大圆坯连铸电磁搅拌下传输行为和拉矫力能参数的研究

摘要

连铸大圆坯已被广泛用于替代模铸坯料生产大口径无缝钢管、大尺寸环形锻件以及高速机车车轮等高附加值产品。然而，大圆坯连铸具有断面尺寸大、拉坯速度低的特点，导致铸坯凝固时间长，凝固收缩量大，生产中容易产生中心缩孔、中心裂纹和中心偏析等内部质量问题，而电磁搅拌技术是改善这些质量问题的重要手段。另外，对于圆坯连铸还需要控制好铸坯的不圆度。因此，研究电磁搅拌作用下大圆坯连铸过程中的传输行为，并分析拉坯矫直过程中的力能参数，对提高铸坯质量有着十分重要的意义。
　　本文以某钢厂Φ600mm大圆坯连铸机为对象，重点研究了大圆坯连铸过程中的宏观传输现象。通过数值模拟分别研究了结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌作用下的电磁场分布、钢液流动以及凝固传热行为；研究了圆坯连铸凝固坯壳的生长规律，提出了定量化确定二冷区铸坯目标表面温度的方法。另外，通过分析大圆坯连铸拉坯矫直过程中的力能参数，提出了定量化确定圆坯连铸拉矫机压力分配的方法。本文主要的研究内容和获得的结果如下：
　　①基于连铸电磁搅拌过程的磁流体力学特点，明确了电磁场问题和流动问题的解耦条件，即：磁雷诺数远远小于1，且无量纲角频率远远小于1。通过对比研究，低雷诺数 k-ε模型最适用于分析电磁搅拌作用下的流动与凝固耦合问题。在此基础上，建立了描述电磁搅拌下连铸过程钢液流动和凝固传热的耦合数学模型。
　　②通过数值模拟研究了结晶器电磁搅拌作用下大圆坯结晶器内的三维电磁场、流场和温度场，并用实测的磁感应强度值验证了电磁场数学模型和求解方法的正确性，用描述凝固坯壳生长规律的经验公式验证了流动–凝固数学模型和求解方法的正确性。研究结果表明，随着电流频率的增大，电磁力先增大后减小并在2.5Hz时达到最大。结晶器电磁搅拌产生的焦耳热非常小，在传热计算中可忽略不计。考虑凝固现象后，电磁搅拌下钢液的旋转流速明显减小，证明凝固坯壳对搅拌强度的影响明显。随着搅拌强度的增强，钢液由稳态流动变为非稳态流动，并出现偏流。结晶器旋转电磁搅拌使从浸入式水口吐出的流股的侵入深度变浅，从而提高了结晶器内温度，有利于传热。结晶器旋转电磁搅拌导致弯月面中心出现凹陷，且搅拌强度越大，凹陷程度越明显，这可能会引起卷渣和钢液二次氧化。搅拌器中心与铸坯圆心不重合时，电磁力在铸坯横截面上仍呈周向分布，但磁感应强度和电磁力都出现不对称分布。
　　③模拟研究了凝固末端电磁搅拌作用下连铸大圆坯的三维电磁场、流体流动和凝固传热行为，并用实测的磁感应强度值和铸坯表面温度值验证了耦合模型和计算方法的正确性。研究结果表明，位于圆坯1/2半径和1/3半径处的电磁力在频率为10Hz时达到最大，然后逐渐减弱。凝固潜热释放模式对糊状区的形态影响明显，采用平衡凝固模式更为合理。凝固末端电磁搅拌的安装位置距弯月面越近，则糊状区面积越大，搅拌速度也越大。在持续搅拌模式下，搅拌速度以一定周期在波峰波谷之间变化。
　　④建立了圆坯二冷凝固传热的一维瞬态数学模型，研究了圆坯连铸凝固坯壳的生长规律，并采用实测数据进行了验证。以此为基础，提出了圆坯连铸二冷区目标表面温度的确定方法，即采用下式作为连铸圆坯的热流密度分布所计算出的铸坯表面温度，此公式省略，式中，此公式省略，
　　运用建立的模型和方法，优化了大圆坯连铸的二冷分区，制定了二冷水表，研究了工艺参数对连铸凝固传热的影响。
　　⑤基于矫直区圆坯横断面上温度和应力的分布规律，推导了圆坯连铸下滑阻力的计算式，建立了圆坯矫直力矩和矫直力的计算模型，提出了确定拉矫机压力分配的方法。
　　综上所述，本文以提高连铸大圆坯的质量为目标，模拟研究了电磁搅拌作用下铸坯内的宏观传输行为，分析了拉坯矫直过程中的力能现象，确定了连铸生产中的关键工艺参数，并在生产实践中取得了良好的应用效果。

目录

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英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 大圆坯连铸技术

1.2 电磁搅拌技术在连铸中的应用

1.3 连铸过程传输行为数值模拟的研究进展

1.4 连铸拉坯矫直过程力能参数的研究进展

1.5 本论文的研究内容与创新点

2 连铸电磁搅拌的磁流体力学模型构建

2.1 连铸电磁搅拌的磁流体力学基础方程

2.2 电磁–流动问题的解耦条件

2.3 旋转电磁搅拌下的湍流模型

2.4 电磁搅拌作用下流动与凝固的耦合数学模型

2.5 本章小结

3 大圆坯连铸结晶器电磁搅拌下的流场和温度场研究

3.1 模拟计算条件

3.2 电磁场模拟的结果与讨论

3.3 流场与温度场模拟的结果与讨论

3.4 电磁搅拌对结晶器钢/渣界面形貌的影响

3.5 偏心电磁搅拌的研究

3.6 本章小结

4 大圆坯连铸凝固末端电磁搅拌下的流动与凝固行为研究

4.1 模拟计算的条件

4.2 电磁场模拟的结果与讨论

4.3 流动与凝固模拟的结果与讨论

4.4 本章小结

5 大圆坯连铸二次冷却的优化研究

5.1 圆坯连铸凝固传热模型

5.2 控制方程的离散

5.3 圆坯连铸二冷区目标表面温度的确定

5.4 大圆坯连铸二次冷却的仿真与优化

5.5 工艺参数对凝固传热的影响

5.6 本章小结

6 大圆坯连铸拉坯矫直过程力能参数的研究

6.1 连铸大圆坯拉坯矫直过程中的受力

6.2 圆坯连铸下滑阻力的计算

6.3 圆坯连铸矫直力矩的计算

6.4 圆坯连铸矫直力的计算方法

6.5 大圆坯连铸拉矫机的压力分配

6.6 本章小结

7 大圆坯连铸生产工艺与铸坯质量

7.1 大圆坯连铸生产工艺实践

7.2 连铸大圆坯的质量

7.3 本章小结

8 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录