薄板坯漏斗形结晶器内电磁连铸过程的数值模拟研究

论文摘要

在国内外钢材市场的激烈竞争和原材料紧缺的大环境下,高效紧凑的现代化近终形连铸连轧技术成为当代钢铁产业的主要发展方向。在近二十年的时间里,薄板坯连铸连轧越来越广泛的被应用到工业生产中;与此同时,电磁冶金技术作为一项提高铸坯质量的先进环保工艺亦得到飞速发展。对于薄板坯漏斗形结晶器而言,由于拉坯速度高、宽厚比大,结晶器内的钢液行为很难控制,容易产生拉漏现象、减少连铸设备使用寿命、降低铸坯质量等。在这种情况下,电磁制动技术应运而生,通过施加外电磁场产生洛仑兹力对运动铸坯进行非接触控制。本研究的目的是采用数值模拟的手段通过电磁制动技术对薄板坯连铸漏斗形结晶器内钢液行为进行控制,找出较为合理的结构参数和操作参数,作为实际工业生产的理论依据。本研究分为两个部分,包括新型电磁制动装置的开发和结晶器内钢液行为的数值模拟,具体如下所述:针对薄板坯连铸Compact Strip Production（CSP）漏斗形结晶器结构的特殊性,在传统电磁制动装置的基础上设计开发了新型电磁制动装置。相比传统制动装置,该制动装置在节约电能、降低生产成本的前提下,能够对钢液行为产生更有效的制动效果,从而更好地改善铸坯表面质量和内部质量并提高生产效率。按照由浅入深,由简单到复杂的次序,成功建立了薄板坯连铸漏斗形结晶器钢液流动、传热、凝固以及电磁场三维数学模型。在缺乏实验数据的前提下,采用经典算例分别对流动、传热、凝固以及电磁场模型进行验证,结果显示,本研究采用的每个模型的计算结果均真实可靠。对于流场计算,采用基于有限容积法的模拟软件CFD—ACE进行模拟研究。在结晶器和浸入式水口结构尺寸一定的前提下,改变水口浸入深度和拉坯速度这两个参数,采用结晶器内流场速度矢量、湍动能分布以及弯月面附近最大速度等作为参考依据对计算结果进行分析,考察了这两个设计参数对结晶器钢液流动的影响。为接下来的深入研究打下坚实的理论基础。电磁场的计算部分,采用基于有限元法的模拟软件ANSYS对本研究开发的新型电磁制动装置产生的磁场在漏斗形结晶器内的分布进行了模拟研究,并与传统电磁制动装置下的结果相比较。结果显示,新型电磁制动装置产生的磁场强度较大;但是磁场分布极不均匀,在结晶器主磁场区中心偏下靠近窄侧壁的位置磁场强度最大,该区域和钢液即将冲击结晶器窄侧壁的区域重合。电磁场模拟还考察了磁动势和制动装置的位置高度对磁场的影响规律,结果显示,随着磁动势的增加,磁场强度随之呈线性增大,但磁场分布形式基本不变;随着制动装置的位置高度的降低,主磁场的位置也随之降低,但是磁场分布趋势不变。对于电磁制动下的流场模拟部分,由于磁场计算采用有限元法,而流场计算采用有限容积法,因此需要通过FORTRAN语言采用线性插值的方法把磁场计算结果导入FLUENT流场计算,同时启动Magnetohydrodynamics（MHD）模块。通过电磁力对钢液湍流流动进行间接控制,结果表明,在电磁力作用下钢液流场得到明显改善。模拟还考察了电磁制动装置结构、磁场位置高度和磁动势对钢液流动的影响,得到如下结论:对同一个流场进行制动并达到相同的制动效果,新型制动装置可以节约40%的磁动势;制动装置的位置高度h越低,流场制动效果越好,弯月面附近的波动速度下降的越快;拉坯速度每增加0.5m/min,相应的磁动势应增大约1000a·n。在电磁场和流场计算结果正确的基础上耦合传热和凝固,更加真实的再现了结晶器内的钢液行为。糊状区钢液流动采用达西源项进行处理,凝固潜热采用显热容法进行处理,考虑热浮升力的影响,对结晶器的侧壁施加第二类边界条件,源项和边界条件的施加采用User-Defined Functions（UDFs）用户自定义程序编写。模拟结果显示,由于湍流热扩散机理的作用,钢液温度场和流场的分布趋势较为一致。对于形状特殊的漏斗形结晶器而言,新型电磁制动装置在制动效果和经济效益两方面显示了其独特的优越性。模拟还考虑了三个磁场位置高度对钢液行为的影响,对于水口浸入深度为300mm、拉坯速度为5.5m/min的情况而言,磁场高度在250mm时的制动效果最好;同时,从节约能源的角度考虑,磁动势为8000a·n即可。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图目录
