方坯连铸机凝固末端电磁搅拌工艺过程数值模拟研究

摘要

中心偏析和疏松是影响铸坯内部质量的主要因素，连铸末端电磁搅拌是解决这一问题的方法之一。通过感应电磁力强化凝固铸坯内液固两相区的钢液流动，从而实现温度和成分的均匀。因此，针对不同的连铸工艺参数，研究电磁搅拌工艺对铸坯质量的影响具有重要的意义。由于连铸坯内两相区钢液流动的不可测性和传统解析方法的局限性，数值模拟已成为解决这一问题的有效手段。
　　本文根据国内某钢厂的160mm×160mm方坯连铸机及凝固末端电磁搅拌工艺条件，利用ANSYS13.0软件分别建立凝固传热模型、电磁场模型和流场模型，通过数值计算获得了末端搅拌器处温度场、电磁场以及流场的分布，并通过工业实验分析，考察了电磁参数和连铸工艺参数对铸坯内部质量的影响规律。本文得到主要结论如下：
　　(1)拉速从1.8m/min增加到2.0m/min，连铸坯的液相线和固相线消失位置分别向后推移0.99m和1.37m，空冷区出口中心温度由1026.4℃增加到1078.4℃;过热度从10℃增加到30℃，铸坯的液相线和固相线消失位置分别推迟0.19m和0.24m，空冷区出口中心温度由1012.9℃升至1026.4℃。
　　(2)连铸坯凝固末端电磁搅拌器磁感强度沿轴线方向基本呈抛物线分布，在搅拌器中心附近最大，向两端逐渐递减;电磁力在横截面为周向分布，电磁力大小与距中心距离成正比;电磁力随着电流强度的增加而增大，频率为6Hz时，电流每增大50A，最大电磁力约增加1043N/m3;电流为300A时，电流频率从5Hz增加到8Hz时，电磁力从2611N/m3增加到4155N/m3。
　　(3)电磁搅拌作用下，连铸坯液固两相区横截面呈漩涡状流动，并在搅拌器中心达到最大。搅拌强度随电流强度和频率的增加而增大，当电流频率为6Hz时，最大搅拌速度由300A的11.2cm/s增大到400A的18.2cm/s;电流强度为320A时，电流频率增加1Hz，最大搅拌增加1.7cm/s。
　　(4)工业实验表明:拉速为1.9m/min，二冷水的比水量为1.057L/kg，最佳凝固末端电磁参数为380A和6Hz，两相区的最大搅拌速度为16.7cm/s，此时中心偏析基本可以控制在1.05以下。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 连铸过程电磁搅拌技术

1．1．1 连铸电磁技术的发展概况

1．1．2 电磁搅拌的作用原理

1．1．3 连铸电磁搅拌器的类型

1．1．4 电磁搅拌的冶金效果

1．1．5 电磁搅拌的特点

1．2 连铸电磁搅拌研究进展

1．3 本文研究的目的意义及主要内容

1．4 本章小结

第2章 凝固末端电磁搅拌数学模型

2．1 凝固传热数学模型的建立

2．1．1 凝固传热模型基本假设

2．1．2 凝固传热控制方程

2．1．3 物性参数

2．2 电磁场模型的建立

2．2．1 数学模型的假设

2．2．2 电磁场基本理论

2．2．3 物性参数和几何参数

2．2．4 载荷和边界条件

2．3 流场模型的建立

2．3．1 模型建立假设

2．3．2 流场控制方程

2．3．3 物性参数和边界条件

2．4 本章小结

第3章 方坯连铸过程数值模拟结果及分析

3．1 凝固传热特征

3．1．1 模型验证

3．1．2 铸坯温度分布

3．1．3 拉速对铸坯温度场和坯壳厚度的影响

3．1．4 过热度对铸坯温度场和厚度分布的影响

3．2 凝固末端电磁场

3．2．1 模型的验证

3．2．2 磁感应强度测量

3．2．3 三维电磁场分布规律

3．2．4 电流强度对电磁场的影响

3．2．5 电流频率对电磁场的影响

3．3 凝固末端流场

3．3．1 铸坯两相区搅拌情况

3．3．2 不同电流参数流场计算

3．3．3 不同拉速对流场的影响

3．3．4 不同过热度对流场的影响

3．4 小结

第4章 凝固末端电磁搅拌工业试验

4．1 电磁搅拌实验方案

4．2 电磁搅拌实验结果

4．2．1 第一阶段工业实验

4．2．3 第二阶段工业实验

4．3 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

作者简介

论文包含图、表、公式及文献