軟接觸結(jié)晶器內(nèi)電磁場及鋼液流動凝固的數(shù)值模擬.pdf

1、鄧安元:東北大4卜9件二七掌位Y#文出白‘里.摘要連鑄工藝中結(jié)晶器內(nèi)初始凝固狀態(tài)的控制對鑄坯表面質(zhì)量十分重要。為滿足高效、能的要求，生產(chǎn)無缺陷鑄坯，在鋼的連鑄工藝中，軟接觸電磁連鑄技術(shù)被認(rèn)為是有效控制鑄坯初始凝固過程，從根本上改變鑄坯質(zhì)量的一項(xiàng)新的電磁冶金技術(shù)，具有良好的發(fā)展前景。為了建立軟接觸結(jié)晶器優(yōu)化設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，確定合理的操作工藝參數(shù)，彌補(bǔ)模擬實(shí)驗(yàn)研究的不足和理論研究的欠缺，在直接實(shí)驗(yàn)測試和文獻(xiàn)測試結(jié)果驗(yàn)證的基礎(chǔ)上本文采用數(shù)值模擬

2、方法，對方坯軟接觸結(jié)晶器內(nèi)的電磁場分布、彎月面行為和鋼液的紊流流動、鑄坯凝固以及夾雜物運(yùn)動軌跡等傳輸行為進(jìn)行了深入系統(tǒng)的礬究。著重研究了相關(guān)參數(shù)對電磁場分布和彎月面形態(tài)的影響及其相互作用規(guī)律:電磁場分布的不均勻特性和優(yōu)化措施不規(guī)則邊界和電磁場作用下結(jié)晶器內(nèi)鋼液運(yùn)動和鑄坯凝固特征。從電磁場基本方程出發(fā)，建立了描述軟接觸結(jié)晶器三維電磁場特性的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)三維交變電磁場和彎月面形狀禍合求解軟件。用有限元和局部壓力平衡方法解決了三維磁場和彎月

3、面形狀的計(jì)算問題，描述了結(jié)晶器內(nèi)的三維電磁場分布和彎月面形狀，為軟接觸電磁連鑄技術(shù)進(jìn)一步研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。分析了電流強(qiáng)度、電源頻率、結(jié)晶器結(jié)構(gòu)參數(shù)(切縫數(shù)目、切縫寬度、結(jié)晶器壁材質(zhì)電導(dǎo)率)、線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)〔匝數(shù)、截面形狀)、線圈與鋼液面初始位置之間的相對位置以及載荷性質(zhì)等參數(shù)對電磁場分布和彎月面形狀的影響規(guī)律，提出了合理的軟接觸結(jié)品器設(shè)計(jì)參數(shù)。結(jié)果表明:鋼液對結(jié)品器內(nèi)的電磁場分布有很大影響發(fā)現(xiàn)了磁感應(yīng)強(qiáng)度和彎月面高度隨電源頻率增加而增

4、大的頻率范圍、磁感應(yīng)強(qiáng)度和彎月面高度隨切縫數(shù)目增加i“鋸齒狀”增大的規(guī)律研究結(jié)果合理地解釋了一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。完善了軟接觸結(jié)品器電磁連鑄技術(shù)的理論基礎(chǔ)建議在實(shí)際應(yīng)用中采用分瓣數(shù)為16或24分瓣數(shù)的結(jié)品器，電源頻率應(yīng)控制在20kHz左右，切縫寬度應(yīng)控制在Imm左右。運(yùn)用三維模型，對電磁場分布的不均勻性進(jìn)行了深入研究。同一參數(shù)對周向上不同位置處的電磁場分布和彎月面變形的影響程度不同。對于方坯軟接觸結(jié)品器，在結(jié)品器角部布置切縫有利于提高結(jié)晶器內(nèi)電

