電磁攪拌圓坯連鑄結(jié)晶器電磁場與流場的數(shù)值模擬研究.pdf

1、連鑄電磁攪拌技術(shù)是改善鑄坯質(zhì)量的重要技術(shù)手段。它是借助在鑄坯液相穴內(nèi)感生的電磁力強(qiáng)化液相穴內(nèi)鋼水的運(yùn)動，從而控制鑄坯的凝固過程。連鑄電磁攪拌能夠促進(jìn)凝固前沿冷熱鋼水混合，降低溫度梯度，改善鑄坯的凝固組織，提高鋼液的潔凈度，擴(kuò)大等軸晶區(qū)，減少成分偏析，減輕或消除中心疏松和中心縮孔等。對電磁攪拌作用的基礎(chǔ)理論研究主要是通過理論解析和數(shù)值模擬的方法。由于進(jìn)行理論解析是非常困難的，因此，對其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算就顯得非常必要。
　　本課題以某

2、廠圓坯連鑄結(jié)晶器電磁攪拌器為研究對象，利用ANSYS軟件建立電磁攪拌圓坯結(jié)晶器電磁場的計(jì)算模型，求解獲得電磁場的分布規(guī)律以及不同工藝參數(shù)對其的影響機(jī)理，并通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明:(1)所建立的模型是合理的。(2)磁感應(yīng)強(qiáng)度在軸線方向上由攪拌器中心向兩頭逐漸減小，在水平方向上由圓心向邊緣逐漸增大。切向電磁力在攪拌器中心取得最大值，在結(jié)晶器出口處由于沒有了銅管的屏蔽作用而出現(xiàn)回增現(xiàn)象;在水平方向上隨著距圓心距離的增加而增

3、大。(3)磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度為線性增加關(guān)系。當(dāng)電流頻率為2.5Hz時(shí)，電流強(qiáng)度每增加100A，攪拌器中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度約增加12mT。切向電磁力與電流強(qiáng)度為近似拋物線增加關(guān)系。(4)磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流頻率為線性減小關(guān)系。當(dāng)電流強(qiáng)度為400A時(shí)，電流頻率每增加1Hz，攪拌器中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度約減小6.8mT。切向電磁力隨著電流頻率的增加呈先增大后減小的趨勢，在頻率為8.0Hz時(shí)達(dá)到最大值。
　　利用CFX軟件建立電磁攪拌圓坯結(jié)晶

4、器流場的計(jì)算模型，將電磁場模擬得到的電磁力的時(shí)均值作為方程式源項(xiàng)加入到動量方程中，求解獲得流場的分布規(guī)律以及不同工藝參數(shù)對其的影響機(jī)理。結(jié)果表明:(1)無電磁攪拌時(shí)，鋼液在水平方向上流速很小，攪拌器中心水平面的最大流速僅為0.010m/s。在軸線方向上，形成簡單的一次流模式。(2)有電磁攪拌時(shí)，鋼液在水平方向上呈漩渦狀流動，切向速度在距圓心135mm位置處達(dá)到最大，而后由于壁面效應(yīng)迅速減小，當(dāng)電流強(qiáng)度為400A、電流頻率為2.5Hz時(shí)，

5、切向速度的最大值為0.560m/s。在軸線方向上，則形成一個(gè)特殊的二次流模式。(3)隨著電流強(qiáng)度的增加，切向速度增大，主環(huán)流區(qū)位置提高，下環(huán)流區(qū)域的范圍增大;隨著電流頻率的增加，流場的變化規(guī)律與電流強(qiáng)度增加時(shí)相同;拉速對切向速度的影響較小，但提高拉速會使鋼液的初始速度增大，主環(huán)流區(qū)位置下降，下環(huán)流區(qū)域的范圍縮小。
　　根據(jù)數(shù)值模擬得到的合理工藝參數(shù)的范圍，在目前現(xiàn)有工藝條件的基礎(chǔ)上，針對工業(yè)現(xiàn)場結(jié)晶器電磁攪拌的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)

6、，并對不同試驗(yàn)參數(shù)下圓坯的低倍質(zhì)量進(jìn)行檢測，結(jié)果表明:(1)與電流頻率相比，電流強(qiáng)度對中心等軸晶率的影響更加顯著。當(dāng)電流強(qiáng)度為380A時(shí)，中心等軸晶率已基本飽和，最大值達(dá)到38.4％，此時(shí)繼續(xù)增加電流強(qiáng)度對提高圓坯等軸晶率意義不大。(2)綜合考慮不同試驗(yàn)參數(shù)下的中心等軸晶率和低倍缺陷評級結(jié)果，獲得本課題所研究的結(jié)晶器電磁攪拌的最優(yōu)工藝參數(shù)為:電流強(qiáng)度為400A、電流頻率為2Hz。在最優(yōu)工藝參數(shù)下，中心等軸晶率為38.2％，中心疏松的平均