穩(wěn)恒磁場作用下連鑄結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)行為的數(shù)學(xué)物理模擬.pdf

1、高效連鑄以及薄板坯連鑄是連鑄技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。但是高拉速下帶來的結(jié)晶器內(nèi)卷渣問題是困擾其發(fā)展的技術(shù)難題之一。對(duì)于薄板坯連鑄，由于其拉速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)連鑄，更易發(fā)生卷渣現(xiàn)象。造成結(jié)晶器內(nèi)卷渣現(xiàn)象的影響因素較多，如拉速、水口浸入深度、水口張角、保護(hù)渣粘度及結(jié)晶器尺寸等等。揭示拉速、水口張角和浸入深度對(duì)薄板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為的影響，對(duì)優(yōu)化和控制薄板坯連鑄操作十分重要。 為了抑制高拉速下帶來的諸多不利現(xiàn)象，電磁制動(dòng)技術(shù)作為控

2、制結(jié)晶器中鋼液流動(dòng)的較為成熟技術(shù)開始得到應(yīng)用。但是如何進(jìn)一步優(yōu)化電磁制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、電磁參數(shù)和工藝參數(shù)，并得到優(yōu)化的電磁流動(dòng)控制效果，對(duì)于電磁制動(dòng)技術(shù)的有效應(yīng)用、以及電磁制動(dòng)器的設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文正是以高效連鑄、薄板坯連鑄中的流動(dòng)行為和電磁制動(dòng)效果為選題開展工作。主要完成以下方面的工作： 1、根據(jù)相似原理，建立了薄板坯連鑄水力學(xué)模型，采用物理模擬和數(shù)學(xué)模擬相結(jié)合的方法研究了薄板坯連鑄漏斗形結(jié)晶器內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)特

3、征，研究和觀察了結(jié)晶器內(nèi)的旋渦現(xiàn)象和卷渣行為，考察了拉坯速度、浸入式水口結(jié)構(gòu)、水口浸入深度、水口位置等對(duì)卷渣的影響。研究結(jié)果表明：1)結(jié)晶器表面的渦流和液面波動(dòng)是造成卷渣的主要原因。渦流主要發(fā)生在結(jié)晶器寬面中心位置、水口兩側(cè)和結(jié)晶器窄邊附近。2)發(fā)生卷渣的臨界表面流速為0.25m/s。隨水口浸入深度變淺，卷渣發(fā)生的臨界拉速減小。拉速增大可使旋渦數(shù)量增多、深度增加，同時(shí)液面波動(dòng)幅度也隨之增大。3)水口結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)有較大影響。在

4、相同的拉坯速度時(shí)，使用牛鼻子型水口的表面流速最小，有利于防止卷渣。 2、設(shè)計(jì)了“對(duì)E”結(jié)構(gòu)的單條形電磁制動(dòng)器。這種結(jié)構(gòu)的磁極頭和激磁線圈可以大大減少主氣隙的漏磁場，有效提高有用氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁極可在0-140mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)磁極間距為100mm時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)1T，適用于低澆注速度模擬實(shí)驗(yàn)的制動(dòng)要求。通過實(shí)驗(yàn)測試，研究了所設(shè)計(jì)的電磁制動(dòng)器的電磁特性，為電磁制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 3、建立了Pb-Sn-Bi低

5、熔點(diǎn)合金電磁制動(dòng)熱模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?？疾炝嗽诜€(wěn)恒磁場作用下的彎月面行為，并研究了各種操作參數(shù)(磁感應(yīng)強(qiáng)度，拉坯速度，磁場位置和水口出口角度等)對(duì)彎月面行為的影響。研究結(jié)果表明：1)應(yīng)用磁場可控制結(jié)晶器內(nèi)金屬液面的波動(dòng)。磁場對(duì)表面波動(dòng)的抑制作用有一最佳值，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5T時(shí)液面的表面平均波動(dòng)最小，液面較穩(wěn)定。據(jù)此依據(jù)相似原理可推得：實(shí)際連鑄機(jī)中抑制結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面波動(dòng)的最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.36T。2)在板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)應(yīng)用單條形穩(wěn)恒磁場

