連鑄電磁攪拌結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動的數(shù)值模擬與實驗研究.pdf

1、連鑄電磁攪拌技術(shù)是靠電磁力對鋼液進行非接觸攪拌，通過強化鑄坯液相穴中鋼水的運動，改善鋼水凝固過程的流動、傳熱和遷移，從而達到改善鑄坯質(zhì)量的目的，是改善鋼坯內(nèi)部和表面質(zhì)量的有效方法。電磁攪拌具有去除夾雜物、消除皮下氣泡、減輕中心偏析、提高連鑄坯的等軸晶率等優(yōu)點。因此，在澆鑄較大斷面的鑄坯如大方坯、大板坯以及澆鑄質(zhì)量要求較高或易出現(xiàn)質(zhì)量問題的鋼種時，電磁攪拌技術(shù)便成為首選。
　　本文以大方坯和大圓坯連鑄為研究對象，結(jié)合連鑄過程的具體情

2、況，建立了電磁攪拌作用下結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動的三維數(shù)學模型，采用現(xiàn)場實測、物理實驗、數(shù)值模擬以及工業(yè)應用相結(jié)合的方法對電磁攪拌作用下結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動行為進行了研究。
　　首先，以實驗室內(nèi)徑φ280mm、外徑φ480mm、高300mm的三相六極旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器為研究對象，研究了結(jié)晶器銅管、鋼液、繞組及電磁攪拌器結(jié)構(gòu)對鋼液磁場分布的影響，并對比了流場數(shù)值模擬中近壁面流動的兩種處理方法:壁面函數(shù)法和低Re數(shù)k-ε模型法。之后將該數(shù)學模型應用到

3、天津榮程鋼鐵公司斷面為φ250mm的82B高碳鋼圓坯結(jié)晶器電磁攪拌系統(tǒng)，考察了不同電磁攪拌參數(shù)對鋼液流動和鑄坯質(zhì)量的影響，獲得工業(yè)應用上最優(yōu)的電磁攪拌參數(shù)。為了進一步驗證數(shù)學模型和模擬方法的正確性，將該數(shù)學模型應用到本鋼斷面為470mm×350mm GCr15軸承鋼大方坯結(jié)晶器電磁攪拌系統(tǒng)，分析了電磁攪拌作用下不同結(jié)晶器斷面以及各種工藝參數(shù)和攪拌參數(shù)對鑄坯流動過程的影響。
　　分別對兩個鋼廠結(jié)晶器電磁攪拌空載情況的磁場進行了在線測

4、試，通過與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進行對比，驗證了磁場數(shù)值模擬的正確性，進而采用有限元法對連鑄結(jié)晶器電磁攪拌磁場進行數(shù)值模擬計算，獲得鋼液的電磁體積力，然后將所獲得的電磁體積力作為動量方程源項引入到流場數(shù)值模型中，選取低Re數(shù)流動模型對近壁面的流動進行模擬，采用有限體積法進行磁場和流場的耦合計算。為了驗證鋼液流場數(shù)值模擬的正確性，采用低熔點金屬伍德合金模擬鋼液的流動狀態(tài)，用高速攝像機拍攝下不同位置及不同條件下的鋼液流動狀態(tài)。通過對比發(fā)現(xiàn)，流場數(shù)值模

5、擬的結(jié)果是正確的。之后進一步研究了結(jié)晶器內(nèi)磁場和流場的分布規(guī)律，分析了攪拌器的電磁參數(shù)（電流和頻率）和結(jié)晶器銅管厚度對鋼液流動狀況的影響。同時采用全耦合方法初步模擬了夾雜物在結(jié)晶器中的運動軌跡。主要結(jié)論如下:
　　一、旋轉(zhuǎn)磁場模擬結(jié)果
　　磁場模擬結(jié)果表明，結(jié)晶器銅管對磁場分布影響很大，有結(jié)晶器銅管時，結(jié)晶器內(nèi)的磁感應強度整體偏小。有鋼液時磁感應強度要稍大于無鋼液的情況，但兩者相差較小，說明空載下的磁場實測數(shù)據(jù)可以用來驗證磁

