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电磁搅拌大方坯连铸结晶器内电磁场与流场及温度场耦合过程数值模拟

任兵芝  
【摘要】:连铸结晶器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。 本文以某厂大方坯连铸结晶器电磁搅拌为研究对象,采用数值模拟的方法,建立了描述电磁场、流场以及温度场分布的数学模型,并分别用有限元、有限体积法求解。得出了结晶器电磁搅拌下,铸坯内磁场、流场和温度场的分布规律,同时分析了励磁电流强度、频率以及拉速的影响。研究表明: (1)铸坯中磁感应强度在搅拌器中心最大,向两端逐渐减小,而在水平剖面内,磁场分布比较均匀。电磁力在铸坯水平剖面上呈周向分布,且切向电磁力与到中心距离成正比。沿拉坯方向切向电磁力在搅拌器中心最大,而在结晶器下口处又有一峰值。磁感应强度和电磁力均随励磁电流强度的增大而增大,频率为4.0Hz时,励磁电流每增加100A,搅拌器中心的磁感应强度就增加约7.5mT,而最大切向电磁力由200A的325N/m3,增大到600A的2890N/m3。随着频率的增加,结晶器内磁感应强度减小,而电磁力先增大后减小,且在8.0Hz时出现最大值。 (2)未加电磁搅拌时,钢水从浸入式水口吐出,向下侵入液相穴深处,然后沿凝固面一侧向上回流,形成单一的环流。加电磁搅拌后,从浸入式水口吐出的钢水在电磁搅拌的有效区由垂直向下转变为水平旋转,形成旋转流动的主流区;而主流区上方的钢水形成由中心向下而由凝固面一侧向上的环流;与此相反,在主流区下方的钢水形成由凝固面一侧向下而由中心向上的环流。搅拌参数为400A、4.0Hz时,最大切向速度达到0.28m/s,励磁电流强度每增加100A,切向速度就增加约0.073m/s。电磁力越大,搅拌强度越大,钢水流股的侵入越浅,二次流现象越突出。 (3)未加电磁搅拌时,过热钢水从浸入式水口吐出,向下流动,过热度缓慢消失,在铸坯断面上,其芯部温度高,而向凝固面一侧急剧下降,其温度分布成驼峰状。加电磁搅拌后,旋转搅拌导致钢水的流动方向由垂直向下变为水平旋转,阻断了从浸入式水口流出的过热钢水,使其侵入深度变浅,从而使轴向温度迅速降低,而径向温度升高,导致凝固面前沿的温度梯度增大,有利于传热。搅拌强度越大,热区位置越高。 (4)通过数值模拟得出电磁搅拌参数范围为400-700A、4.0-8.0Hz,现场实验表明优化参数为600A、4.0Hz。此时最大切向电磁力为2890N/m3,最大切向速度0.45m/s,顶表面最大切向速度为0.051m/s,且钢水二次流现象突出,热区位置得到了提高。


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