连铸凝固过程热--流--磁--质耦合模型的研究

摘要

连续铸钢生产过程中，电磁搅拌已成为改善铸坯质量的常规装备，本文对电磁搅拌作用下的连铸凝固过程进行研究，是为其工艺优化提供支撑。电磁搅拌作用下连铸凝固过程包含有流动、传热、传质及相变等诸多现象，其本质是一个非常复杂的多场耦合问题。数值模拟技术，是研究这一复杂问题的重要手段。 本文在研究电磁搅拌中电磁场分布规律的基础上，联合描述连铸坯凝固过程中流动、传热、传质现象的动量、能量、溶质守恒控制方程，建立了电磁搅拌作用下的多场耦合数学模型，并给出了相应的求解策略。同时通过开发的相应计算程序，研究了电磁搅拌参数对连铸坯凝固过程中的流速和溶质分布的影响规律。本文主要研究内容如下: (1)利用ANSYS建立电磁搅拌的数学模型。分别对结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌进行了空载、瞬态和谐波分析，研究了电磁搅拌作用下连铸坯内磁感应强度和电磁力随时间和空间变化的分布规律，并与现场实测数据进行对比，验证了模型的正确性; (2)建立电磁场与流场的耦合模型。给出了基于连续模型的动量控制方程，电磁力以方程源项的形式参与计算，确立了磁流耦合场的数学模型，并利用基于有限体积法的改进的QUICK格式对控制方程进行了离散化处理，为方便编程，对各变量进行了编号，确定了利用PISO算法对流场进行求解; (3)建立磁场-流场-温度场-溶质场的多场耦合模型。给出了能量和溶质守恒的控制方程，并分析了各场的控制变量间的耦合关系，给出了固相分率、渗透率和两相区溶质浓度的耦合关系式。在(1)、(2)的基础上建立磁场-流场-温度场-溶质场的四场耦合模型。电磁场对流场进行单向耦合，并实现了VB.NET对ANSYS的二次开发应用;流场、温度场、溶质场进行双向耦合顺序迭代计算，各场间的耦合计算均通过节点传递变量信息; (4)利用自编程序耦合计算电磁搅拌作用下的宏观传输模型，分析了不同电磁搅拌参数下流场的分布规律。 结果表明:谐波分析的电磁力时均值是驱动钢液流动的主要因素，因此将其作为载荷传递给流场;在实际应用的电流强度和频率的范围内，电流强度每增大100A，铸坯内的磁感应强度增大30mT，切片最大切向电磁力增大了2000N/m3，相应切片的最大流速加快了0.08m/s。而随着电流频率的增加，磁感应强度呈微弱减小的趋势，连铸坯内的电磁力增大幅度很小，液相流速变化较小。最后与现场实际应用的电磁搅拌参数下连铸坯凝固偏析质量进行对比，符合其变化规律。

目录

声明

摘要

1．1本课题研究的意义

1．2磁流体力学在冶金中的应用

1．3电磁场作用下连铸宏观传输耦合模型的研究

1．4多场耦合模型的研究现状

1．5本课题的主要研究内容

第2章电磁搅拌模型的建立

2．1电磁搅拌的电磁学基本理论

2．1．1电磁搅拌控制方程

2．1．2电磁力的计算

2．2结晶器电磁搅拌

2．2．1模型的基本假设

2．2．2创建物理环境

2．2．3模型的边界条件

2．2．4谐波分析与瞬态分析载荷的加载

2．2．5空载计算结果分析

2．2．6瞬态结果分析

2．2．7谐波结果分析

2．3凝固末端电磁搅拌技术

2．3．1模型的基本假设

2．3．2创建物理环境

2．3．3计算结果分析

2．4本章小结

第3章磁流耦合模型的建立及求解方法

3．1基本假设

3．2磁流场控制方程

3．3建立离散方程

3．3．1有限体积法

3．3．2改进的QUICK格式离散方程

3．4基于PISO算法的流场数值计算

3．4．1基于同位网格的PISO算法

3．4．2速度修正方程

3．4．3压力修正方程

3．4．4第二修正步

3．4．5方程构造技术

3．4．6交替隐式法求解七对角阵方程组

3．5本章小结

第4章热-流-磁-质耦合模型的建立

4．1能量守恒方程

4．2溶质守恒方程

4．3耦合系数的计算

4．3．1渗透率的计算

4．3．2两相区溶质浓度的计算

4．3．3固相分率的计算

4．4确立边界条件

4．5磁场与流场耦合分析

4．5．1 M-EMS和F-EMS位置的确定

4．5．2建立磁场与流场模型的接口

4．6热-流-磁-质四场控制方程的解耦

4．7本章小结

第5章热-流-磁-质耦合模型模拟结果与分析

5．1．1模型的物性参数

5．1．2模型的相关补充说明

5．2电磁搅拌参数对流场的影响

5．3热-流-磁-质耦合模型的应用

5．4本章小结

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