6、場數(shù)值模擬的結(jié)果。在外部尺寸不變的情況下，線圈寬度的改變并不影響鋼液中心面及鑄坯外表面中線磁感應強度和電磁力的分布規(guī)律。不同磁軛與磁極的比例對鐵芯磁感應強度和中心面磁感應強度和電磁力有影響，應該考慮磁軛與磁極的比例，在攪拌器設計中應該盡量增加磁極的寬度，增加繞線的間隔。通過對比處理近壁面流動的兩種方法，證實低Re數(shù)k-ε模型法能更加準確描述近壁面的流動。
　　二、對于斷面為φ250mm的82B高碳鋼圓坯
　　(1)在無電磁攪

7、拌時，速度沿徑向分布，鋼液中心面上速度很小，最大速度位于鑄坯中心;有電磁攪拌時，速度沿切線方向，最大速度位于鑄坯表面，鋼液繞中心軸線做圓周運動。
　　(2)當電流相同時，隨著頻率的增加，磁感應強度減小;沿著拉速方向，電磁力和流速隨著頻率的增加而增加，且隨著頻率的增加，最大電磁力增加量減小;但在攪拌器中心對應的徑向上，隨著頻率的增加，磁感應強度和電磁力減小;頻率對切向流速的影響不大。
　　(3)當頻率相同時，隨著電流強度的增加

8、，鋼液內(nèi)的磁感應強度、電磁力和流速都增加;電磁場影響的范圍增大，湍動能擾動范圍逐漸增大，對自由表面擾動更加劇烈，適當?shù)臄_動有利于鋼液溫度的均勻分布。
　　(4)施加結(jié)晶器電磁攪拌后，連鑄中心縮孔區(qū)域明顯減小，在一定范圍內(nèi)增強電流可以增加連鑄坯的等軸晶率。采用單向結(jié)晶器電磁攪拌可以有效地促進中間柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，從而大大提高中心等軸晶率。
　　(5)對于φ250mm82B高碳鋼圓坯，連鑄結(jié)晶器電磁攪拌電流和頻率為480A、3

9、Hz時，單向攪拌時能獲得良好的鑄坯質(zhì)量。
　　三、對于斷面為470mm×350mm GCr15軸承鋼大方坯
　　(1)在數(shù)值模擬過程中考慮了弧度的影響，受弧形壁面的影響，兩個回流區(qū)大小并不對稱，外弧側(cè)回流區(qū)要大于內(nèi)弧側(cè);與圓坯電磁攪拌流場的分布不同，受其形狀的影響，角部流速較小，且在相同的參數(shù)條件下，攪拌速度要比圓形斷面小得多。這與采用伍德合金進行試驗的流動狀態(tài)是一致的。
　　(2)當其他參數(shù)不變時，磁感應強度、電磁力

10、、流速、湍動能和湍動能耗散率隨著電流的增加而增加。
　　(3)當其他參數(shù)不變時，磁感應強度隨頻率增加而減小，電磁力、流速、湍動能和湍動能耗散率隨頻率的增加而增加;隨著頻率的增加，最大磁感應強度、電磁力和流速的變化值減小。
　　(4)對于攪拌器中心對應截面的最大流速，與電流成正比，與頻率成二次方的關(guān)系。隨著頻率和電流的增加，沿拉速方向，電磁場的作用范圍增大。
　　(5)隨著結(jié)晶器銅管厚度的增加，磁場屏蔽作用增強，磁感應強

11、度、電磁力和流速減小，磁感應強度最大值出現(xiàn)的位置逐漸延后，電磁力最大值的位置沒有改變;結(jié)晶器銅管厚度對于電磁場的作用范圍影響不大。
　　(6)在無電磁攪拌時，結(jié)晶器內(nèi)的夾雜物隨鋼液進入結(jié)晶器后，大部分隨鋼液直接向下流動直至流出結(jié)晶器;施加電磁攪拌后，夾雜物在結(jié)晶器內(nèi)隨鋼液旋轉(zhuǎn)運動;隨電流的增加，夾雜物上浮到自由表面的數(shù)量增多，夾雜物旋轉(zhuǎn)運動區(qū)域逐漸上移;隨著頻率的增加，夾雜物上浮到自由表面的數(shù)量也增多，但夾雜物旋轉(zhuǎn)運動區(qū)域同時逐漸