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连铸方坯感应加热数值模拟研究

郭建龙  
【摘要】:感应加热的热源是感应涡流的焦耳热,具有速度快、效率高、控制精确、均匀性好、污染少等优点,因而在工业生产中得到了广泛应用。利用电磁感应加热工艺可对连铸坯进行在线加热,可以在连铸坯温度尚未大幅下降之前进行温度补偿,使铸坯满足轧制需求。连铸坯感应加热过程的关键问题是如何设置感应加热参数。用实验的方法耗时费力、成本高,而且内部的温度很难测得。因此,数值模拟技术对于感应加热系统的设计和研究具有重要意义。本文以麦克斯韦微分方程组为基础,推导出了连铸方坯感应加热电磁场微分控制方程,进一步推导出不同介质(感应线圈、空气和连铸坯)区域的电磁场微分控制方程和涡流分布表达式。以能量守恒定律和傅里叶定律为基础,推导出瞬态温度场微分控制方程。本文对感应加热问题进行了描述和简化,应用ANSYS软件对连铸方坯感应加热温度场和涡流分布进行了模拟,主要包括实体建模、分析单元的选取、有限元网格划分、边界条件的定义和载荷的施加等,并对计算结果进行了分析。利用现有的实验条件对温度场计算结果进行了验证。结果表明,实测值和模拟值吻合良好。将通过现有的理论公式得到的涡流分布和数值模拟得到的涡流分布进行了对比,两条曲线基本吻合。最后,通过对比不同感应线圈电参数电流、频率,线圈匝数,铸坯的初始温度对连铸方坯横截面温度分布的影响,得到如下结论:(1)随着频率的增大,铸坯内部部分区域温度会降低,但铸坯边部温度升高,使得温度分布不均匀性增加;(2)增大感应线圈的电流不能改变连铸坯的整体温度分布趋势,但能够使铸坯整体温度升高,即升温速率加快;(3)初始温度的分布会对铸坯横断面的温度分布有重大影响,在较低温度下热量会更加趋于边部;(4)增加线圈匝数同增大电流强度有相似规律;(5)连铸时结晶器可在允许范围内取较大圆角,这样可以减少散热,也可以使感应加热后铸坯横断面温度分布更加均匀。


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