不锈钢连铸电磁搅拌下流动和凝固行为的模拟研究

摘要

连铸过程中采用电磁搅拌技术可以强化铸坯内钢液的流动，使结晶器内钢液的流动状态有利于非金属夹杂物及气泡的上浮，减少铸坯内夹杂物和气泡含量，均匀液相穴内钢液温度，改善凝固组织，扩大等轴晶区。目前关于结晶器和凝固末端组合电磁搅拌对小方坯不锈钢连铸过程中钢液流动和传热的影响的研究还不是很充分。本文以国内某钢厂不锈钢小方坯连铸过程为研究对象，采用数值模拟的方法，研究了结晶器和凝固末端电磁搅拌器磁感应强度和电磁力分布规律。以此为基础，采用VOF模型，研究了结晶器电磁搅拌对钢渣界面行为的影响，通过流动与凝固的耦合计算，描述了不同搅拌强度下连铸坯的凝固过程，同时考察了拉速和过热度对铸坯凝固过程的影响。
　　结果表明:对于小方坯外置式结晶器电磁搅拌器，铸坯完全处于搅拌器中心主磁感应强度影响区域，铸坯横截面上的磁感应强度分布比较均匀。电流强度的变化不影响铸坯截面上磁感应强度的分布。凝固末端电磁搅拌器中心轴线上的磁感应强度在搅拌器轴线中心附近的衰减速度较小，在距搅拌中心一定距离上基本呈均匀分布，并且能够在这一区域内保持较高的磁感应强度，从而保证向铸坯凝固末端一定长度内的钢液提供足够强的电磁搅拌力，达到所需的搅拌效果。
　　采用结晶器电磁搅拌后，在离心力的作用下液面中心向下凹陷，同时液面速度和湍动能明显增大，并在搅拌中心上下两端形成四个回流区。当电流强度为376A、搅拌中心距液面355mm时，搅拌过程中会发生卷渣。随着搅拌强度的增加，水口壁面受到的剪切力不断增大，加速了水口侵蚀。结晶器电磁搅拌由单向搅拌变为正反转交替搅拌有利于减轻钢液对水口的冲刷，正反转交替搅拌中，单向搅拌的时间越短，液面越稳定。在相同的搅拌强度下，圆坯钢液面的变形程度最大，弧形方坯结晶器内液面的变形程度与直方坯相似，直方坯结晶器内的液面变形最小。
　　采用结晶器和凝固末端电磁搅拌能显着加快钢液的凝固速度，铸坯液芯长度大幅缩短;电磁搅拌下钢液冲刷凝固前沿致使结晶器内凝固坯壳厚度出现波动，搅拌强度越大，波动越剧烈;从缩短液芯长度和获得更加均匀的凝固坯壳厚度方面来考虑，M-EMS/F-EMS分别采用电流强度300/260A更合理。增加拉速，凝固坯壳厚度变薄，液芯长度相应增加。实际工艺中，拉速为1.2m/min时采用末端搅拌无明显效果，建议采用设定拉速的上限。末端搅拌强度过大，将导致凝固末端铸坯温度出现波动，凝固末端液芯过度缩小变形，不利于钢液补缩。提高过热度，凝固末端的凝固率减小，铸坯表面和中心温度无明显变化。适当提高钢液过热度可以更好的发挥末端电磁搅拌器的搅拌作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 连铸技术的现状及发展

1．1．1 连铸技术的现状

1．1．2 连铸技术的发展

1．2 连铸坯典型质量缺陷

1．3 连铸电磁搅拌技术

1．3．1 连铸电磁搅拌的原理

1．3．2 连铸电磁搅拌的作用

1．4 不锈钢连铸技术

1．4．1 不锈钢的分类

1．4．2 不锈钢连铸的技术特点

1．4．3 电磁搅拌对不锈钢连铸坯质量的影响

1．5 数值模拟技术在连铸上的应用

1．6 本文的研究目的及主要内容

1．6．1 本文的研究目的

1．6．2 本文的主要研究内容

第2章 数学模型的建立

2．1 电磁场分析的基本方程

2．1．1 麦克斯韦方程组

2．1．2 电磁场的计算

2．2 钢渣界面流动数学模型

2．2．1 假设条件

2．2．2 连续性方程

2．2．3 动量方程

2．2．4 湍流模型

2．2．5 VOF模型

2．2．6 边界条件

2．3 钢液流动凝固数学模型

2．3．1 建立模型的条件

2．3．2 连续性方程

2．3．3 动量方程

2．3．4 能量方程

2．3．5 湍流模型

2．3．6 液相体积分数

2．3．7 两相区的处理

2．4 几何模型

2．5 模拟计算参数的确定

2．5．1 固相线和液相线温度

2．5．2 模拟钢种的成分

2．5．3 钢液的热物性参数

2．6 流动凝固计算边界条件

2．6．1 入口

2．6．2 出口

2．6．3 壁面

第3章 组合电磁搅拌器电磁特性分析

3．1 实际结晶器电磁搅拌器和末端搅拌器电磁特性

3．1．1 实测电流下M-EMS的电磁特性

3．1．2 实测电流下F-EMS的电磁特性

3．2 电流强度对搅拌器电磁特性的影响

3．2．1 电流强度对M-EMS电磁特性的影响

3．2．2 电流强度对F-EMS电磁特性的影响

第4章 电磁搅拌结晶器内的液面行为

4．1 搅拌强度对液面行为的影响

4．2 搅拌位置对液面行为的影响

4．3 铸坯形状对液面行为的影响

4．4 搅拌方式对液面行为的影响

4．5 电磁搅拌对钢液流动及水口侵蚀的影响

第5章 电磁搅拌对不锈钢连铸过程流动凝固行为的影响

5．1 连铸过程钢液流动凝固行为

5．2 电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响

5．2．1 结晶器电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响

5．2．2 结晶器和凝固末端电磁搅拌对铸坯凝固过程的影响

5．3 拉速对铸坯凝固过程的影响

5．4 过热度对铸坯凝固过程的影响

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间获得成果