电磁软接触连铸结晶器内多物理场耦合数值模拟研究

论文摘要

众所周知在实际连铸生产中常发生非理想的凝固过程,影响铸坯质量。而电磁软接触连铸技术能生产出无振痕无裂纹的连铸坯,这一点已得到冶金工作者的广泛认同,但是钢的电磁软接触连铸技术受众多因素的影响规律尚不清楚。为了确定合理的工艺参数,提供电磁软接触结晶器结构设计的理论依据,以及丰富电磁软接触技术内容,本文首先建立了电磁软接触结晶器内的三维电磁场有限元模型,研究了软接触结晶器内能重点反映电磁场冶金特性的磁感应强度、焦耳热和电磁体积力等物理量的分布特征。在此基础上,建立了电磁软接触连铸结晶器内钢液湍流流动的三维耦合模型,研究了典型参数下软接触结晶器内的钢液运动规律。并进一步针对圆坯电磁软接触连铸结晶器内钢液的流动凝固和应力应变状态,建立了多物理场耦合的二维轴对称数学模型,研究了高频交变电磁场对钢液传热凝固、受力变形的影响规律,以及对软接触结晶器壁温度分布、受力变形的影响规律。从描述电磁场的Maxwell方程组出发,建立了软接触结晶器内的三维电磁场有限元模型,研究了典型参数下软接触结晶器内的电磁场分布规律,对比分析了电源频率、电流强度对结晶器内磁感应强度、电磁体积力、焦耳热生成率的影响规律,以期为之后的流动凝固分析计算提供数据支持和理论基础。结果表明：磁感应强度在空间分布不均,圆坯电磁软接触结晶器内钢液上的焦耳热按结晶器分瓣结构呈周期性不均匀分布,由此会造成凝固坯壳厚度的不均匀分布,并得到了实验验证,需在电磁软接触连铸结构设计和电参数制定时充分考虑。圆坯电磁软接触结晶器内钢液自由表面上的周向电磁力按结晶器切缝、分瓣体中心反方向对称分布,会对钢液有一个拉伸或者推挤作用,影响钢液流动形态。在连续介质模型基础上,建立了软接触结晶器内流体湍流流动的三维数学模型,研究了典型参数下软接触结晶器内的钢液运动规律,并对不同电源频率、电流强度下的流体流动速度、湍动能水平进行了对比分析。结果表明：高频交变电磁场主要对弯月面区域的钢液有力的作用,钢液下段几乎不受电磁场影响。圆坯软接触结晶器自由表面上钢液流动速度按切峰、分瓣体中心反方向对称分布,会使自由表面产生凹凸变形,并得到了实验验证,需在电磁软接触结晶器结构设计和电参数选择时加以充分考虑。钢液纵截面内钢液流动呈现双环流动,上部涡流较常规连铸结晶器涡心位置上移,且漩涡区域扩大,流动速度较常规连铸增加。结晶器内上部熔池的流体速度随电流强度增大而增大,但电流强度大小并不改变熔池中的流动形态。电源频率改变同时影响钢液上部涡流区域速度的大小、方向,提高电源频率,有抑制自由表面波动的作用。在合理简化模型的基础上,通过双向迭代耦合的方法,建立了软接触结晶器内电磁场、流场、温度场和应力场的二维轴对称多物理场耦合模型,并充分考虑了结晶器壁与坯壳的接触问题,且就不同电源频率、电流强度下钢液的温度和应力场分布以及结晶器的温度、应力场、变形场进行了对比讨论。温度场计算结果表明：①软接触结晶器内钢液初始凝固点下降,初始凝固坯壳减薄,但在结晶器出口处凝固壳厚度较常规连铸增厚。②软接触结晶器铜管高温区域扩大,温度梯度也较常规结晶器加大,外壁温度高于冷却水汽化温度,在电磁软接触连铸过程中,应较常规连铸适当提高冷却水流量。应力场计算结果表明：①软接触结晶器内初始连铸坯壳内外表面等效应力值较常规连铸减小,但在结晶器下段内外表面等效应力又较常规连铸增大。②软接触结晶器壁高应力区及高变形区较常规结晶器扩大,负锥度加大。③软接触结晶器内初始凝固区域的坯壳-结晶器壁间气隙较常规连铸减小,下端气隙却较常规连铸增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 磁流体力学在冶金领域的应用
