圆坯连铸结晶器内电磁场、流场的数值模拟与实验研究

摘要

在钢的连铸过程中，电磁搅拌因其具有不接触钢液而在钢液中产生搅拌作用的优点，成为继浸入式水口、保护浇注等连铸技术之后最重要发展之一，受到广泛的关注和应用。该技术不仅可以有效改善铸坯的表面及皮下质量，改善铸坯内部组织结构，扩大等轴晶区，减轻或消除中心偏析、中心缩孔等内部缺陷，而且在放宽对连铸工艺的要求，扩大连铸钢种，提高拉速，促进高效无缺陷优质铸坯的生产中均发挥了重要作用。 结晶器电磁搅拌过程是一个复杂的流动、传热以及存在相变的冶金过程。单纯利用理论解析的方法进行分析是十分困难的。本文采用ANSYS10.0有限元分析软件，以马钢炼钢厂圆坯连铸结晶器电磁搅拌为研究对象，开展“圆坯连铸结晶器内电磁场、流场及温度场的数值模拟与试验研究”。完成的工作主要有几个方面： 1)基于Maxwell方程组，阐明了电磁搅拌过程中二维和三维电磁场、电磁力以及相应边界条件的处理方法；应用磁流体力学的基本理论建立了连铸电磁搅拌过程中电磁场、流场及温度场耦合分析模型。 2)采用ANSYS10.0分析软件，以马钢一炼钢圆坯连铸为原型，建立了二维有限元模型，对圆坯连铸结晶器电磁搅拌过程中搅拌器中心横截面内电磁场、电磁力进行研究；同时研究了电磁搅拌参数、结晶器铜管以及断面尺寸的影响规律。 3)采用三维有限元模型，对结晶器电磁搅拌过程中结晶器内三维电磁场分布规律以及电磁搅拌作用下的钢水流动及传热过程进行了初步研究，为进一步优化浸入式水口结构及潜入深度，改善结晶器内钢水的流动、传热及凝固过程做准备。 4)通过现场实际测量，优化了电磁场、流场及温度场有限元计算模型并为连铸电磁搅拌参数的优化提供实验依据，在模拟计算和实验研究的基础上确定了部分钢种的最佳电磁搅拌工艺参数，并在实际生产中取得良好效果。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

第一章绪论

1.1磁流体力学在冶金领域的应用

1.2连铸电磁搅拌技术

1.2.1连铸电磁搅拌发展现状

1.2.2电磁搅拌的原理及分类

1.2.3电磁搅拌的冶金效果及意义

1.2.4电磁搅拌系统的选择

1.3课题的选择及创新

1.4课题背景、研究内容及思路

1.4.1课题背景、研究内容及思路

1.4.2课题的研究方法及技术路线

第二章理论基础

2.1 ANSYS软件介绍

2.1.1软件概述

2.1.2分析过程

2.2时变电磁场理论基础

2.2.1电磁场基本方程

2.2.2定解条件

2.3电磁场、流场的耦合求解

2.3.1磁流体流动、传热控制方程

2.3.2定解条件

2.3.3施加载荷

第三章空间结构模化和相关计算条件

3.1模拟计算的流程图

3.2电磁搅拌器结构简介

3.3模型的基本假设

3.4物性参数的选取

3.5有限元模型的建立

3.5.1二维电磁场计算数学模型

3.5.2三维电磁场计算数学模型

3.5.3三维流场计算模型

第四章二维电磁场计算结果与讨论分析

4.1仿真计算所涉及的工艺条件和研究方案

4.2结晶器内电磁场随时间的变化

4.3空载条件下结晶器内电磁场分布

4.4电磁搅拌参数对结晶器内电磁场分布的影响

4.4.1频率对电磁搅拌器内电磁场分布的影响

4.4.2电流强度对电磁搅拌器内电磁场分布的影响

4.5结晶器铜管对结晶器内电磁场分布的影响

4.5.1结晶器铜管介绍

4.5.2有无结晶器铜管对结晶器内电磁场分布的影响

4.5.3结晶器铜管温度对结晶器内电磁场分布的影响

4.6断面尺寸对结晶器内电磁场分布的影响

4.6.1不同断面结晶器内磁感应强度分布

4.6.2不同断面结晶器内电磁力分布

4.7本章小结

第五章三维电磁场、流场计算结果分析

5.1三维电磁场计算结果分析

5.2结晶器内钢液速度场、温度场分布

5.2.1电磁搅拌过程中结晶器内钢液受力分析

5.2.2电磁搅拌生成热对钢液温度场的影响

5.2.3电磁搅拌对速度场的影响

5.2.4电磁搅拌对温度场的影响

5.3本章小结

第六章实测验证与优化

6.1电磁搅拌电磁场测量原理和方法

6.1.1测量原理

6.1.2测量方法

6.2测量结果分析

6.2.1测量方案

6.2.2测量结果分析

6.3电磁搅拌参数的优化

6.3.1铸坯质量主要缺陷分析

6.3.2电磁搅拌参数的优化

6.5本章小结

第七章结论和展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

附录