电磁力作用下连铸宏观传输现象的数值模拟研究
发布时间：2021-08-13 14:50
电磁搅拌技术广泛应用于方圆坯的连铸生产过程,电磁搅拌通过感生电磁力控制和改变钢液的流动形态,可有效提升铸坯质量;电磁搅拌装置也已成为连铸机的常规配置之一。电磁力作用下的连铸过程涉及湍流、传热、传质、凝固等多种物理现象,很难通过生产现场测量和物理实验来调查连铸过程的宏观传输行为,本文采用数值模拟对此进行了一系列的研究。基于有限元方法,提出了一种新的求解电磁转矩的数值模型,并通过自主设计的电磁转矩测量装置验证了此模型。通过计算铸坯在不同频率下的最大电磁转矩可获得最佳频率;铸坯断面越大,结晶器铜管越厚,最佳频率越低。然而,若搅拌器与结晶器的相对位置过低,最佳频率的规律发生改变,可能不再有最佳频率。糊状区系数严重影响连铸流动与凝固耦合模拟的准确性,基于前人理论研究工作明确了糊状区系数的表达式,定量分析了数值模拟中糊状区系数对钢液流动与凝固的影响。连铸模拟过程糊状区系数合理的取值范围是1×108-5×108,其具有较好的适用性。建立了磁流体力学耦合模型以研究大方坯结晶器电磁搅拌对钢液流动与凝固的影响。结果表明,在结晶器电磁搅拌的作用下,钢液会在结晶器区域形成沿着铸坯轴向的旋转流动。随着电流强度的...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１不同磁场形态的电磁搅拌器示意图：（ａ）旋转型，（ｂ）直线型，（ｃ）燦旋型??１、旋转型电磁搅拌器：旋转电磁搅拌器的工作原理类似于普通的异步电??动机［７］，搅拌器类似电机的定子，钢液相当于电机的转子
液内非金属夹杂物的去除，得到质量较好的铸坯。但这种搅拌器结构复??杂，造价高，维修难，因此应用不广泛。??（２）按电磁搅拌器在连铸机上的安装位置分类［７，８］??按照电磁搅拌器安装位置的不同，可分为结晶器电磁搅拌（Ｍｏｌｄ??Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?Ｓｔｉｒｒｉｎｇ，Ｍ－ＥＭＳ）、二冷区电磁搅拌（Ｓｔｒａｎｄ?Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ??Ｓｔｉｒｒｉｎｇ，Ｓ－ＥＭＳ?）和凝固末端电磁搅拌（Ｆｉｎａｌ?Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?Ｓｔｉｒｒｉｎｇ，??Ｆ－ＥＭＳ）。如图２－２所示。??ｆ??结晶器电磁搅拌（Ｍ－ＥＭＳ）??二冷区电磁搅拌（Ｓ－ＥＭＳ）??Ｖ??＊固末端电磁搅拌（Ｆ－ＥＭＳ）??图２－２连铸机上不同位置处电磁携禅示意图??１、结晶器电磁搅拌（Ｍ－ＥＭＳ）：电磁搅拌器安装在结晶器区域，对结晶??器内钢液实施搅拌，跨于结晶器和足辊区的电磁搅拌也可以归于这一类。对??于方圆坯，Ｍ－ＥＭＳ通常采用旋转磁场搅拌器。旋转磁场的搅拌使铸坯液相穴??内的钢液以一定速度绕轴做水平旋转运动，对钢液内夹杂物的上浮和去除，??坯壳沿周向的均匀生长以及钢液的过热耗散都起到了积极的促进作用［９－１１］。??－５?－??
