钢包电磁搅拌磁流耦合模拟研究

论文摘要

钢包电磁搅拌是钢包精炼过程中的一种重要的搅拌方式。钢包电磁搅拌是利用搅拌器在钢液中产生的电磁力驱动钢包中钢液流动,这种流动能够很好改善钢包精炼过程中的流动、传热和传质条件,满足钢包精炼过程中的热力学和动力学要求。钢包电磁搅拌方法结合钢包精炼的其它手段如电弧加热等,可以产生良好的冶金效果;同时,钢包电磁搅拌具有高的可靠性、安全性和经济性,能够显著提高钢铁企业的产品质量和生产效率。本文利用大型通用有限元软件ANSYS,以电磁场和流场基本理论为基础,建立了电磁搅拌作用下,钢包内部电磁场和流场的三维有限元模型,模拟了钢包电磁搅拌下钢包内部磁场的分布形态和钢液在电磁力作用下的速度分布。模拟结果表明:在线圈加载电流的作用下,搅拌器周围产生交变的电磁场;钢液中的磁感应强度沿钢包半径方向上显现剧烈的衰减;电磁力的总体方向是向上的,从而推动钢液沿钢包壁向上运动,进而使钢液形成一个大的单一循环流动;钢包内的速度和湍流动能分布均匀。这种钢包流动状态具有良好的冶金热力学和动力学条件,能够满足钢包冶金的要求。本文比较了一个90t钢包电磁搅拌器,在搅拌器线圈缠绕方式和电流供电方式不同的情况下,钢包内磁场和流场的分布情况。结果表明它们在钢包内产生的磁场和流场分布趋势相同,数值不同,对于90t钢包电磁搅拌器优先选择集中式绕组,加载两相低频电流的电磁搅拌器。本文进一步探讨了电磁搅拌器与钢液不同的距离参数和电磁搅拌器不同工艺参数下,钢包内磁场和流场分布。在实际工作条件允许的情况下,应尽量减小钢包和搅拌器之间的距离,从而增加钢液所受到的电磁力,使钢液的速度进一步提高,因此可以起到很好的搅拌效果。搅拌器频率和电流强度的增加有利于提高钢液的搅拌强度和增加搅拌区域,但太高的钢液流速并不有利于钢液的精炼,选择频率范围在1.1Hz-1.8Hz,电流强度在800A-1200A的工艺条件能够满足钢包精炼成分和温度均匀的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 炉外精炼
• 1.2 LF 精炼法
• 1.2.1 LF 炉精炼原理
• 1.2.2 LF 的处理效果
• 1.3 ASEA-SKF 精炼法
• 1.4 钢液的搅拌
• 1.4.1 气体搅拌
• 1.4.2 电磁搅拌
• 1.5 钢包电磁搅拌的使用效果
• 1.5.1 冶金效果
• 1.5.2 可操作性
• 1.5.3 环保节能
• 1.5.4 钢包电磁搅拌的成本分析
• 1.5.5 钢包电磁搅拌在国内外的研究与应用
• 1.6 本课题选题背景、意义和研究内容
• 2 钢包电磁搅拌数值模拟的理论基础
• 2.1 电磁场基本理论
• 2.1.1 麦克斯韦方程组
• 2.1.2 一般形式的电磁场微分方程
• 2.1.3 电磁场中常见边界条件
• 2.1.4 有限元法求解电磁场简介
• 2.2 流体力学的基本理论
• 2.2.1 流体本构方程
• 2.2.2 质量守恒方程
• 2.2.3 动量守恒方程
• 2.2.4 能量守恒方程
• 2.2.5 湍流模型
• 2.2.6 钢包中钢液的流动数学模型
• 2.3 电磁感应流动的基本方程
• 2.4 ANSYS 软件
• 2.4.1 ANSYS 分析过程
• 2.4.2 ANSYS 磁场与流体动力学分析
• 2.4.3 ANSYS 耦合分析
• 3 钢包电磁搅拌的数值模拟
• 3.1 物理模型
• 3.1.1 LF-VD 精炼工艺
• 3.1.2 线型搅拌装置的基本类型
• 3.1.3 供电方式
• 3.1.4 钢包电磁搅拌数学模型建立
• 3.2 模拟计算方案
• 3.3 数值模拟计算结果分析
• 3.3.1 钢包电磁搅拌磁场分析
• 3.3.2 钢包电磁搅拌流场分析
• 4 搅拌器参数对钢包内磁场、流场的影响
• 4.1 搅拌器安装位置对钢包内磁场、流场的影响
• 4.2 搅拌器加载电流频率对钢包内磁场、流场的影响
• 4.3 搅拌器加载电流强度对钢包内磁场、流场的影响
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