电渣重熔系统电磁场及流场分析

论文摘要

电渣熔铸独具提高金属纯净度、控制凝固组织及近终成型达到毛坯精化三重功能。电渣重熔件的结晶组织均匀、致密、纯度高、含硫量低、非金属夹杂物少、有较高的韧性、抗疲劳性能及焊接性能。电渣重熔产品应用十分广泛,涉及机械、化工、交通运输、航空航天、原子能和军工等部门。本课题以电渣重熔的电极、渣池、钢液和钢锭为研究对象,利用有限元理论建立了电渣重熔系统模型以及外加电磁场搅拌模型的三维有限元计算模型。应用ANSYS有限元分析软件,编制了电渣重熔过程的电磁场、流场计算程序,探索性地研究了不同工艺参数条件下的磁感应强度、电磁力和电流密度的分布情况。利用ANSYS软件模型计算所得的电渣重熔系统模型典型位置上的电流密度、磁场和流场分布与实际结果符合良好,模拟结果表明：由于集肤效应的作用,电流在自顶往下流时,集中在电极表面区域,且数值在径向由外向内逐渐减小,最后集中于端头的凸面,在端头顶点达到最大值；在钢液区,电磁力方向指向中心,数值从两边向中心递减,在参数为10kA、25hz频率交流电作用下,单元电磁力最大值在表面,中心处为0；电磁场在电极、钢液和钢锭区呈旋转分布,渣池的磁感应强度和电流密度趋于0；随着频率的增大,电流分布的趋肤现象越明显。在频率达到35hz时电极和钢锭中心产生的反向涡流大于源电流,在近中心两边出现小范围回流,回流峰值随频率增大而增大。在电磁力作用下,钢液流场分布为：在钢液壁面附近出现两个对称的旋流,在近渣液面达到最大流速0.059m/s。在电磁搅拌模型中,探索研究了渣池、钢液和钢锭的电磁场和流场分布情况,结果表明：在搅拌装置作用下,在钢液区产生旋转电磁力,电磁力的大小随着频率增大而增大。在给定搅拌参数为100A电流5hz频率的计算条件下,最大磁感应强度为0.026T,最大电流密度为33537A/m2；渣池电磁力约为0.45e-10N,相对钢液电磁力可忽略不计。在搅拌电磁力作用下,钢液区形成一个旋转形流场,表面最大流速为0.20m/s,中心流速为0。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 电渣重熔基本过程及特点
• 1.2 电渣重熔的发展历程及应用
• 1.2.1 国外电渣重熔发展历程
• 1.2.2 国内电渣冶金的发展和应用状况
• 1.3 电渣重熔未来的发展趋势和新技术
• 1.4 电磁搅拌的工作原理和冶金效果
• 1.4.1 电磁搅拌的工作原理
• 1.4.2 电磁搅拌的冶金效果
• 1.5 电渣重熔数值模型研究的进展
• 1.6 本课题研究的内容及意义
• 1.6.1 本课题研究的内容
• 1.6.2 研究的目的和意义
• 第2章 电渣重熔过程的数学模型
• 2.1 有限元和数值模拟技术
• 2.2 ANSYS软件介绍
• 2.2.1 ANSYS软件概述
• 2.2.2 ANSYS软件功能
• 2.2.3 ANSYS软件的应用
• 2.2.4 ANSYS软件的技术特点
• 2.3 电渣重熔过程中电磁场数学模型
• 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 电渣重熔过程中流场数学模型
• 第3章 电渣重熔的有限元模型
• 3.1 ANSYS软件模拟流程图
• 3.1.1 电渣重熔系统电磁场模拟流程图
• 3.1.2 外加电磁搅拌模型电磁场和流场的模拟流程图
• 3.2 电磁场计算有限元模型
• 3.2.1 基本假设
• 3.2.2 物性参数的选取
• 3.2.3 三维有限元模型的建立
• 3.2.4 电磁场初始条件和边界条件
• 3.2.5 电磁场施加的载荷
• 3.3 电磁场和流场的耦合场分析
• 3.3.1 耦合场分析的概述
• 3.3.2 电渣重熔中的电磁场和流场的耦合
• 第4章 电渣重熔系统电磁场的分析
• 4.1 电渣重熔系统的电磁场分布
• 4.1.1 通体电磁场分布
• 4.1.2 电极电磁场分布
• 4.1.3 钢液电磁场分布
• 4.1.4 渣池电磁场分布
• 4.1.5 回流现象
• 4.2 频率参数对模型电磁场分布的影响
• 4.2.1 频率对磁感应强度的影响
• 4.2.2 频率对电流密度的影响
• 4.2.3 频率对钢液电磁力分布的影响
• 第5章 外加电磁搅拌电磁场分析
• 5.1 电磁场分布
• 5.1.1 通体电磁场分布
• 5.1.2 线圈电磁场分布
• 5.1.3 钢液区电磁场分布
• 5.1.4 渣池电磁场分布
• 5.2 频率对电磁场分布的影响
• 第6章 电渣重熔系统流场分析
• 6.1 电渣重熔系统流场分析
• 6.2 电磁搅拌模型流场分析
• 第7章 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.1.1 电渣重熔系统模型
• 7.1.2 外加电磁场搅拌模型
• 7.2 存在的不足和展望
• 参考文献
• 致谢