电磁搅拌大方坯连铸结晶器内电磁场与流场及温度场耦合过程数值模拟

电磁搅拌大方坯连铸结晶器内电磁场与流场及温度场耦合过程数值模拟

论文摘要

连铸结晶器电磁搅拌正成为控制铸坯的凝固过程、改善凝固组织、提高铸坯质量的有效手段。因此针对具体的连铸工艺,开展电磁搅拌下结晶器内的过程研究具有十分重要的意义。本文以某厂大方坯连铸结晶器电磁搅拌为研究对象,采用数值模拟的方法,建立了描述电磁场、流场以及温度场分布的数学模型,并分别用有限元、有限体积法求解。得出了结晶器电磁搅拌下,铸坯内磁场、流场和温度场的分布规律,同时分析了励磁电流强度、频率以及拉速的影响。研究表明:(1)铸坯中磁感应强度在搅拌器中心最大,向两端逐渐减小,而在水平剖面内,磁场分布比较均匀。电磁力在铸坯水平剖面上呈周向分布,且切向电磁力与到中心距离成正比。沿拉坯方向切向电磁力在搅拌器中心最大,而在结晶器下口处又有一峰值。磁感应强度和电磁力均随励磁电流强度的增大而增大,频率为4.0Hz时,励磁电流每增加100A,搅拌器中心的磁感应强度就增加约7.5mT,而最大切向电磁力由200A的325N/m3,增大到600A的2890N/m3。随着频率的增加,结晶器内磁感应强度减小,而电磁力先增大后减小,且在8.0Hz时出现最大值。(2)未加电磁搅拌时,钢水从浸入式水口吐出,向下侵入液相穴深处,然后沿凝固面一侧向上回流,形成单一的环流。加电磁搅拌后,从浸入式水口吐出的钢水在电磁搅拌的有效区由垂直向下转变为水平旋转,形成旋转流动的主流区;而主流区上方的钢水形成由中心向下而由凝固面一侧向上的环流;与此相反,在主流区下方的钢水形成由凝固面一侧向下而由中心向上的环流。搅拌参数为400A、4.0Hz时,最大切向速度达到0.28m/s,励磁电流强度每增加100A,切向速度就增加约0.073m/s。电磁力越大,搅拌强度越大,钢水流股的侵入越浅,二次流现象越突出。(3)未加电磁搅拌时,过热钢水从浸入式水口吐出,向下流动,过热度缓慢消失,在铸坯断面上,其芯部温度高,而向凝固面一侧急剧下降,其温度分布成驼峰状。加电磁搅拌后,旋转搅拌导致钢水的流动方向由垂直向下变为水平旋转,阻断了从浸入式水口流出的过热钢水,使其侵入深度变浅,从而使轴向温度迅速降低,而径向温度升高,导致凝固面前沿的温度梯度增大,有利于传热。搅拌强度越大,热区位置越高。(4)通过数值模拟得出电磁搅拌参数范围为400-700A、4.0-8.0Hz,现场实验表明优化参数为600A、4.0Hz。此时最大切向电磁力为2890N/m3,最大切向速度0.45m/s,顶表面最大切向速度为0.051m/s,且钢水二次流现象突出,热区位置得到了提高。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 我国连铸技术的现状
  • 1.2 连铸电磁搅拌技术
  • 1.2.1 电磁搅拌的实质
  • 1.2.2 电磁搅拌器的工作原理
  • 1.2.3 电磁搅拌技术的特点
  • 1.2.4 连铸电磁搅拌技术的类型
  • 1.2.5 连铸结晶器电磁搅拌的冶金机理及效果
  • 1.3 连铸电磁搅拌过程数值模拟
  • 1.3.1 数值模拟的作用和意义
  • 1.3.2 方/圆坯电磁搅拌数值模拟概况
  • 1.4 本文研究的目的及主要内容
  • 第二章 结晶器电磁搅拌三维电磁场数值模拟
  • 2.1 电磁场数学模型
  • 2.1.1 基本假设
  • 2.1.2 电磁场基本方程
  • 2.1.3 电磁场的求解
  • 2.1.4 ANSYS分析谐性磁场的主要步骤
  • 2.2 有限元模型的建立
  • 2.2.1 结晶器电磁搅拌装置及网格化
  • 2.2.2 载荷与边界条件
  • 2.2.3 物性参数的选取
  • 2.3 模型验证
  • 2.3.1 磁场测试原理
  • 2.3.2 模型的实验验证
  • 2.4 结果与分析
  • 2.4.1 结晶器电磁搅拌下电磁场分布规律
  • 2.4.2 励磁电流强度对电磁场的影响
  • 2.4.3 励磁电流频率对电磁场的影响
  • 2.4.4 结晶器内有无钢液对磁场的影响
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 大方坯结晶器电磁场与流场及温度场耦合过程的数值模拟
  • 3.1 流场和温度场数学模型
  • 3.1.1 基本假设
  • 3.1.2 流场和温度场控制方程
  • 3.1.3 边界条件
  • 3.2 流场和温度场的求解
  • 3.2.1 通用方程的离散
  • 3.2.2 SIMPLEC算法
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 流场和温度场分布规律
  • 3.3.2 励磁电流强度对流场和温度场的影响
  • 3.3.3 励磁电流频率对流场和温度场的影响
  • 3.3.4 拉速对流场和温度场的影响
  • 3.3.5 合理搅拌工艺参数的确定
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 现场应用与工艺参数优化
  • 4.1 结晶器电磁搅拌强度对铸坯内部质量的影响
  • 4.2 大方坯连铸结晶器电磁搅拌的基本要求与特征
  • 4.3 本章小结
  • 第五章 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读学位期间发表的论文
  • 论文包含图、表、公式及文献
  • 相关论文文献

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