立式电磁制动新技术及其对钢液流动控制效果的数值模拟

摘要

现行的电磁制动技术为上世纪八十年代国外开发的钢液流体流动控制技术，具有减少卷渣、稳定液面波动、促进非金属夹杂物上浮分离和防止漏钢的作用。但是，现行应用的电磁制动技术是在结晶器宽面的水平方向布置固定磁极，当浸入式水口深度或水口出口角度发生变化时，水口出流钢液主流股与磁极位置发生相对变化，难以获得最佳的匹配效果，影响了电磁制动对结晶器内钢液流动的控制效果。 本文针对现行的水平式电磁制动技术与连铸生产工艺条件存在的匹配问题和结构问题，提出了两种应用于板坯连铸过程的新型电磁制动技术，即立式电磁制动(Vertical Electromagnetic Brake，V-EMBr)和立式组合电磁制动(Vertical Combination Electromagnetic Brake，VC-EMBr)。通过在结晶器窄面附近沿结晶器高度方向设置立式磁极，抑制水口出流钢液对结晶器窄面的冲击强度、自由表面的钢液流速和下回流区的冲击深度，从而有效控制结晶器内的钢液流动，提高了连铸坯质量。 本文首先利用ANSYS软件建立了连铸结晶器内的三维电磁场模型，模拟研究了电磁制动结晶器内的三维磁场分布。然后，利用FLUENT软件建立连铸结晶器内钢液流动的三维数学模型，并通过调用MHD（Magnetohydrodynamics）模块和用户自定义函数（User-Defined Function，UDF），加载ANSYS软件求解的磁感应强度，耦合计算流场和磁场，模拟研究电磁制动结晶器内的钢液流动行为。进一步调用离散相模型(Discrete Phase Model，DPM)，模拟研究了板坯连铸结晶器内非金属夹杂物颗粒的运动轨迹。 本文通过数值模拟方法对两种新型电磁制动连铸结晶器内的磁场和流场进行了数值模拟研究，分析研究了电磁参数和工艺参数（拉坯速度、水口浸入深度和水口出口角度）对钢液流动的控制效果，并与现行的水平式电磁制动技术进行了对比分析，为建立和优化新型电磁制动工艺制度提供了理论依据。 两种新型电磁制动的三维磁场数值模拟的主要结论如下: (1)V-EMBr的磁场主要集中在从结晶器自由表面到钢液主射流冲击点的立式磁极覆盖区域内，并在磁极覆盖区域外逐渐衰减，其磁感应强度随电流强度的增加逐渐增强，能够满足连铸电磁制动的要求。 (2)VC-EMBr的水平主磁极产生的磁场能够覆盖整个结晶器宽度范围，立式副磁极产生的磁场能够覆盖从结晶器自由表面到主磁极上端的高度范围，其磁感应强度随电流强度的增加逐渐增强，能够满足连铸电磁制动的要求。 两种新型电磁制动板坯连铸过程的三维流场和夹杂物颗粒运动的数值模拟的主要结论如下: (1)当拉坯速度、水口浸入深度和水口出口角度发生变化时，V-EMBr依然能够产生稳定有效的制动效果，自由表面的最大钢液流速减小约0.16m/s。随着磁感应强度的增加，钢液主射流对结晶器窄面的冲击强度和铸坯窄面的发散流动受到明显抑制，窄面的流速和湍动能均减小，下回流区涡心与结晶器自由表面的距离缩短，下回流区的冲击深度变浅，夹杂物颗粒的去除率逐渐增加。这表明V-EMBr能够有效控制上回流区和钢液主射流冲击区域的流动，有助于稳定结晶器液面波动、减少卷渣以及促进非金属夹杂物的上浮分离。 (2)与全幅一段电磁制动相比，V-EMBr对结晶器内上回流区、自由表面和钢液主射流冲击点的控制作用更加稳定有效。 (3)VC-EMBr结合了V-EMBr与全幅一段电磁制动的特点，既能控制钢液主射流对整个结晶器窄面区域的冲击，又能加强对下回流区冲击深度的控制，实现了对结晶器内钢液流动的全面有效控制。当拉坯速度、水口浸入深度和水口出口角度发生变化时，VC-EMBr依然能够产生稳定有效的制动效果，自由表面的最大钢液流速减小约0.12m/s。随着磁感应强度的增加，下回流区的循环强度和冲击深度显著减弱，钢液主射流对结晶器窄面的冲击强度和铸坯窄面的发散流动明显减小，铸坯窄面的流速和湍动能也减小，夹杂物颗粒去除率逐渐增加。这表明VC-EMBr能够全面稳定结晶器内的钢液流动、降低液面波动、减少卷渣以及促进非金属夹杂物的上浮分离，产生更加显著的冶金效果控制钢液流动。 (4)与全幅二段电磁制动相比，VC-EMBr在稳定控制结晶器内上回流区钢液流动和下回流区钢液流动的同时，还能够有效控制钢液主射流对结晶器窄面的冲击，而且其控制效果受水口浸入深度和水口出口角度变化的影响较小，具有更好的、全面稳定的控制结晶器内钢液流动的冶金效果。 (5)V-EMBr和VC-EMBr的冶金效果受水口参数变化的影响较小，克服了全幅一段和全幅二段的水平式电磁制动在水口浸入深度和水口出口角度变化时，由于其磁极位置与连铸工艺参数匹配不佳，对结晶器内钢液流动控制不稳定的弊端。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1电磁技术的应用

