大方坯结晶器电磁搅拌电磁场的数值模拟

摘要

连铸结晶器的电磁搅拌正成为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。因此针对具体的连铸工艺，开展电磁搅拌下结晶器内的过程研究具有十分重要的意义。由于电磁搅拌问题的复杂性，用传统的解析方法分析十分困难，而仿真计算已成为解决复杂工程问题的有效手段。 本文以国内某厂大方坯连铸机结晶器旋转电磁搅拌为研究对象，采用数值模拟的方法，以电磁场基本理论为基础，建立了旋转电磁搅拌作用下铸坯内电磁场的三维有限元数学模型。利用该模型，通过使用有限元分析软件ANSYS，对电磁搅拌过程三维电磁场行为进行了数值模拟，分析了电流强度、电流频率、结晶器铜管厚度与电磁搅拌器内的磁场分布、磁感应强度、电磁搅拌力的之间关系，同时也得到了感应电流在铸坯中产生的焦耳热的分布情况。并结合连铸电磁搅拌现场实际测定的磁场数据对模型的准确性进行了验证。在此基础上分析了电磁搅拌参数对铸坯质量的影响，最后确定了实际使用情况下的最佳电磁搅拌参数，为进一步提高连铸大方坯质量提供了基础。 通过对结晶器电磁场的模拟分析，得到了以下主要结果： (1) 电磁搅拌器中横截面中心的磁感应强度最小，而在轴向上，磁感应强度成两端小，中间大的分布。磁感应强度最大值出现在距结晶器上口500mm处。 (2) 由于结晶器铜板的屏蔽作用，随着结晶器铜板的厚度的增加结晶器内的磁感应强度和电磁力都减小，厚度每增加2mm，结晶器内磁感应强度和电磁力分别减小5Gs和75N/m<'3>。 (3) 磁感应强度随着电流强度的增大呈线性递增变化，而随着电流频率的增大而减小。电流强度由250A开始至500A每增加50A，铸坯中心的磁感应强度增大38Gs；电流频率由2.0Hz开始至3.0Hz每增加0.5Hz，铸坯中心的磁感应强度减小15 Gs。 (4) 铸坯内产生的电磁力对金属熔体产生一个旋转力矩，将使金属熔体做水平旋转运动。电磁力随着电流强度、电流频率的增大而增大，电磁力随着电流强度近似呈抛物线变化。频率固定在2.5Hz，搅拌电流由250A、300A、400A至500A时，铸坯表面的电磁力分别为100 N/m<'3>、145N/m<'3>、257N/m<'3>、403 N/m<'3>。当电流固定在400A时，频率由2.0Hz增至3.0Hz，铸坯表面的电磁力由373 N/m<'3>增至523 N/m<'3>。 (5) 焦耳热的分布和感应电流密度分布基本一致，最大值出现在铸坯表面，随着向铸坯心部的靠近逐渐减少，并且随着电流和频率的增大而增大。频率固定在2.5Hz，搅拌电流由250A、300A、400A和500A时，铸坯表面的最大焦耳热分别为5178J/m<'3>、7457J/m<'3>、13256J/m<'3>、20713J/m<'3>。当电流固定在400A时，频率由2.0Hz增至3.0Hz，铸坯表面的最大焦耳热由4284J/m<'3>增至8988J/m<'3>。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2连铸电磁搅拌技术

1.2.1旋转电磁搅拌机理分析

1.2.2电磁搅拌技术在连铸中的作用

1.2.3连铸电磁搅拌的类型及特点

1.2.4连铸电磁搅拌的发展状况

1.3电磁连铸过程数值模拟概况

1.4本文研究的目的意义及主要内容

1.5本章小结

第二章电磁场数值模拟理论基础

2.1数值计算方法

2.2有限元分析软件ANSYS简介

2.3 ANSYS分析谐性磁场的主要步骤

2.4电磁场数学模型

2.4.1电磁场基本方程

2.4.2磁矢势法

2.4.3通用微分方程离散化

2.4.4磁矢势分析结果

2.5本章小结

第三章电磁场的有限元模拟

3.1模拟计算的流程图

3.2电磁搅拌的结构尺寸

3.3实体模型的建立

3.4有限元模型的建立

3.4.1计算假设及边界条件

3.4.2物性参数的选取

3.5模型验证

3.5.1磁场测试原理

3.5.2实验装置

3.5.3模型的实验验证

3.6结果及分析

3.6.1结晶器铜板厚度对电磁场的影响

3.6.2电流强度对电磁场的影响

3.6.3电流频率对电磁场的影响

3.6.4焦耳热损失分析

3.7本章小结

第四章现场应用与工艺参数优化

4.1电磁搅拌对重轨钢内部质量的影响

4.1.1增大铸坯中心区等轴晶率

4.1.2减轻中心疏松

4.1.3降低中心偏析

4.1.4改善铸坯凝固组织

4.1.5降低铸坯大型夹杂

4.2典型钢种的电磁搅拌工艺制度

4.3本章小结

第五章结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文