电磁搅拌圆坯连铸结晶器电磁场与流场的数值模拟研究

摘要

连铸电磁搅拌技术是改善铸坯质量的重要技术手段。它是借助在铸坯液相穴内感生的电磁力强化液相穴内钢水的运动，从而控制铸坯的凝固过程。连铸电磁搅拌能够促进凝固前沿冷热钢水混合，降低温度梯度，改善铸坯的凝固组织，提高钢液的洁净度，扩大等轴晶区，减少成分偏析，减轻或消除中心疏松和中心缩孔等。对电磁搅拌作用的基础理论研究主要是通过理论解析和数值模拟的方法。由于进行理论解析是非常困难的，因此，对其进行数值模拟计算就显得非常必要。
　　本课题以某厂圆坯连铸结晶器电磁搅拌器为研究对象，利用ANSYS软件建立电磁搅拌圆坯结晶器电磁场的计算模型，求解获得电磁场的分布规律以及不同工艺参数对其的影响机理，并通过现场实测数据验证模型的准确性。结果表明:(1)所建立的模型是合理的。(2)磁感应强度在轴线方向上由搅拌器中心向两头逐渐减小，在水平方向上由圆心向边缘逐渐增大。切向电磁力在搅拌器中心取得最大值，在结晶器出口处由于没有了铜管的屏蔽作用而出现回增现象;在水平方向上随着距圆心距离的增加而增大。(3)磁感应强度与电流强度为线性增加关系。当电流频率为2.5Hz时，电流强度每增加100A，搅拌器中心位置的磁感应强度约增加12mT。切向电磁力与电流强度为近似抛物线增加关系。(4)磁感应强度与电流频率为线性减小关系。当电流强度为400A时，电流频率每增加1Hz，搅拌器中心位置的磁感应强度约减小6.8mT。切向电磁力随着电流频率的增加呈先增大后减小的趋势，在频率为8.0Hz时达到最大值。
　　利用CFX软件建立电磁搅拌圆坯结晶器流场的计算模型，将电磁场模拟得到的电磁力的时均值作为方程式源项加入到动量方程中，求解获得流场的分布规律以及不同工艺参数对其的影响机理。结果表明:(1)无电磁搅拌时，钢液在水平方向上流速很小，搅拌器中心水平面的最大流速仅为0.010m/s。在轴线方向上，形成简单的一次流模式。(2)有电磁搅拌时，钢液在水平方向上呈漩涡状流动，切向速度在距圆心135mm位置处达到最大，而后由于壁面效应迅速减小，当电流强度为400A、电流频率为2.5Hz时，切向速度的最大值为0.560m/s。在轴线方向上，则形成一个特殊的二次流模式。(3)随着电流强度的增加，切向速度增大，主环流区位置提高，下环流区域的范围增大;随着电流频率的增加，流场的变化规律与电流强度增加时相同;拉速对切向速度的影响较小，但提高拉速会使钢液的初始速度增大，主环流区位置下降，下环流区域的范围缩小。
　　根据数值模拟得到的合理工艺参数的范围，在目前现有工艺条件的基础上，针对工业现场结晶器电磁搅拌的工艺参数进行优化试验，并对不同试验参数下圆坯的低倍质量进行检测，结果表明:(1)与电流频率相比，电流强度对中心等轴晶率的影响更加显著。当电流强度为380A时，中心等轴晶率已基本饱和，最大值达到38.4％，此时继续增加电流强度对提高圆坯等轴晶率意义不大。(2)综合考虑不同试验参数下的中心等轴晶率和低倍缺陷评级结果，获得本课题所研究的结晶器电磁搅拌的最优工艺参数为:电流强度为400A、电流频率为2Hz。在最优工艺参数下，中心等轴晶率为38.2％，中心疏松的平均级别为0.95级。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 本课题研究的目的和意义

1．3 课题的主要研究内容

第2章 文献综述

2．1 连铸电磁搅拌技术概况

2．1．1 连铸电磁搅拌技术的基本原理

2．1．2 连铸电磁搅拌技术的特点

2．1．3 连铸电磁搅拌器的分类

2．1．4 结晶器电磁搅拌技术的冶金作用

2．1．5 连铸电磁搅拌技术的发展概况

2．2 连铸结晶器电磁搅拌的数值模拟

2．2．1 连铸结晶器电磁搅拌的数值模拟的概述

2．2．2 连铸结晶器电磁搅拌的数值模拟的方法

2．2．3 连铸结晶器电磁搅拌的数值模拟的计算软件

2．2．4 连铸结晶器电磁搅拌数值模拟的研究概况

2．2．5 结晶器电磁搅拌合理工艺参数的确定方法

2．3 文献评述

第3章 电磁搅拌圆坯结晶器电磁场的数值模拟

3．1 电磁场数学模型

3．1．1 基本假设

3．1．2 电磁场基本方程

3．1．3 电磁场方程的求解

3．1．4 ANSYS软件简介

3．2 有限元模型的建立

3．2．1 建立结晶器电磁搅拌器模型

3．2．2 划分网格

3．2．3 模型物性参数

3．2．4 模型载荷

3．2．5 模型边界条件

3．3 模型验证

3．3．1 磁场测量原理

3．3．2 模型的试验验证

3．4 模拟结果和分析

3．4．1 电磁搅拌结晶器电磁场的分布规律

3．4．2 有无钢液对电磁场分布规律的影响

3．4．3 电流强度对电磁场分布规律的影响

3．4．4 电流频率对电磁场分布规律的影响

3．5 本章小结

第4章 电磁搅拌圆坯结晶器流场的数值模拟

4．1 流场数学模型

4．1．1 基本假设

4．1．2 流场控制方程

4．1．3 流场方程的求解

4．1．4 CFX软件简介

4．2 模型的建立

4．2．1 建立结晶器流场模型

4．2．2 划分网格

4．2．3 模型物性参数

4．2．4 模型边界条件

4．3 模拟结果和分析

4．3．1 电磁搅拌结晶器流场的分布规律

4．3．2 电流强度对流场分布规律的影响

4．3．3 电流频率对流场分布规律的影响

4．3．4 拉速对流场分布规律的影响

4．3．5 结晶器电磁搅拌器合理工艺参数的确定

4．4 本章小结

第5章 结晶器电磁搅拌工艺参数的优化试验

5．1 电磁搅拌优化试验的工艺参数范围的确定

5．2 电磁搅拌对圆坯低倍质量的影响

5．2．1 工作参数下圆坯的低倍质量

5．2．2 不同工艺参数下圆坯的低倍质量

5．3 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

作者简介

论文包含图、表、公式及文献