280mm×325mm大方坯连铸结晶器电磁搅拌电磁场与钢液流动行为数值模拟研究

论文摘要

连铸结晶器电磁搅拌技术作为电磁流体力学在冶金领域的重要应用,通过改变钢液的流动状态,可以控制结晶器内的传热和凝固过程,极大的提高连铸坯的质量。针对不同的连铸工艺,研究电磁搅拌下结晶器内的电磁场和流场分布有重要的意义。本文根据某厂的280mm×325mm大方坯连铸电磁搅拌结构参数,利用ANSYS11.0软件建立了电磁场有限元模型和结晶器流场有限体积模型,得出了三维电磁场和流场分布。通过模拟计算和现场工业实验考察了电流强度和频率等工艺参数对电磁场和流场的影响规律。本论文得到的主要结论如下：(1)电磁搅拌电磁场的磁感应强度在搅拌器区域较大,向两端逐渐衰减。在铸坯横截面上铸坯磁感应强度由边部向中心逐渐减小。电磁力在铸坯截面上为周向分布,切向电磁力大小与距中心距离成正比。轴向方向上切向电磁力分布与磁感应强度类似,在搅拌器中心达到最大值,出结晶器后电磁力出现一个峰值区域。(2)铸坯内的磁感应强度随着电流强度的增大而增加。频率为2.4Hz时,电流每增加100A,搅拌器中心的磁感应强度增加177Gs。电磁力随电流强度的增大也增大。由于结晶器铜板的屏蔽作用,铸坯内的磁感应强度随着频率的增加而减小。电磁力随着频率的增加,变化趋势为先增大后减小,在8.0Hz左右时达到最大值。(3)无电磁搅拌时,钢液进入结晶器内向下冲击,然后沿凝固界面向上回流,形成一次环流模式。钢液的水平流速很小,在搅拌器中心截面上,最大水平流速仅为0.006m/s。在电磁搅拌作用下,进入结晶器的钢液由下流动变为水平旋转运动,电流参数为400A、2.4Hz时搅拌器中心截面最大切向速度达到了0.549m/s。(4)电磁搅拌作用下结晶器内的钢液可以分为三个区域：钢液水平旋转流动的主流区；主流区上方的钢液形成的由中心向下凝固界面向上的上环流；在主流区下方形成流动方向与上环流相反的下环流区域。钢液主流股的冲击深度变浅,大量高温钢液滞留在结晶器上部,有利于传热和过热度的耗散。(5)在电磁搅拌工作的低频范围内,随着电流强度和频率的增加,搅拌强度增大,结晶器内的漩涡流动越强烈,二次流现象增强,钢液主流股的冲击深度变浅,热区位置也提高。拉速对电磁搅拌强度的影响很小,拉速提高,钢液水平速度变化不大,但主流股冲击深度增加。(6)工业试验结果表明：随着搅拌强度增加,铸坯组织均匀,等轴晶区增大,中心疏松和中心缩孔减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 连铸电磁搅拌技术
• 1.1.1 电磁搅拌的作用原理
• 1.1.2 连铸电磁搅拌器的类型
• 1.1.3 结晶器电磁搅拌的冶金效果
• 1.1.4 电磁搅拌的特点
• 1.1.5 电磁搅拌技术的发展
• 1.2 连铸结晶器电磁搅拌过程数值模拟
• 1.2.1 数值模拟的作用和意义
• 1.2.2 电磁搅拌数值模拟研究概况
• 1.3 本文研究的目的意义及主要内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 大方坯结晶器电磁搅拌电磁场数值模拟
• 2.1 电磁场数学模型
• 2.1.1 数学模型的假设
• 2.1.2 电磁场基本理论与描述方程
• 2.1.3 电磁场方程的求解
• 2.1.4 ANSYS有限元计算软件
• 2.2 建立有限元模型
• 2.2.1 结晶器电磁搅拌器模型及网格
• 2.2.2 模型物性参数
• 2.2.3 模型假设、载荷和边界条件
• 2.2.4 二维瞬态电磁场的分析
• 2.3 模型的验证
• 2.3.1 磁感应强度测量
• 2.3.2 电磁力矩测量
• 2.4 模型计算结果与分析
• 2.4.1 三维稳态电磁场分布规律
• 2.4.2 电流强度对电磁场的影响
• 2.4.3 电流频率对电磁场的影响
• 2.4.4 结晶器内有无钢液的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 大方坯结晶器电磁搅拌流场数值模拟
• 3.1 流场数学模型
• 3.1.1 模型建立假设
• 3.1.2 流场控制方程
• 3.1.3 控制方程的求解
• 3.2 模型的建立和计算
• 3.2.1 CFX软件介绍
• 3.2.2 模型的建立
• 3.3 流场计算结果与分析
• 3.3.1 电磁搅拌下流场分布
• 3.3.2 电流强度的影响
• 3.3.3 电流频率的影响
• 3.3.4 拉速的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 结晶器电磁搅拌对连铸坯质量的影响
• 4.1 电磁搅拌对连铸坯低倍组织的影响
• 4.1.1 电磁搅拌对连铸坯凝固组织影响
• 4.1.2 电磁搅拌对等轴晶区的影响
• 4.2 电磁搅拌对连铸坯碳偏析的影响
• 4.2.1 电磁搅拌对中心偏析的影响
• 4.2.2 电磁搅拌对断面偏析的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 论文包含图、表、公式及文献