?北京科技大学博士学位论文???小断面等，要产生充分大的等轴晶区或使中心缩孔和中心偏析减少到一个可??以接受的程度，仅采用一段搅拌是不够的，需要根据钢种、铸坯断面和质量??要求以及电磁搅拌的冶金机理，对单一搅拌进行不同组合，如图２－３所示。??其中二段组合搅拌有：Ｍ＋Ｆ－ＥＭＳ、Ｍ＋Ｓ－ＥＭＳ、Ｓ１＋Ｓ２－ＥＭＳ、Ｓ＋Ｆ－ＥＭＳ?等。??就在线使用情祝看，大多数采用Ｍ＋Ｆ－ＥＭＳ；而ＳＡＳｙＥＭＳ、Ｓ＋Ｆ－ＥＭＳ只用??于高碳钢大方坯连铸，为数不多；三段组合搅拌Ｍ＋Ｓ＋Ｆ－ＥＭＳ只适用于高碳??钢、小断面、高拉速连铸，为数也极少。??ｖｖｖ??（ａ）Ｍ＋Ｆ－ＥＭＳ?（ｂ）Ｓ＋Ｆ－ＥＭＳ?⑷Ｍ＋Ｓ＋Ｆ－ＥＭＳ??图２－３连铸电磁拨伴不同组合方式示意图??２．１．２电磁搅拌的冶金功能??电磁搅拌在连铸工艺中的冶金效果主要体现为改善铸坯质量、优化生产??工艺流程和提高产品性能等。结晶器电磁搅拌的冶金作用主要有以下几个方??面：??（１）提髙铸坯的等轴晶率：结晶器电磁搅拌使钢液产生循环流动，改善??从铸坯中心至表层的传热，加速钢液过热的耗散，从而提高铸坯凝固组织中??的等轴晶率。当钢液过热度较高时，在温度梯度方向以树枝状凝固，一旦过??热耗散掉，钢液温度降至液相线和固相线之间时，就会出现一些小等轴晶核，??这些小等轴晶核保存在钢液中，随着钢液的进一步冷却而生长，并由于搅拌??所产生的流动充满铸坯液相穴，最终在铸坯内部以细小等轴晶凝固。有研究??表明［１６］，相同过热度浇铸条件下，与不采用结晶器电磁搅拌情况下相比，采??用结晶器电磁搅拌浇铸高碳钢小圆坯时，铸坯内部等轴晶率可提高１５％－２０％??左右。??（
【参考文献】：
期刊论文
[1]凝固末端电磁搅拌和轻压下复合技术对大方坯高碳钢偏析和中心缩孔的影响[J]. 安航航,包燕平,王敏,赵立华,王达志,刘荣泉,李鹏. 工程科学学报. 2017(07)
[2]特殊钢连铸大方坯末端电磁搅拌位置研究与应用[J]. 王波,陈列,张旭,李聿军,李亮,李少翔,张家泉. 连铸. 2016(05)
[3]方坯连铸凝固末端电磁搅拌工艺优化的数值模拟[J]. 苏旺,姜东滨,罗森,朱苗勇. 东北大学学报(自然科学版). 2013(05)
[4]大方坯末端电磁搅拌位置和连铸工艺参数的确定[J]. 王晓东,王宝峰,曹建刚,李建超. 钢铁. 2011(08)
[5]末端电磁搅拌位置确定及对SWRH82B钢中心偏析的影响[J]. 丁宁,包燕平,孙奇松,王立峰. 北京科技大学学报. 2011(01)
[6]末端电磁搅拌参数对帘线钢72A铸坯中心碳偏析的影响[J]. 谢文新,许晓红. 特殊钢. 2010(01)
[7]凝固末端电磁搅拌参数确定及其对中心偏析的影响[J]. 王彪,谢植,贾光霖,林国强,纪振平. 钢铁. 2007(03)
[8]钢连铸电磁搅拌工艺中电磁力的计算[J]. 于洋,李宝宽. 金属学报. 2006(05)
[9]组合式电磁搅拌在高碳钢小方坯连铸中的应用[J]. 徐向东,胡显军. 炼钢. 2004(05)
[10]组合电磁搅拌对连铸大方坯内部质量的影响[J]. 李春龙,姜茂发,王宝峰. 东北大学学报. 2003(07)
本文编号：3340628
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１不同磁场形态的电磁搅拌器示意图：（ａ）旋转型，（ｂ）直线型，（ｃ）燦旋型??１、旋转型电磁搅拌器：旋转电磁搅拌器的工作原理类似于普通的异步电??动机［７］，搅拌器类似电机的定子，钢液相当于电机的转子
液内非金属夹杂物的去除，得到质量较好的铸坯。但这种搅拌器结构复??杂，造价高，维修难，因此应用不广泛。??（２）按电磁搅拌器在连铸机上的安装位置分类［７，８］??按照电磁搅拌器安装位置的不同，可分为结晶器电磁搅拌（Ｍｏｌｄ??Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?Ｓｔｉｒｒｉｎｇ，Ｍ－ＥＭＳ）、二冷区电磁搅拌（Ｓｔｒａｎｄ?Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ??Ｓｔｉｒｒｉｎｇ，Ｓ－ＥＭＳ?）和凝固末端电磁搅拌（Ｆｉｎａｌ?Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?Ｓｔｉｒｒｉｎｇ，??Ｆ－ＥＭＳ）。如图２－２所示。??ｆ??结晶器电磁搅拌（Ｍ－ＥＭＳ）??二冷区电磁搅拌（Ｓ－ＥＭＳ）??Ｖ??＊固末端电磁搅拌（Ｆ－ＥＭＳ）??图２－２连铸机上不同位置处电磁携禅示意图??１、结晶器电磁搅拌（Ｍ－ＥＭＳ）：电磁搅拌器安装在结晶器区域，对结晶??器内钢液实施搅拌，跨于结晶器和足辊区的电磁搅拌也可以归于这一类。对??于方圆坯，Ｍ－ＥＭＳ通常采用旋转磁场搅拌器。旋转磁场的搅拌使铸坯液相穴??内的钢液以一定速度绕轴做水平旋转运动，对钢液内夹杂物的上浮和去除，??坯壳沿周向的均匀生长以及钢液的过热耗散都起到了积极的促进作用［９－１１］。??－５?－??
