钢连铸电磁搅拌工艺中磁流体场的数值分析

论文摘要

现代工业对钢材质量要求越来越严格,在钢的连铸工艺中,电磁搅拌技术作为一种可以有效的改善铸坯质量的技术手段已受到广泛的关注和应用。影响钢连铸电磁搅拌效果的因素很多,诸如：钢种、搅拌器位置、电磁搅拌参数以及搅拌器结构参数等,但是影响搅拌效果的主要因素是电磁搅拌参数的合理选取。因此如何优化电磁搅拌参数,优化电磁搅拌器结构设计成为研究电磁搅拌的一个重要问题。本课题以某特殊钢厂小方坯连铸结晶器电磁搅拌工艺和末端电磁搅拌工艺为对象,利用有限元理论建立了结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌的二维和三维有限元计算模型。应用ANSYS程序设计语言,编制了连铸结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌过程的电磁场、流场计算程序,探索性的计算了不同工艺参数条件下的电磁场、电磁力场和流场分布。利用ANSYS软件模型计算的电磁搅拌器典型位置上的磁场分布与实测结果符合良好,模拟结果表明：搅拌器中心位置搅拌效果明显,并且沿Z轴方向向端部逐渐减小。搅拌区域边缘磁感应强度、电磁力自结晶器顶面向下,呈单调上升(增强)或“峰”的位置偏下(结晶器出口)的分布状态。在流场的计算过程中考虑了凝固壳厚度对钢液流动的影响,忽略了钢液流动对磁场的影响。在电磁力作用下钢液在水平方向形成旋转流动,并降低了向下过高的流速,增强了回流。越过搅拌区域后,水平旋转流动的速度逐渐变小。旋转流速随电源电流强度的增大而提高,同时也随着电源频率的增加而提高。在电磁力作用下钢液旋转流速呈双峰值分布,在近壁面处最大。在电磁搅拌模拟计算结果的基础上,结合连铸电磁搅拌现场实际测定的数据以及不同电磁搅拌参数对铸坯质量的影响分析,为在实际生产中确定最佳电磁搅拌参数提供了依据。同时对半圆型的电磁搅拌器进行了模拟计算,得到了半圆型电磁搅拌器内电磁场、电磁力场和流场的分布,以及搅拌器结构参数和工艺参数与电磁场和流场的关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 连铸过程及其发展
• 1.2 磁流体力学简介
• 1.3 连铸电磁搅拌技术概述
• 1.3.1 国内外电磁搅拌技术的发展概况
• 1.3.2 连铸电磁搅拌技术的工作原理
• 1.3.3 连铸电磁搅拌器的类型和冶金效果
• 1.3.4 连铸电磁搅拌的冶金效果
• 1.3.5 连铸中应用电磁搅拌技术时面临的问题
• 1.3.6 影响连铸电磁搅拌效果的因素
• 1.4 电磁搅拌数值模拟计算的研究进展
• 1.5 本课题的研究思路和目标
• 第二章 连铸电磁搅拌技术的数学模型
• 2.1 有限单元法与数值模拟技术
• 2.2 ANSYS软件的应用
• 2.2.1 ANSYS软件应用的技术特点
• 2.2.2 ANSYS软件分析
• 2.3 方坯连铸过程电磁场模拟的数学模型
• 2.3.1 ANSYS电磁场分析理论基础
• 2.3.2 位函数形式的电磁场微分方程
• 2.3.3 复数形式的时谐电磁场的磁矢势法
• 2.3.4 电磁场方程的离散
• 2.3.5 磁矢位分析结果
• 2.4 方坯连铸过程流场模拟的数学模型
• 第三章 方坯连铸电磁搅拌的有限元模型
• 3.1 模拟计算的流程
• 3.2 电磁场计算的有限元模型
• 3.2.1 基本假设
• 3.2.2 物性参数的选取
• 3.2.3 二维有限元模型的建立
• 3.2.4 三维有限元模型的建立
• 3.2.5 电磁场初始条件和边界条件
• 3.2.6 电磁场施加载荷
• 3.3 电磁场和流场的耦合分析
• 3.4 方坯连铸过程中电磁场和流场的耦合计算
• 第四章 方坯连铸电磁搅拌的数值计算
• 4.1 结晶器电磁搅拌的模拟计算
• 4.1.1 结晶器电磁搅拌的电磁场分布
• 4.1.2 结晶器电磁搅拌的电磁力分布
• 4.1.3 结晶器电磁搅拌下钢液的流场分布
• 4.2 末端电磁搅拌器的模拟计算
• 4.2.1 末端电磁搅拌的电磁场分布
• 4.2.2 末端电磁搅拌的电磁力分布
• 4.2.3 末端电磁搅拌钢液的流场分布
• 4.3 小结
• 第五章 半圆型电磁搅拌器的数值计算
• 5.1 半圆型电磁搅拌器的物理模型
• 5.2 半圆型电磁搅拌器的磁场分布
• 5.3 半圆型电磁搅拌器的电磁力分布
• 5.4 半圆型电磁搅拌器的流场分布
• 5.5 小结
• 第六章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 存在的不足和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文