連鑄電磁攪拌結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、連鑄電磁攪拌技術(shù)是靠電磁力對(duì)鋼液進(jìn)行非接觸攪拌，通過強(qiáng)化鑄坯液相穴中鋼水的運(yùn)動(dòng)，改善鋼水凝固過程的流動(dòng)、傳熱和遷移，從而達(dá)到改善鑄坯質(zhì)量的目的，是改善鋼坯內(nèi)部和表面質(zhì)量的有效方法。電磁攪拌具有去除夾雜物、消除皮下氣泡、減輕中心偏析、提高連鑄坯的等軸晶率等優(yōu)點(diǎn)。因此，在澆鑄較大斷面的鑄坯如大方坯、大板坯以及澆鑄質(zhì)量要求較高或易出現(xiàn)質(zhì)量問題的鋼種時(shí)，電磁攪拌技術(shù)便成為首選。
　　本文以大方坯和大圓坯連鑄為研究對(duì)象，結(jié)合連鑄過程的具體情

2、況，建立了電磁攪拌作用下結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的三維數(shù)學(xué)模型，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬以及工業(yè)應(yīng)用相結(jié)合的方法對(duì)電磁攪拌作用下結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為進(jìn)行了研究。
　　首先，以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)徑φ280mm、外徑φ480mm、高300mm的三相六極旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器為研究對(duì)象，研究了結(jié)晶器銅管、鋼液、繞組及電磁攪拌器結(jié)構(gòu)對(duì)鋼液磁場(chǎng)分布的影響，并對(duì)比了流場(chǎng)數(shù)值模擬中近壁面流動(dòng)的兩種處理方法:壁面函數(shù)法和低Re數(shù)k-ε模型法。之后將該數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到

3、天津榮程鋼鐵公司斷面為φ250mm的82B高碳鋼圓坯結(jié)晶器電磁攪拌系統(tǒng)，考察了不同電磁攪拌參數(shù)對(duì)鋼液流動(dòng)和鑄坯質(zhì)量的影響，獲得工業(yè)應(yīng)用上最優(yōu)的電磁攪拌參數(shù)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型和模擬方法的正確性，將該數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到本鋼斷面為470mm×350mm GCr15軸承鋼大方坯結(jié)晶器電磁攪拌系統(tǒng)，分析了電磁攪拌作用下不同結(jié)晶器斷面以及各種工藝參數(shù)和攪拌參數(shù)對(duì)鑄坯流動(dòng)過程的影響。
　　分別對(duì)兩個(gè)鋼廠結(jié)晶器電磁攪拌空載情況的磁場(chǎng)進(jìn)行了在線測(cè)

4、試，通過與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了磁場(chǎng)數(shù)值模擬的正確性，進(jìn)而采用有限元法對(duì)連鑄結(jié)晶器電磁攪拌磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，獲得鋼液的電磁體積力，然后將所獲得的電磁體積力作為動(dòng)量方程源項(xiàng)引入到流場(chǎng)數(shù)值模型中，選取低Re數(shù)流動(dòng)模型對(duì)近壁面的流動(dòng)進(jìn)行模擬，采用有限體積法進(jìn)行磁場(chǎng)和流場(chǎng)的耦合計(jì)算。為了驗(yàn)證鋼液流場(chǎng)數(shù)值模擬的正確性，采用低熔點(diǎn)金屬伍德合金模擬鋼液的流動(dòng)狀態(tài)，用高速攝像機(jī)拍攝下不同位置及不同條件下的鋼液流動(dòng)狀態(tài)。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，流場(chǎng)數(shù)值模

5、擬的結(jié)果是正確的。之后進(jìn)一步研究了結(jié)晶器內(nèi)磁場(chǎng)和流場(chǎng)的分布規(guī)律，分析了攪拌器的電磁參數(shù)（電流和頻率）和結(jié)晶器銅管厚度對(duì)鋼液流動(dòng)狀況的影響。同時(shí)采用全耦合方法初步模擬了夾雜物在結(jié)晶器中的運(yùn)動(dòng)軌跡。主要結(jié)論如下:
　　一、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)模擬結(jié)果
　　磁場(chǎng)模擬結(jié)果表明，結(jié)晶器銅管對(duì)磁場(chǎng)分布影響很大，有結(jié)晶器銅管時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度整體偏小。有鋼液時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度要稍大于無(wú)鋼液的情況，但兩者相差較小，說明空載下的磁場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以用來驗(yàn)證磁