?北京科技大学博士学位论文???小断面等，要产生充分大的等轴晶区或使中心缩孔和中心偏析减少到一个可??以接受的程度，仅采用一段搅拌是不够的，需要根据钢种、铸坯断面和质量??要求以及电磁搅拌的冶金机理，对单一搅拌进行不同组合，如图２－３所示。??其中二段组合搅拌有：Ｍ＋Ｆ－ＥＭＳ、Ｍ＋Ｓ－ＥＭＳ、Ｓ１＋Ｓ２－ＥＭＳ、Ｓ＋Ｆ－ＥＭＳ?等。??就在线使用情祝看，大多数采用Ｍ＋Ｆ－ＥＭＳ；而ＳＡＳｙＥＭＳ、Ｓ＋Ｆ－ＥＭＳ只用??于高碳钢大方坯连铸，为数不多；三段组合搅拌Ｍ＋Ｓ＋Ｆ－ＥＭＳ只适用于高碳??钢、小断面、高拉速连铸，为数也极少。??ｖｖｖ??（ａ）Ｍ＋Ｆ－ＥＭＳ?（ｂ）Ｓ＋Ｆ－ＥＭＳ?⑷Ｍ＋Ｓ＋Ｆ－ＥＭＳ??图２－３连铸电磁拨伴不同组合方式示意图??２．１．２电磁搅拌的冶金功能??电磁搅拌在连铸工艺中的冶金效果主要体现为改善铸坯质量、优化生产??工艺流程和提高产品性能等。结晶器电磁搅拌的冶金作用主要有以下几个方??面：??（１）提髙铸坯的等轴晶率：结晶器电磁搅拌使钢液产生循环流动，改善??从铸坯中心至表层的传热，加速钢液过热的耗散，从而提高铸坯凝固组织中??的等轴晶率。当钢液过热度较高时，在温度梯度方向以树枝状凝固，一旦过??热耗散掉，钢液温度降至液相线和固相线之间时，就会出现一些小等轴晶核，??这些小等轴晶核保存在钢液中，随着钢液的进一步冷却而生长，并由于搅拌??所产生的流动充满铸坯液相穴，最终在铸坯内部以细小等轴晶凝固。有研究??表明［１６］，相同过热度浇铸条件下，与不采用结晶器电磁搅拌情况下相比，采??用结晶器电磁搅拌浇铸高碳钢小圆坯时，铸坯内部等轴晶率可提高１５％－２０％??左右。??（
【参考文献】：
期刊论文
[1]凝固末端电磁搅拌和轻压下复合技术对大方坯高碳钢偏析和中心缩孔的影响[J]. 安航航,包燕平,王敏,赵立华,王达志,刘荣泉,李鹏. 工程科学学报. 2017(07)
[2]特殊钢连铸大方坯末端电磁搅拌位置研究与应用[J]. 王波,陈列,张旭,李聿军,李亮,李少翔,张家泉. 连铸. 2016(05)
[3]方坯连铸凝固末端电磁搅拌工艺优化的数值模拟[J]. 苏旺,姜东滨,罗森,朱苗勇. 东北大学学报(自然科学版). 2013(05)
[4]大方坯末端电磁搅拌位置和连铸工艺参数的确定[J]. 王晓东,王宝峰,曹建刚,李建超. 钢铁. 2011(08)
[5]末端电磁搅拌位置确定及对SWRH82B钢中心偏析的影响[J]. 丁宁,包燕平,孙奇松,王立峰. 北京科技大学学报. 2011(01)
[6]末端电磁搅拌参数对帘线钢72A铸坯中心碳偏析的影响[J]. 谢文新,许晓红. 特殊钢. 2010(01)
[7]凝固末端电磁搅拌参数确定及其对中心偏析的影响[J]. 王彪,谢植,贾光霖,林国强,纪振平. 钢铁. 2007(03)
[8]钢连铸电磁搅拌工艺中电磁力的计算[J]. 于洋,李宝宽. 金属学报. 2006(05)
[9]组合式电磁搅拌在高碳钢小方坯连铸中的应用[J]. 徐向东,胡显军. 炼钢. 2004(05)
[10]组合电磁搅拌对连铸大方坯内部质量的影响[J]. 李春龙,姜茂发,王宝峰. 东北大学学报. 2003(07)
本文编号：3340628
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