1．2电磁制动技术

1．2．1电磁制动技术的产生背景

1．2．2电磁制动技术的发展过程

1．2．3电磁制动技术的基本原理

1．3电磁制动装置的发展及特点

1．4电磁制动技术的研究情况

1．4．1第一代电磁制动技术

1．4．2第二代电磁制动技术

1．4．3第三代电磁制动技术

1．5磁场和流场的数值模拟方法

1．5．1磁场的数值模拟方法

1．5．2流场的数值模拟方法

1．6计算软件简介

1．7课题的研究意义和研究内容

1．7．1课题的提出及研究意义

1．7．2主要研究内容

第2章立式电磁制动技术的提出与研究

2．1引言

2．2立式电磁制动技术

2．2．1立式电磁制动装置简介

2．2．2立式电磁制动技术的工作原理

2．3结晶器内三维电磁场计算模型

2．3．1电磁场计算控制方程

2．3．2三维磁场计算网格的建立

2．3．3结晶器内三维电磁场的计算

2．4结晶器内三维流场计算模型

2．4．1结晶器内三维流动过程的基本假设

2．4．2结晶器内三维流动过程的控制方程

2．4．3离散相模型控制方程

2．4．4求解区域与计算边界条件

2．4．5结晶器内三维流场及夹杂物颗粒运动的计算

2．5三维电磁场和流场计算模型的验证

2．5．1电磁场计算模型的验证

2．5．2流场计算模型的验证

2．6立式电磁制动结晶器内磁场的研究

2．6．1结晶器内磁感应强度的分布规律

2．6．2电流强度对结晶器内磁感应强度的影响

2．7立式电磁制动结晶器内流场的研究

2．7．1电流强度对结晶器内钢液流动的影响

2．7．2拉坯速度对结晶器内钢液流动的影响

2．7．3水口浸入深度对结晶器内钢液流动的影响

2．7．4水口出口角度对结晶器内钢液流动的影响

2．8立式电磁制动对结晶器内夹杂物颗粒运动的影响

2．9本章小结

第3章立式电磁制动技术与全幅一段电磁制动技术对比评价

3．1全幅一段电磁制动结晶器内磁场的研究

3．1．1结晶器内磁感应强度的分布规律

3．1．2磁极位置对结晶器内磁感应强度的影响

3．2全幅一段电磁制动结晶器内流场的研究

3．2．1磁极位置和水口浸入深度对结晶器内流动的影响

3．2．2磁极位置和水口出口角度对结晶器内流动的影响

3．3立式电磁制动技术与全幅一段电磁制动技术的对比

3．4本章小结

第4章立式组合电磁制动技术的提出与研究

4．1引言

4．2立式组合电磁制动技术简介

4．3立式组合电磁制动结晶器内磁场的研究

4．3．1结晶器内磁感应强度的分布规律

4．3．2电流强度对结晶器内磁感应强度的影响

4．4立式组合电磁制动结晶器内流场的研究

4．4．1电流强度对结晶器内钢液流动的影响

4．4．2拉坯速度对结晶器内钢液流动的影响

4．4．3水口浸入深度对结晶器内钢液流动的影响

4．4．4水口出口角度对结晶器内钢液流动的影响

4．5立式组合电磁制动对结晶器内夹杂物颗粒运动的影响

4．6本章小结

第5章立式组合电磁制动技术与全幅二段电磁制动技术对比评价

5．1全幅二段电磁制动结晶器内磁场的研究

5．1．1结晶器内磁感应强度的分布规律

5．1．2上线圈的电流对结晶器内磁感应强度的影响

5．2立式组合电磁制动技术与全幅二段电磁制动技术的对比

5．3本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的学术成果

作者简介