷卻水進(jìn)入方式為2 層線圈銅管直連整流柜，其余4 層線圈對(duì)應(yīng)并聯(lián)。冷卻水直連通入速度為0.00035m/s，并聯(lián)的銅管內(nèi)冷卻水速度為0.000175m/s。線圈銅管絕緣層采用聚酰亞胺膠帶和聚酯纖維打包帶雙層包裹，鐵芯采用環(huán)氧玻璃布包裹。圖1 為電磁制動(dòng)整體示意圖。

圖1 電磁制動(dòng)（2 組，共4 個(gè)線圈）整體示意圖

2.2 電磁制動(dòng)器的模型簡(jiǎn)化

電磁制動(dòng)器的總體設(shè)計(jì)模型復(fù)雜，三維模型包含許多復(fù)雜的鈑金結(jié)構(gòu)和小零件。如果不對(duì)原始模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，會(huì)浪費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，而且結(jié)果也不準(zhǔn)確。因此，在簡(jiǎn)化模型的過(guò)程中，主要考慮發(fā)熱嚴(yán)重的零件，忽略發(fā)熱量小的零件，如一些微小的電器元件、螺母等，以加快實(shí)驗(yàn)仿真的速度，保證仿真的精度。在對(duì)電磁制動(dòng)器簡(jiǎn)化過(guò)程中，應(yīng)遵循簡(jiǎn)化后的銅管通電產(chǎn)生的磁通量為飽和狀態(tài)。因此，本文選擇選擇電磁制動(dòng)器的上半線圈作為分析樣本，如圖2 所示。表1 為冷卻水參數(shù)。

表1 冷卻水參數(shù)

圖2 電磁制動(dòng)幾何示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)

在對(duì)電磁制動(dòng)器進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，由于冷卻水管道1 和2 直連，其余4 根管道并聯(lián)和冷卻水管道1 和4直連，其余4 根管道并聯(lián)時(shí)溫度分布相對(duì)分散，溫升小，因此選取這兩種情況做實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，并分別命名為A相和B 相。由于制動(dòng)器內(nèi)殼結(jié)構(gòu)的阻隔，鐵芯部分的高低溫比較顯著。首先，溫度最高的部分是鐵芯中心。其次為鐵芯與線圈接觸的絕緣層。

在電磁制動(dòng)器樣機(jī)上進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電流為電磁制動(dòng)器額定電流600A。額定電壓為250V。圖3 是溫升布點(diǎn)示意圖。溫升實(shí)驗(yàn)狀態(tài)見(jiàn)圖4。

圖3 溫升點(diǎn)位布置圖

圖4 溫升實(shí)驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)后布置點(diǎn)的實(shí)際值和模擬值進(jìn)行匯總比較，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 兩相仿真與實(shí)測(cè)溫升數(shù)據(jù)對(duì)比表

從表2 中可以看出,仿真與實(shí)際值誤差最大的地方在點(diǎn)位3,即B 相上線圈3 絕緣層處，大小為4.92%。其原因是銅管內(nèi)冷卻水的流速不同，在模型的等效簡(jiǎn)化過(guò)程中存在較大誤差。誤差較大的地方主要集中在2 ～8點(diǎn)，即斷路器的點(diǎn)。模擬值與實(shí)際值的誤差總體控制在7%以內(nèi)，符合工程標(biāo)準(zhǔn)。仿真結(jié)果正確，誤差小，對(duì)該型電磁制動(dòng)器的溫升設(shè)計(jì)優(yōu)化具有指導(dǎo)作用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以某廠1850mm×800mm×700mm 電磁制動(dòng)器為原型，建立三維數(shù)值模型，模擬研究了不同冷卻水溫度、不同冷卻水流速和不同銅管壁厚對(duì)鐵芯溫度及對(duì)應(yīng)絕緣層的影響，總結(jié)出以下結(jié)論。

冷卻水溫度、冷卻水流速和銅管壁厚度會(huì)影響電磁制動(dòng)器內(nèi)線圈和鐵芯溫度。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)冷卻水溫度為303.15K，冷卻水管道1 和2 直連，其余4 根管道兩兩并聯(lián)時(shí)，線圈升溫小，溫度分布更加均勻，減少了結(jié)晶器液位波動(dòng)和卷渣。為實(shí)際生產(chǎn)中使用合理的冷卻水管道連接方式，優(yōu)化設(shè)計(jì)電磁制動(dòng)器安裝提供了參考。