薄板坯漏斗形結(jié)晶器內(nèi)電磁連鑄過程的數(shù)值模擬研究.pdf

1、在國(guó)內(nèi)外鋼材市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)和原材料緊缺的大環(huán)境下，高效緊湊的現(xiàn)代化近終形連鑄連軋技術(shù)成為當(dāng)代鋼鐵產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向。在近二十年的時(shí)間里，薄板坯連鑄連軋?jiān)絹碓綇V泛的被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中；與此同時(shí)，電磁冶金技術(shù)作為一項(xiàng)提高鑄坯質(zhì)量的先進(jìn)環(huán)保工藝亦得到飛速發(fā)展。對(duì)于薄板坯漏斗形結(jié)晶器而言，由于拉坯速度高、寬厚比大，結(jié)晶器內(nèi)的鋼液行為很難控制，容易產(chǎn)生拉漏現(xiàn)象、減少連鑄設(shè)備使用壽命、降低鑄坯質(zhì)量等。在這種情況下，電磁制動(dòng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過施加外電

2、磁場(chǎng)產(chǎn)生洛侖茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)鑄坯進(jìn)行非接觸控制。本研究的目的是采用數(shù)值模擬的手段通過電磁制動(dòng)技術(shù)對(duì)薄板坯連鑄漏斗形結(jié)晶器內(nèi)鋼液行為進(jìn)行控制，找出較為合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，作為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的理論依據(jù)。本研究分為兩個(gè)部分，包括新型電磁制動(dòng)裝置的開發(fā)和結(jié)晶器內(nèi)鋼液行為的數(shù)值模擬，具體如下所述：
　　 針對(duì)薄板坯連鑄Compact Strip Production(CSP)漏斗形結(jié)晶器結(jié)構(gòu)的特殊性，在傳統(tǒng)電磁制動(dòng)裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)了新型

3、電磁制動(dòng)裝置。相比傳統(tǒng)制動(dòng)裝置，該制動(dòng)裝置在節(jié)約電能、降低生產(chǎn)成本的前提下，能夠?qū)︿撘盒袨楫a(chǎn)生更有效的制動(dòng)效果，從而更好地改善鑄坯表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量并提高生產(chǎn)效率。按照由淺入深，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的次序，成功建立了薄板坯連鑄漏斗形結(jié)晶器鋼液流動(dòng)、傳熱、凝固以及電磁場(chǎng)三維數(shù)學(xué)模型。在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的前提下，采用經(jīng)典算例分別對(duì)流動(dòng)、傳熱、凝固以及電磁場(chǎng)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示，本研究采用的每個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果均真實(shí)可靠。對(duì)于流場(chǎng)計(jì)算，采用基于有限容積法

4、的模擬軟件CFD—ACE進(jìn)行模擬研究。在結(jié)晶器和浸入式水口結(jié)構(gòu)尺寸一定的前提下，改變水口浸入深度和拉坯速度這兩個(gè)參數(shù)，采用結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)速度矢量、湍動(dòng)能分布以及彎月面附近最大速度等作為參考依據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，考察了這兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)晶器鋼液流動(dòng)的影響。為接下來的深入研究打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
　　 電磁場(chǎng)的計(jì)算部分，采用基于有限元法的模擬軟件ANSYS對(duì)本研究開發(fā)的新型電磁制動(dòng)裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)在漏斗形結(jié)晶器內(nèi)的分布進(jìn)行了模擬研究，

5、并與傳統(tǒng)電磁制動(dòng)裝置下的結(jié)果相比較。結(jié)果顯示，新型電磁制動(dòng)裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度較大；但是磁場(chǎng)分布極不均勻，在結(jié)晶器主磁場(chǎng)區(qū)中心偏下靠近窄側(cè)壁的位置磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，該區(qū)域和鋼液即將沖擊結(jié)晶器窄側(cè)壁的區(qū)域重合。電磁場(chǎng)模擬還考察了磁動(dòng)勢(shì)和制動(dòng)裝置的位置高度對(duì)磁場(chǎng)的影響規(guī)律，結(jié)果顯示，隨著磁動(dòng)勢(shì)的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨之呈線性增大，但磁場(chǎng)分布形式基本不變；隨著制動(dòng)裝置的位置高度的降低，主磁場(chǎng)的位置也隨之降低，但是磁場(chǎng)分布趨勢(shì)不變。
　　 對(duì)于電磁

6、制動(dòng)下的流場(chǎng)模擬部分，由于磁場(chǎng)計(jì)算采用有限元法，而流場(chǎng)計(jì)算采用有限容積法，因此需要通過FORTRAN語(yǔ)言采用線性插值的方法把磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入FLUENT流場(chǎng)計(jì)算，同時(shí)啟動(dòng)Magnetohydrodynamics(MHD)模塊。通過電磁力對(duì)鋼液湍流流動(dòng)進(jìn)行間接控制，結(jié)果表明，在電磁力作用下鋼液流場(chǎng)得到明顯改善。模擬還考察了電磁制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)位置高度和磁動(dòng)勢(shì)對(duì)鋼液流動(dòng)的影響，得到如下結(jié)論：對(duì)同一個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行制動(dòng)并達(dá)到相同的制動(dòng)效果，新型制

7、動(dòng)裝置可以節(jié)約40％的磁動(dòng)勢(shì)；制動(dòng)裝置的位置高度h越低，流場(chǎng)制動(dòng)效果越好，彎月面附近的波動(dòng)速度下降的越快；拉坯速度每增加0.5m/min，相應(yīng)的磁動(dòng)勢(shì)應(yīng)增大約1000a·n。
　　 在電磁場(chǎng)和流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果正確的基礎(chǔ)上耦合傳熱和凝固，更加真實(shí)的再現(xiàn)了結(jié)晶器內(nèi)的鋼液行為。糊狀區(qū)鋼液流動(dòng)采用達(dá)西源項(xiàng)進(jìn)行處理，凝固潛熱采用顯熱容法進(jìn)行處理，考慮熱浮升力的影響，對(duì)結(jié)晶器的側(cè)壁施加第二類邊界條件，源項(xiàng)和邊界條件的施加采用User-Defin