6、場(chǎng)數(shù)值模擬的結(jié)果。在外部尺寸不變的情況下，線圈寬度的改變并不影響鋼液中心面及鑄坯外表面中線磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力的分布規(guī)律。不同磁軛與磁極的比例對(duì)鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度和中心面磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力有影響，應(yīng)該考慮磁軛與磁極的比例，在攪拌器設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量增加磁極的寬度，增加繞線的間隔。通過對(duì)比處理近壁面流動(dòng)的兩種方法，證實(shí)低Re數(shù)k-ε模型法能更加準(zhǔn)確描述近壁面的流動(dòng)。
　　二、對(duì)于斷面為φ250mm的82B高碳鋼圓坯
　　(1)在無(wú)電磁攪

7、拌時(shí)，速度沿徑向分布，鋼液中心面上速度很小，最大速度位于鑄坯中心;有電磁攪拌時(shí)，速度沿切線方向，最大速度位于鑄坯表面，鋼液繞中心軸線做圓周運(yùn)動(dòng)。
　　(2)當(dāng)電流相同時(shí)，隨著頻率的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度減小;沿著拉速方向，電磁力和流速隨著頻率的增加而增加，且隨著頻率的增加，最大電磁力增加量減小;但在攪拌器中心對(duì)應(yīng)的徑向上，隨著頻率的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力減小;頻率對(duì)切向流速的影響不大。
　　(3)當(dāng)頻率相同時(shí)，隨著電流強(qiáng)度的增加

8、，鋼液內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度、電磁力和流速都增加;電磁場(chǎng)影響的范圍增大，湍動(dòng)能擾動(dòng)范圍逐漸增大，對(duì)自由表面擾動(dòng)更加劇烈，適當(dāng)?shù)臄_動(dòng)有利于鋼液溫度的均勻分布。
　　(4)施加結(jié)晶器電磁攪拌后，連鑄中心縮孔區(qū)域明顯減小，在一定范圍內(nèi)增強(qiáng)電流可以增加連鑄坯的等軸晶率。采用單向結(jié)晶器電磁攪拌可以有效地促進(jìn)中間柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，從而大大提高中心等軸晶率。
　　(5)對(duì)于φ250mm82B高碳鋼圓坯，連鑄結(jié)晶器電磁攪拌電流和頻率為480A、3

9、Hz時(shí)，單向攪拌時(shí)能獲得良好的鑄坯質(zhì)量。
　　三、對(duì)于斷面為470mm×350mm GCr15軸承鋼大方坯
　　(1)在數(shù)值模擬過程中考慮了弧度的影響，受弧形壁面的影響，兩個(gè)回流區(qū)大小并不對(duì)稱，外弧側(cè)回流區(qū)要大于內(nèi)弧側(cè);與圓坯電磁攪拌流場(chǎng)的分布不同，受其形狀的影響，角部流速較小，且在相同的參數(shù)條件下，攪拌速度要比圓形斷面小得多。這與采用伍德合金進(jìn)行試驗(yàn)的流動(dòng)狀態(tài)是一致的。
　　(2)當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度、電磁力

10、、流速、湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率隨著電流的增加而增加。
　　(3)當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨頻率增加而減小，電磁力、流速、湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率隨頻率的增加而增加;隨著頻率的增加，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度、電磁力和流速的變化值減小。
　　(4)對(duì)于攪拌器中心對(duì)應(yīng)截面的最大流速，與電流成正比，與頻率成二次方的關(guān)系。隨著頻率和電流的增加，沿拉速方向，電磁場(chǎng)的作用范圍增大。
　　(5)隨著結(jié)晶器銅管厚度的增加，磁場(chǎng)屏蔽作用增強(qiáng)，磁感應(yīng)強(qiáng)

11、度、電磁力和流速減小，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)的位置逐漸延后，電磁力最大值的位置沒有改變;結(jié)晶器銅管厚度對(duì)于電磁場(chǎng)的作用范圍影響不大。
　　(6)在無(wú)電磁攪拌時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)的夾雜物隨鋼液進(jìn)入結(jié)晶器后，大部分隨鋼液直接向下流動(dòng)直至流出結(jié)晶器;施加電磁攪拌后，夾雜物在結(jié)晶器內(nèi)隨鋼液旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);隨電流的增加，夾雜物上浮到自由表面的數(shù)量增多，夾雜物旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域逐漸上移;隨著頻率的增加，夾雜物上浮到自由表面的數(shù)量也增多，但夾雜物旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域同時(shí)逐漸