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圆坯连铸结晶器电磁搅拌过程数学模拟与实验研究

吴扣根  
【摘要】:连铸技术经历了60年的发展历程,以高产量、高质量和产品多样性为目标,在中间包、结晶器和二冷区开发了一系列的相关技术,目前朝着高拉速、高质量的高效连铸和近终形连铸技术的方向发展。连铸结晶器具有净化、凝固、换热和化学反应等多种功能,是控制铸坯质量的重要环节,也是影响钢液流动和凝固传热的关键部位。电磁搅拌技术具有高能量密度、非接触性和易于自动控制等优点,在连铸生产中得到了广泛的应用。结晶器电磁搅拌改善铸坯质量的机理是借助感应产生的电磁力强化钢液流动、传热等过程,因此电磁搅拌磁场和电磁力分布是分析流体流动和传热过程的基础。现在虽开展了一些连铸电磁搅拌过程物理实验与数学模拟的研究工作,但由于电磁搅拌作用机理和凝固过程非常复杂,连铸电磁搅拌理论研究和磁场分布特征的定量分析还很欠缺。这是连铸电磁搅拌过程研究的难点,制约着电磁搅拌技术的发展与应用。 本课题来自宝钢委托研究项目《高拉速无缺陷圆坯连铸制造技术》。该项目要求,以圆坯连铸结晶器电磁搅拌为对象,探明铸坯的质量缺陷的影响因素,为此,本文从理论解析、数学模型、计算机模拟、实验测定和现场运行数据的优化等方面对电磁搅拌过程进行了研究。 在圆坯连铸电磁搅拌过程的理论解析方面,作者分析了雷诺数(Re)、磁雷诺数(Re_m)、哈特曼数(Ha)和磁相互作用参数(N)等 2001年上海大学博士学位论文 无量纲参数及其对连铸电磁搅拌过程的影响。依据电磁流体力学 的控制方程,推导了直角和圆柱坐标系下的连铸结晶器内磁准静 态方程及其电磁力的表达式。本文指出:在低频磁场的电磁搅拌 过程中,可以忽略钢液流动对电磁场的影响,简化电磁搅拌过程 的分析与计算。作者以数学解析方法,建立了任意形状线圈的磁 场分布模型。并在此基础上,推导了连铸结晶器内的磁场与电磁 力解析模型。该模型表明了磁场和电磁力与电流强度、频率、搅 拌器极对数、空间位置及媒介性质等参数有关,可为分析连铸电 磁场分布与电磁力的特征提供了理论依据。 根据流动和传热的通用方程,作者在直角和柱坐标系下分别 建立了有、无电磁搅拌两种情况下的连铸结晶器内二维和三维流 动和传热数学模型,并以矢量磁位和标量电位组合方法表述了连 铸电磁搅拌过程的电磁场模型。此外,本文针对有、无电磁场作 用情况,分析了结晶器内弯月面形状的数学模型,认为在低频电 磁搅拌条件下,弯月面形状计算方程中增加了电磁力项,电磁力 的有旋分量驱使钢液运动,从而影响了弯月面形状。这些模型为 推导电磁搅拌过程有限元模型和进行数值分析提供了基础。 作者选用兼有传热、流动和电磁场功能的ANSYs有限元软 件作为电磁搅拌过程模拟计算的工具。利用有限元理论,建立了 连铸电磁搅拌过程凝固传热、流体流动、电磁场和祸合场的有限 元计算模型。应用ANSYS程序设计语言,编制了连铸结晶器电 磁搅拌过程的二维和三维电磁场、流场和温度场计算程序,探索 性地计算了不同工艺参数条件下的电磁场、流场和温度场分布, 分析了电磁搅拌与浇注工艺参数的影响效果。计算结果表明:在 低频条件下,钢液对磁场的分布影响较小,因而可以用空载时测 量的结果作为有钢液时的近似估计,对实际应用具有指导意义。 圆坯连铸结晶器电磁搅拌过程数学模拟与实验研究 为了给数值分析提供实验基础和验证模拟结果,根据相似原 理和应力应变理论,作者自制了一套能测试熔体电磁搅拌力的装 置,提出了一种测量磁感应强度的新方法一分量法。从实验室模 拟角度对连铸结晶器内磁场分布、电磁力和弯月面形状进行了测 试。之后,为探索搅拌器的结构与磁场分布特征的关系,寻求最 佳电磁搅拌参数,在现场对圆坯和方坯结晶器内旋转磁场分布进 行了测量。实验结果表明,磁场的空间分布受到电流强度、频率、 电磁搅拌器的极对数、空间位置和结晶器断面等影响。磁感应强 度随电流强度增大而增大、随频率增大而减小。在结晶器同一高 度位置的断面上,从中心到结晶器壁面磁感应强度逐渐增加,在 中心与壁面处的磁感应强度幅值相差不大。在中心轴线方向上磁 感应强度在搅拌器中心位置处有最大值,呈现了“中间大、两端 小’,的分布规律。为分析电磁搅拌对连铸圆坯质量的影响,在工 厂进行了生产试验,采集了试验数据。利用模式识别方法分析了 电磁搅拌参数(电流强度和频率)和其它浇注工艺参数(拉速、过热 度、二冷比水量)对铸坯质量影响规律,寻求了较为合理的拉速、 过热度的区域和较佳的电磁搅拌的电流强度、频率范围,利用该 分析结果有效地控制了铸坯质量。此外通过对比性试验,证明了 这些工艺参数对改善铸坯质量的不同作用效果。 结合理论分析,作者比较了电磁搅拌过程仿真计算与实验结 果,讨论了连铸结晶器电磁搅拌过程中的电磁搅拌强度、电磁搅 拌器安装位置、凝固坯壳厚度和设备结构参数等问题。仿真计算 得到的电流强度、频率、结晶器出口处凝壳厚度优化值与实验测 量结果吻合的较好。计算与测量得到的磁感应强度分布规律一 致,但计算较测量的磁感应强度峰值


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