大方坯结晶器流场的数理模拟

论文摘要

结晶器作为连铸生产过程中净化钢质的最后一个环节,其内部钢水流动形态对夹杂物的排除、保护渣的卷入、凝固坯壳的形成及其组织结构等都有重要的影响。在结晶器尺寸一定的条件下,确定合适的水口结构及其浸入深度,获得合理的流场,对于提高铸坯质量和安全生产具有重要意义。某公司计划生产350mm×320mm,350mm×250mm,220mm×220mm三种断面铸坯,本实验主要根据物理模拟并结合数值模拟为不同断面铸坯确定合理的工艺参数和电磁搅拌参数,设计合适的水口结构。主要结论如下：（1）提高拉速结晶器内流股冲击深度增加,以及液面不稳定,对于350mm× 320mm断面铸坯,浸入深度100mmm,拉速大于0.9m/s时,出现卷渣现象。（2）生产350mm×320mm断面铸坯,拉速为0.8m/s,增加水口浸入深度有助于减小液面波动,但增加了向下冲击深度,这不利初生坯壳的长大和夹杂物、气泡的上浮。为了获得合理的流场,建议水口插入深度控制在80-120mmm之间。（3）增加浸入式水口内径,液面无明显变化,冲击深度变小。（4）生产350mm×320mm断面铸坯,拉速为0.8m/s,水口浸入深度为100mmm时,采用直通型水口液面波动小,冲击深度大。采用双侧口水口,液面活跃,对壁面冲击严重,容易发生漏钢事故。（5）断面350mm320mm,350mm×250mm铸坯采用直通型水口（φ=45mmm）,断面220mm×220mm铸坯采用直通型水口（φ=25mm）。（6）加电磁搅拌后,流股冲击深度明显变浅,自由液面更加活跃。结晶器内流场得到明显改善,有利于扩大铸坯内部等轴晶所占的比率,减少中心偏析、中心疏松、中心缩孔等缺陷。（7）对于350mm×320mm断面铸坯,拉速为0.8m/s,水口浸入深度为100mmm,电磁搅拌参数为400A、3Hz时,结晶器中心截面最大切向速度达到了0.45m/s,在此速度下能产生了足够大的离心力和剪切力,有效地折断枝晶,同时清刷凝固面前沿。顶表面最大切向速度为0.041m/s,液面波动合理,弯月面附近的钢水有一定的流动速度,使保护渣熔融良好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 连铸技术的发展概况
• 1.2 结晶器内流场的研究现状
• 1.2.1 国外对结晶器内流场的研究
• 1.2.2 国内对结晶器内流场的研究
• 1.3 水口设计原则
• 1.4 连铸电磁搅拌技术
• 1.4.1 电磁搅拌原理
• 1.4.2 电磁搅拌的冶金效果
• 1.5 研究目的及主要内容
• 第2章 大方坯结晶器流场物理模拟
• 2.1 实验原理
• 2.1.1 相似原理
• 2.1.2 模拟准数的确定
• 2.2 实验模型设计
• 2.3 实验方案
• 2.3.1 实验装置
• 2.3.2 实验方法
• 2.3.3 实验步骤
• 2.4 实验结果与讨论
• 2.4.1 拉速对结晶器流场的影响
• 2.4.2 浸入深度对结晶器流场的影响
• 2.4.3 水口内径对结晶器流场的影响
• 2.4.4 不同底部水口对结晶器流场的影响
• 2.4.5 不同断面采用最优水口的实验情况
• 2.5 本章小结
• 第3章 大方坯结晶器流场数值模拟
• 3.1 结晶器数学模拟研究方法
• 3.1.1 基本假设
• 3.1.2 基本方程
• 3.1.3 边界条件
• 3.1.4 控制方程的离散和求解
• 3.1.5 数值模拟求解问题的步骤
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 拉速对结晶器流场的影响
• 3.2.2 浸入深度对结晶器流场的影响
• 3.2.3 水口内径对结晶器流场的影响
• 3.2.4 不同底部水口对结晶器流场的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 大方坯结晶器电磁搅拌磁场数值模拟
• 4.1 电磁场数学模型
• 4.1.1 数学模型的假设
• 4.1.2 电磁场基本理论与方程
• 4.1.3 电磁场方程的求解
• 4.2 有限元模型的建立
• 4.2.1 结晶器电磁搅拌器模型及网格
• 4.2.2 模型物性参数
• 4.2.3 模型假设、载荷和边界条件
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 结晶器电磁搅拌下电磁场分布规律
• 4.3.2 电流强度对电磁场的影响
• 4.3.3 电流频率对电磁场的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 电磁搅拌磁场与流场耦合数值模拟
• 5.1 模型的建立和计算
• 5.2 实验结果与讨论
• 5.2.1 电磁搅拌下流场分布
• 5.2.2 电流强度对流场的影响
• 5.2.3 电流频率对流场的影响
• 5.3 合理搅拌工艺参数的确定
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