• 主要符号列表
• 第1章 绪论
• 1.1 薄板坯连铸技术概论
• 1.1.1 薄板坯连铸技术的发展历史及研究现状
• 1.1.2 薄板坯连铸连轧的技术特点和核心技术
• 1.1.3 薄板坯结晶器的传输现象及研究现状
• 1.1.4 薄板坯连铸连轧的发展趋势和新技术
• 1.2 电磁制动技术概述
• 1.2.1 电磁流体力学的发展和应用
• 1.2.2 电磁制动技术的原理及应用
• 1.2.3 电磁制动技术的其他用途
• 1.2.4 电磁制动技术的研究现状
• 1.3 连铸过程研究中应用的模拟技术
• 1.3.1 数值模拟的优点
• 1.3.2 数值模拟的分类
• 1.3.3 数值传热学的发展现状
• 1.4 论文的目的及主要研究内容
• 第2章 漏斗形结晶器内钢液流场的数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 流场物理模型
• 2.3 流场基本假设
• 2.4 数学模型
• 2.4.1 湍流模型简介
• 2.4.2 壁面函数法
• 2.4.3 控制方程
• 2.5 边界条件
• 2.6 数值方法
• 2.6.1 网格的划分
• 2.6.2 控制方程的离散
• 2.6.3 差分格式
• 2.6.4 收敛准则
• 2.7 流场计算模型的验证
• 2.8 钢液流场数值模拟结果与分析
• 2.8.1 流场、迹线和湍动能的比较
• 2.8.2 自由液面处的最大速度
• 2.8.3 最佳设计参数
• 2.9 小结
• 第3章 电磁场数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 电磁场物理模型
• 3.3 电磁场基本理论
• 3.3.1 麦克斯韦方程组
• 3.3.2 一般形式的电磁场微分方程
• 3.4 电磁场数学模型
• 3.5 电磁场数值方法
• 3.6 电磁场模型的验证
• 3.7 电磁场数值模拟结果与分析
• 3.7.1 电磁制动装置结构对结晶器内磁场的影响
• 3.7.2 磁动势对结晶器内磁场的影响
• 3.7.3 制动装置位置高度对结晶器内磁场的影响
• 3.8 小结
• 第4章 电磁制动作用下钢液流场的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 电磁制动基本原理
• 4.3 物理模型
• 4.4 基本假设
• 4.5 数学模型
• 4.5.1 流场数学模型
• 4.5.2 电磁力的导入
• 4.6 边界条件
• 4.6.1 流场边界条件
• 4.6.2 磁场边界条件
• 4.7 数值方法
• 4.8 电磁制动作用下流场的模型验证
• 4.9 数值模拟结果与分析
• 4.9.1 电磁制动装置的结构对流场的影响
• 4.9.2 电磁制动装置的位置高度和磁动势对钢液流场的影响
• 4.9.3 不同拉速下电磁制动对流场的影响
• 4.10 小结
• 第5章 电磁制动下钢液流场、温度场以及凝固的数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 连铸过程中钢坯的凝固
• 5.2.1 结晶器的传热现象分析
• 5.2.2 凝固潜热的处理方法
• 5.2.3 凝固坯壳的测量方法
• 5.3 流动对凝固过程的影响
• 5.4 结晶器内钢液传热和凝固的数值模拟研究的发展和研究现状
• 5.5 物理模型
• 5.6 基本假设
• 5.7 数学模型
• 5.8 边界条件
• 5.9 凝固模型的验证
• 5.10 结果与分析
• 5.10.1 电磁制动装置结构对流动、传热和凝固的影响
• 5.10.2 电磁参数对结晶器内钢液行为的影响
• 5.11 小结
• 第6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