6、的電磁流動(dòng)控制效果與磁感應(yīng)強(qiáng)度、浸入式水口角度和拉坯速度有關(guān)。當(dāng)其它條件不變時(shí)，拉坯速度越大，產(chǎn)生的電磁力越大，對(duì)流動(dòng)的作用越大。水口角度不同，施加磁場時(shí)會(huì)有不同的流動(dòng)控制效果。3)隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，彎月面溫度增加，流體沖擊深度減小。即水口出流的向下沖擊深度由于磁場的制動(dòng)效應(yīng)而受到了抑制。這有利于夾雜物的上浮分離，提高板坯內(nèi)部質(zhì)量。 4、建立了可同時(shí)實(shí)現(xiàn)施加磁場和吹氬氣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了穩(wěn)恒磁場對(duì)吹氬板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)彎月面

7、行為的影響，考察了磁感應(yīng)強(qiáng)度、氬氣流量、拉坯速度和水口出口角度等對(duì)彎月面處液面波動(dòng)和氬氣上浮分布規(guī)律的影響。研究結(jié)果表明：1)吹入氬氣加劇了表面波動(dòng)，而且，隨著氬氣流量的增加擾動(dòng)加大，且氬氣泡主要在水口附近上浮。2)施加磁場改變了氬氣通過彎月面的上浮分布規(guī)律，加強(qiáng)了氣泡在水口和窄面之間的上浮，使氬氣泡在結(jié)晶器寬度方向上的上浮分布更均勻，減小了水口附近由于大量氣泡上浮對(duì)液面的擾動(dòng)。3)Pb-Sn-Bi熱模擬實(shí)驗(yàn)表明，施加0.5T的磁場能對(duì)

8、水口出流以及吹氬所產(chǎn)生的液面波動(dòng)產(chǎn)生抑制作用。由相似準(zhǔn)則推得，在實(shí)際連鑄機(jī)上抑制吹氬板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)的合適磁場強(qiáng)度為0.36T。吹入氬氣在防止水口堵塞的同時(shí)也使液面產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)，使液面波動(dòng)較大，易造成卷渣現(xiàn)象。對(duì)吹氬水口結(jié)構(gòu)施加電磁制動(dòng)，能夠使其波動(dòng)受到顯著的抑制。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了參考的磁場參數(shù)。4)施加磁場和吹入氬氣影響了結(jié)晶器內(nèi)金屬液的彎月面行為，改變了氬氣在彎月面的上浮分布規(guī)律和彎月面處的液面波動(dòng)。為此可應(yīng)用靜磁場和調(diào)節(jié)

9、氬氣流量控制結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)和液面波動(dòng)。 5、以穩(wěn)恒磁場理論、電磁流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立了描述結(jié)晶器內(nèi)電磁制動(dòng)磁場分布的三維數(shù)學(xué)模型，以及靜磁場作用下金屬液流動(dòng)的三維數(shù)學(xué)模型，對(duì)電磁制動(dòng)結(jié)：晶器內(nèi)的磁場和流場分布進(jìn)行計(jì)算，研究了磁場對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的作用，和各工藝參數(shù)(磁感應(yīng)強(qiáng)度、拉坯速度、水口角度及磁場位置等)對(duì)電磁流動(dòng)控制效果的影響。研究結(jié)果表明：1)施加磁場后結(jié)晶器內(nèi)的流場有很大改變，從浸入式水口流出的金屬。液流股被電磁

10、場產(chǎn)生的電磁力分散，沖擊窄面的速度明顯減小，且沖擊窄面的位置向上偏移。施加磁場后，上部回流的渦心向上、且向遠(yuǎn)離窄面的方向移動(dòng)。下部回流區(qū)減小，且渦心向上、且向水口中心方向移動(dòng)，并且下降流股的流速明顯減小。2)磁感應(yīng)強(qiáng)度、拉坯速度、水口角度和磁場位置對(duì)單條形磁場作用下的電磁流動(dòng)控制效果影響很大，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度、拉坯速度和水口出口角度一定時(shí)，磁場位置(Z)與水口浸入深度(L)之比值Z/L有一最佳值，可達(dá)到最佳的電磁流動(dòng)控制效果。在本研究的實(shí)驗(yàn)