軟接觸結晶器內電磁場及鋼液流動凝固的數值模擬.pdf

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

2、方法，對方坯軟接觸結晶器內的電磁場分布、彎月面行為和鋼液的紊流流動、鑄坯凝固以及夾雜物運動軌跡等傳輸行為進行了深入系統(tǒng)的礬究。著重研究了相關參數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晶器內鋼液運動和鑄坯凝固特征。從電磁場基本方程出發(fā)，建立了描述軟接觸結晶器三維電磁場特性的數學模型，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、面形狀的計算問題，描述了結晶器內的三維電磁場分布和彎月面形狀，為軟接觸電磁連鑄技術進一步研究打下了堅實的基礎。分析了電流強度、電源頻率、結晶器結構參數(切縫數目、切縫寬度、結晶器壁材質電導率)、線圈結構參數〔匝數、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等參數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品器設計參數。結果表明:鋼液對結品器內的電磁場分布有很大影響發(fā)現了磁感應強度和彎月面高度隨電源頻率增加而增

4、大的頻率范圍、磁感應強度和彎月面高度隨切縫數目增加i“鋸齒狀”增大的規(guī)律研究結果合理地解釋了一些實驗現象。完善了軟接觸結品器電磁連鑄技術的理論基礎建議在實際應用中采用分瓣數為16或24分瓣數的結品器，電源頻率應控制在20kHz左右，切縫寬度應控制在Imm左右。運用三維模型，對電磁場分布的不均勻性進行了深入研究。同一參數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。對于方坯軟接觸結品器，在結品器角部布置切縫有利于提高結晶器內電

5、磁場分布的均勻性，通過調裕周向上的切縫布置位置，可優(yōu)化結晶器切縫布置參數，顯著改善和提高電磁場分布的均勻性最佳切縫布置參數與電源頻率和結晶器結構參數有關。在電源頻率為20kHz時，切縫數目為16和24的軟接觸結晶器的切縫優(yōu)化布置參數分別為a:b=1:2c=0和a:b:c=1:1:3d=0.增加切縫數目能同時提高均勻性系數、結品器內的磁感應強度和彎月面高度。在連續(xù)介質模型基礎上，建立了軟接觸結品器內三維鋼液紊流流動和凝Iryl禍合數學模型

6、，研究了交變磁場作用下結品器內鋼液的電磁流體力學行為。結合CFX4.2商業(yè)軟件，運用非交錯(同位)網格有限差分方法和適體坐標方法，首次分析了軟接觸鄧安元:月民北大學月:七學位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