基于旋转磁场、行波磁场电磁搅拌器的数值模拟

摘要

电磁搅拌技术现已广泛应用于钢铁行业,特别是在连铸生产中,依靠电磁搅拌器激发产生变化磁场,进而产生电磁力来完成对钢液的均匀搅拌已达到生产要求。连铸过程中对于不同形状钢坯的生产,在连铸机不同位置所使用的电磁搅拌器类型有所不同。方坯在结晶器位置选用旋转磁场电磁搅拌器达到搅拌目的,板坯在二冷区位置选用行波磁场电磁搅拌器来达到搅拌目的。本文借助电磁场基本原理,利用ANSYS有限元软件分别对旋转磁场和行波磁场电磁搅拌过程进行数值模拟分析,研究钢液内部磁感应强度、电磁力及钢液流速在不同条件下的变化规律。研究结果可以为现场实际生产工艺制定提供理论依据。
　　针对旋转磁场电磁搅拌器,首先以350mm大方坯为研究对象,在固定电流强度、搅拌器尺寸等参数的情况下,研究了搅拌频率对铸坯内部磁感应强度、电磁力及钢液流动速度的影响,研究表明:搅拌频率为2Hz、6Hz和8Hz时,磁感应强度在6Hz时出现最大磁感应强度,电磁力也出现一峰值,液体的流动速度最大,从电磁力的分布看,搅拌器的下端出现向上的电磁力,有利于减小钢液的冲击深度。然后以200mm方坯为研究对象,研究相同参数下,克莱姆绕组式和六磁极式电磁搅拌器在不同电流强度和电流频率条件下磁感应强度和电磁力的变化规律,并对搅拌器中心线上磁感应强度计算结果与实测数据进行对比验证。结果表明:克莱姆式电磁搅拌器铸坯内部的电磁力值大于六磁极式电磁搅拌器,频率为3Hz时出现最大电磁力,且在搅拌器中心线上磁感应强度计算结果与实测结果相吻合,说明采用的计算模型正确。
　　针对行波磁场电磁搅拌器,以不同厚度(150mm、180mm、200mm)板坯为研究对象,模拟了辊式电磁搅拌器在不同频率(5Hz、7Hz、10Hz),不同安匝数(400A/84匝、360A/91匝、320A/105匝)条件下,铸坯内部磁场变化情况;同时研究了不同布置形式的电磁搅拌辊对板坯内磁场和流场的影响规律。结果表明:频率越大,磁感应强度越小,但产生的电磁力越大;安匝数越大对应磁感应强度值和电磁力越大;铸坯厚度越薄,沿铸坯宽度方向中心截面的最大磁感应强度和最大电磁力越大。面对面布置形式较边对边布置形式和角对角布置形式磁感应强度和电磁力作用区域略小,但板坯内部的对应数值要大于其它两种情况,面对面布置形式下产生了较稳定对称、搅拌速度更大的流场分布。

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引言

1文献综述

1.1磁流体力学在冶金应用的发展过程

1.2国内外电磁搅拌技术的发展历史

1.3电磁搅拌技术基本原理

1.4电磁搅拌器分类

1.5电磁搅拌器激发磁场的类型

1.6本文研究的主要内容

2电磁搅拌理论基础

2.1线圈缠绕方式

2.2趋肤效应

2.3透入深度

2.4铁芯磁化特性

3电磁搅拌的数学模型

3.1电磁搅拌控制方程

3.2麦克斯韦方程组的微分形式

3.3电磁场中的边界条件

3.4电磁力微分方程

3.5流场的控制方程

4 350mm大方坯结晶器电磁搅拌数值模拟

4.1大方坯结晶器模型的建立及离散化

4.2边界条件

4.3假设条件

4.4计算结果及分析

4.5本章小结

5克莱姆绕组式与六磁极式电磁搅拌数值模拟

5.1克莱姆绕组式与六磁极式电磁搅拌器磁感应强度分布特征

5.2克莱姆绕组式与六磁极式电磁搅拌器电磁力分布特征

5.3克莱姆绕组式电磁搅拌器计算结果

5.4本章小结

6辊式电磁搅拌数值模拟

6.1频率对于铸坯中心线上磁感应强度的影响

6.2频率对于铸坯中心线上电磁力的影响

6.3安匝数对于铸坯中心磁感应强度和电磁力的影响

6.4厚度对铸坯磁感应强度和电磁力的影响

6.5布置形式对板坯内部磁感应强度的影响

6.6布置形式对板坯内部电磁力的影响

6.7布置形式对板坯内部搅拌速度的影响

6.8本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