• 1.2 钢的电磁软接触连铸技术特点
• 1.3 钢的电磁软接触连铸技术研究进展
• 1.4 钢电磁软接触连铸技术中存在的问题
• 1.5 连铸结晶器内钢液流动凝固耦合数值模拟研究现状
• 1.6 连铸结晶器内热-力耦合数值模拟研究现状
• 1.7 课题的提出及研究内容
• 第二章 圆坯电磁软接触连铸结晶器内电磁场数值模拟
• 2.1 电磁软接触连铸结晶器内的电磁场控制方程
• 2.1.1 软接触结晶器内电磁场计算微分方程
• 2.1.2 ANSYS谐波分析中物理量的表示方法
• 2.2 电磁软接触结晶器内电磁场计算模型的建立
• 2.2.1 计算模型与网格划分
• 2.2.2 必要的假设与边界条件
• 2.3 电磁场模型可靠性验证
• 2.4 电磁场数值计算结果与分析
• 2.4.1 电磁软接触连铸结晶器切缝形式的选择
• 2.4.2 电磁软接触连铸结晶器内的电磁场分布
• 2.4.3 电磁软接触连铸结晶器内的感应电流分布
• 2.4.4 电磁软接触连铸结晶器内的焦耳热分布
• 2.4.5 电磁软接触连铸结晶器内的电磁体积力分布
• 第三章 圆坯电磁软接触连铸结晶器内流体流动数值模拟
• 3.1 连铸结晶器内钢液流动数学模型
• 3.1.1 结晶器内钢液流动模型建立的基本假设
• 3.1.2 结晶器内钢液流动微分控制方程
• 3.2 电磁软接触连铸结晶器内钢液流动模型
• 3.2.1 电磁软接触连铸结晶器内电磁场与流场的耦合策略
• 3.2.2 边界条件
• 3.2.3 模拟参数
• 3.3 圆坯电磁软接触结晶器内钢液流动的模拟结果及分析
• 3.3.1 圆坯电磁软接触结晶器内钢液流动的基本特征
• 3.3.2 电源频率对电磁软接触结晶器内钢液流动的影响
• 3.3.3 电流强度对电磁软接触结晶器内钢液流动的影响
• 第四章 圆坯电磁软接触连铸结晶器内多物理场耦合数学模型的建立
• 4.1 电磁软接触连铸结晶器内钢液流动凝固数学模型
• 4.1.1 连铸结晶器内钢液的凝固传热分析
• 4.1.2 电磁软接触连铸结晶器内流动凝固微分控制方程
• 4.1.3 钢水凝固潜热的处理
• 4.1.4 补充关系式
• 4.2 电磁软接触连铸结晶器内热-力耦合数学模型
• 4.2.1 电磁软接触连铸结晶器内钢液受力分析
• 4.2.2 连铸坯凝固过程应力场分析模型
• 4.2.3 铸坯表面与结晶器外壁的接触问题
• 4.2.4 关键材料物性参数的选取
• 4.3 圆坯电磁软接触连铸结晶器内多物理场耦合求解策略
• 4.3.1 多物理场耦合求解策略
• 4.3.2 计算模型及网格划分
• 4.3.3 边界条件及模拟参数
• 4.3.4 流动凝固耦合模型的验证
• 第五章 圆坯电磁软接触连铸结晶器内多物理场耦合数值模拟结果
• 5.1 电磁软接触连铸结晶器内温度分布特征
• 5.1.1 高频电磁场对软接触结晶器内钢液温度分布的影响
• 5.1.2 高频电磁场对软接触结晶器温度分布的影响
• 5.2 电磁软接触连铸结晶器内热-力学行为分析
• 5.2.1 高频电磁场对软接触连铸结晶器内连铸坯应力场分布的影响
• 5.2.2 高频电磁场对电磁软接触连铸结晶器的应力场分布的影响
• 5.2.3 高频交变电磁场对电磁软接触连铸结晶器的变形场分布的影响
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 作者简介