5、磁場分布的均勻性，通過調(diào)裕周向上的切縫布置位置，可優(yōu)化結(jié)晶器切縫布置參數(shù)，顯著改善和提高電磁場分布的均勻性最佳切縫布置參數(shù)與電源頻率和結(jié)晶器結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。在電源頻率為20kHz時，切縫數(shù)目為16和24的軟接觸結(jié)晶器的切縫優(yōu)化布置參數(shù)分別為a:b=1:2c=0和a:b:c=1:1:3d=0.增加切縫數(shù)目能同時提高均勻性系數(shù)、結(jié)品器內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和彎月面高度。在連續(xù)介質(zhì)模型基礎(chǔ)上，建立了軟接觸結(jié)品器內(nèi)三維鋼液紊流流動和凝Iryl禍合數(shù)學(xué)模型

6、，研究了交變磁場作用下結(jié)品器內(nèi)鋼液的電磁流體力學(xué)行為。結(jié)合CFX4.2商業(yè)軟件，運(yùn)用非交錯(同位)網(wǎng)格有限差分方法和適體坐標(biāo)方法，首次分析了軟接觸鄧安元:月民北大學(xué)月:七學(xué)位i侖歲憶ABSTRACTABSTRACTThecontroloftheinitialstageofsolidificationforcontinuouscastingofsteelisextremelyimportantinproducinghighsurfaceq

7、ualityproducts.Toimprovetheproductivityandenergyefficiencyandproductnoncracksbilletasaneffectivetechniquesoftcontactelectromagneticcontinuouscastingtechnologyisintroducedinthecontinuouscastingofsteelattheveryinitialstage

8、ofsolidification.Thisnewtechnologycanessentiallyimprovethequalityofsteelbilletandshowsgoodprospect.Toestablishthefundamentaltheoryofoptimaldesignforsoftcontactmolddeterminereasonableoperationparametersandmakeuptheinsuffi

9、ciencyofsimulationexperimentsandthelackoftheoreticalresearchthethreedimensionalelectromagneticcharacteristicsmeniscusbehaviorsteelturbulentflowandsolidificationthetrajectoryofinclusioninsoftcontactmoldwerefirstlyanddeepl

10、ydiscussedinthepresentpaperthroughnumericalsimulation.Thevalidityofthemodelwasconfirmedbycomparisonwiththeresultsfromdirectmeasurementandliteratureresults.Thisstudymainlyfocusesontheeffectofrelativeparametersonelectromag

11、neticfielddistributionanddeformationofmeniscusthenonhomogenouspropertyandoptimalmeasurementsforelectromagneticfielddistributionthesteelflowandsolidificationwithelectromagneticforceandirregularboundary.FromMaxwellsequatio

12、namathematicalmodelforthreedimensionalmagneticfieldofsoftcontactmoldisderivedandaprogramwitchmakesitispossibleforthecalculationofthethreedimensionalelectromagneticfieldandmeniscusprofileisdevelopedtopredictthethreedimens

13、ionalelectromagneticfieldandthemeniscusshapecouplingwithelectromagneticfield.Theelectromagneticfielddistributionandmeniscusprofileisdeterminedbyfiniteelementmethod(FEM)andlocalpressurebalance.Thedependenceofmeniscusshape

14、andthreedimensionalelectromagneticfielddistributiononparameterssuchascoilcurrentfrequencymoldstructure(slitnumberslitwidthelectricalconductivityofmoldwall)structureofcoil(turnscrosssection)relativepositionofcoilandinitia

15、lfreesurfacelevelaswellaschargepropertieswasdetermined.Asaresultsomereasonabledesignparametersareobtained.Numericalresultsshowthatwithorwithoutsteelhasdistinctinfluenceonelectromagneticfielddistributioninsoftcontactelect

16、romagneticmoldandonlyinarangeoffrequencytheelectromagneticfluxdensityandmeniscusheightincreasewithincreasingoffrequency.Moreovertheelectromagneticfluxdensityandmeniscusheightincreaseintheformofchequerboardwithincreasingo

17、fslitnumber.Thenumericalresultscanexactlyilluminatesomeexperimentalphenomenaandenrichthetheoreticalfoundationofsoftcontactcontinuouscastingtechnology.Inpracticeasoftcontactmoldwithslitnumberof16or24isrecommendedthesugges

18、tedfrequencyisaround20kHzandtheslitwidthisaboutImm.Basedonthethreedimensionalmodelthenonhomogeneouspropertyofelectromagneticfielddistributionisdeeplydiscussed.Theeffectsofacertainparameteronelectromagneticfielddistributi