電磁攪拌大方坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)電磁場與流場及溫度場耦合過程數(shù)值模擬.pdf

1、連鑄結(jié)晶器電磁攪拌正成為控制鑄坯的凝固過程、改善凝固組織、提高鑄坯質(zhì)量的有效手段。因此針對具體的連鑄工藝，開展電磁攪拌下結(jié)晶器內(nèi)的過程研究具有十分重要的意義。
　　 本文以某廠大方坯連鑄結(jié)晶器電磁攪拌為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法，建立了描述電磁場、流場以及溫度場分布的數(shù)學(xué)模型，并分別用有限元、有限體積法求解。得出了結(jié)晶器電磁攪拌下，鑄坯內(nèi)磁場、流場和溫度場的分布規(guī)律，同時分析了勵磁電流強度、頻率以及拉速的影響。研究表明：

2、>　　 (1)鑄坯中磁感應(yīng)強度在攪拌器中心最大，向兩端逐漸減小，而在水平剖面內(nèi)，磁場分布比較均勻。電磁力在鑄坯水平剖面上呈周向分布，且切向電磁力與到中心距離成正比。沿拉坯方向切向電磁力在攪拌器中心最大，而在結(jié)晶器下口處又有一峰值。磁感應(yīng)強度和電磁力均隨勵磁電流強度的增大而增大，頻率為4.0Hz時，勵磁電流每增加100A，攪拌器中心的磁感應(yīng)強度就增加約7.5mT，而最大切向電磁力由200A的325N/m3,增大到600A的2890N/m

3、3。隨著頻率的增加，結(jié)晶器內(nèi)磁感應(yīng)強度減小，而電磁力先增大后減小，且在8.0Hz時出現(xiàn)最大值。
　　 (2)未加電磁攪拌時，鋼水從浸入式水口吐出，向下侵入液相穴深處，然后沿凝固面一側(cè)向上回流，形成單一的環(huán)流。加電磁攪拌后，從浸入式水口吐出的鋼水在電磁攪拌的有效區(qū)由垂直向下轉(zhuǎn)變?yōu)樗叫D(zhuǎn)，形成旋轉(zhuǎn)流動的主流區(qū)；而主流區(qū)上方的鋼水形成由中心向下而由凝固面一側(cè)向上的環(huán)流：與此相反，在主流區(qū)下方的鋼水形成由凝固面一側(cè)向下而由中心向上的環(huán)

4、流。攪拌參數(shù)為400A、4.0Hz時，最大切向速度達到0.28m/s，勵磁電流強度每增加100A，切向速度就增加約0.073m/s。電磁力越大，攪拌強度越大，鋼水流股的侵入越淺，二次流現(xiàn)象越突出。
　　 (3)未加電磁攪拌時，過熱鋼水從浸入式水口吐出，向下流動，過熱度緩慢消失，在鑄坯斷面上，其芯部溫度高，而向凝固面一側(cè)急劇下降，其溫度分布成駝峰狀。加電磁攪拌后，旋轉(zhuǎn)攪拌導(dǎo)致鋼水的流動方向由垂直向下變?yōu)樗叫D(zhuǎn)，阻斷了從浸入式水口

5、流出的過熱鋼水，使其侵入深度變淺，從而使軸向溫度迅速降低，而徑向溫度升高，導(dǎo)致凝固面前沿的溫度梯度增大，有利于傳熱。攪拌強度越大，熱區(qū)位置越高。
　　 (4)通過數(shù)值模擬得出電磁攪拌參數(shù)范圍為400～700A、4.0～8.0Hz，現(xiàn)場實驗表明優(yōu)化參數(shù)為600A、4.0Hz。此時最大切向電磁力為2890N/m3，最大切向速度0.45m/s，頂表面最大切向速度為0.051m/s，且鋼水二次流現(xiàn)象突出，熱區(qū)位置得到了提高。