圆坯连铸结晶器内磁流耦合场的数值模拟

摘要

连铸结晶器电磁搅拌是控制铸坯的凝固过程、改善凝固组织、提高铸坯质量的有效手段。因此开展结晶器内电磁搅拌的过程研究具有重要意义。
　　本文以某厂大圆坯连铸结晶器电磁搅拌为研究对象，采用有限元方法建立描电磁场和流场耦合的数学模型，研究分析励磁电流强度、频率以及拉速对铸坯内磁场、流场的分布规律的影响。
　　建立圆坯结晶器电磁搅拌条件下的三维电磁场数学模型。根据搅拌器尺寸和材料物性参数，在合理假设的基础上，建立了结晶器电磁搅拌电磁场数学模型。在确定了载荷与边界条件以后，利用ANSYS有限元软件的电磁场模块对数学模型进行了求解。根据计算结果，分析了结晶器内钢液中的磁场强度和电磁力的分布规律，以及电流强度和频率对磁场强度和电磁力分布的影响。
　　在磁场分析的基础上建立磁流耦合模型。在电磁场求解的基础上，结合电磁场与流场耦合理论，建立了描述圆坯结晶器电磁搅拌过程钢液流动的三维数学模型，利用有限元软件进行了数值模拟，研究了圆坯结晶器电磁搅拌条件下的钢液流场分布特征，分析了励磁电流强度和频率及拉速对钢液流场的影响。计算结果表明:未加电磁搅拌时，钢水从浸入式水口吐出，向下侵入液相穴深处，然后沿凝固面一侧向上回流，形成单一的环流。加电磁搅拌后，从浸入式水口吐出的钢水在电磁搅拌的有效区由垂直向下转变为水平旋转。
　　通过数值模拟得出，本文研究的圆坯电磁搅拌参数范围为300-400A、1.0-4.0Hz较为合理。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究目的及意义

1．2 电磁搅拌技术概述

1．2．1 连铸电磁搅拌的基本原理

1．2．2 连铸电磁搅拌技术发展

1．2．3 电磁搅拌技术的分类

1．3 连铸电磁搅拌过程国内外研究现状

1．4 数值模拟的有限元求解方法

1．4．1 有限元法的基本思想

1．4．2 有限元法的特点

1．4．3 有限元法的一般步骤

1．4．4 ANSYS有限元软件

1．5 课题的研究内容

第2章 电磁场-流场数学模型的控制方程

2．1 连铸电磁搅拌的磁流体力学基本方程

2．1．1 连铸磁流体力学概述

2．1．2 电磁学的麦克斯韦方程

2．1．3 电磁场的求解

2．2 连铸结晶器钢水流动基本方程

2．2．1 流体本构方程

2．2．2 质量守恒方程

2．2．3 动量守恒方程

2．2．4 电磁流体动力学的基础理论

2．2．5 k-ε湍流模型

2．3 本章小结

第3章 结晶器电磁场数值模型的建立

3．1 三维电磁场数学模型

3．1．1 模拟计算的流程图

3．1．2 模型的基本假设

3．1．3 物性参数的选取

3．1．4 三维电磁场有限元模型的建立

3．1．5 边界条件和初始条件

3．2 模拟结果与分析

3．2．1 铸坯内磁场的分布特征

3．2．2 铸坯内磁场随时间的变化特征

3．2．3 铸坯内电磁力的分布

3．2．4 搅拌工艺参数对铸坯内磁场和电磁力影响的模拟

3．3 本章小结

第4章 磁流耦合模型的建立及结果分析

4．1 流场数学模型

4．1．1 模型假设条件

4．1．2 三维流场有限元模型的建立

4．1．3 场边界条件和载荷

4．2 电磁场-流场耦合分析流程

4．3 磁场-流场耦合场模拟的结果与分析

4．3．1 电磁搅拌下结晶器内流场分布规律

4．3．2 励磁电流强度对流场的影响

4．3．3 励磁电流频率对流场的影响

4．3．4 拉速对流场和温度场的影响

4．3．5 合理搅拌工艺参数的确定

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

致谢