新一代电磁制动装置及有关研究

薄板坯连铸时易出现的问题是非金属夹杂易于随着钢水注流卷入结晶器,从而影响板坯的质量。为解决这个问题,研究人员致力于开发结晶器电磁制动装置。已陆续开发出两代电磁制动装置,在此基础上,瑞典ABB业系统公司对电磁制动对钢水在结晶器流动方式的影响进行了深入的研究,并开发出两个数学模型,同时与日本川崎钢铁公司合作开发出新一代(即第三代)电磁制动装置。 ABB公司开发的结晶器电磁制动装置,称为“流动控制结晶器(FC Mould)”。它的特点是     

EMBr对高拉速薄板坯钢水动态行为影响的模拟

在高拉速薄板坯的生产工艺研究中,结晶器内钢水流场是决定坯壳均匀性、液面卷渣概率等铸坯质量问题的关键因素。EMBr能够显著改变钢水流场,是改善这些问题的关键工艺技术。因此,对结晶器内钢水流场的模拟、分析与优化是必不可少的工作。以往的研究中,相关的数据与理论指导较少,针对薄板坯无头轧制产线,高拉速连铸机的分析与研究更鲜有报道。因此基于该高拉速连铸机,采用数值模拟方法获得了结晶器内不同电磁制动电流强度的磁感强度分布。采用电磁与多相流耦合模式,针对不同磁感强度条件下的结晶器钢水流场分布与液面形貌进行了仿真模拟,并分析了电磁制动对液面波动的影响。结果表明,基于固定的工况环境,电磁制动电流值为175 A时钢水流场分布均匀,钢水液面流速相对最低,最高流速约为0.6 m/s,同时液面高度差与剪切角相对最小。该条件最有利于减少因坯壳不均或液面卷渣造成铸坯缺陷的概率。电流值225 A相比125 A时,钢水液面位置磁感强度仅提高0.02 T,液面到达稳定时间仅缩短约1 s。因此存在综合评判下的最优电流值。     

第二代电磁制动技术

80年代初,瑞典ABB公司的前身ASEA公司与川崎钢铁公司合作开发出第一代结晶器电磁制动技术。这种技术使钢水在结晶器内的流动分布趋于最佳,因而使板坯质量大幅度提高。然而当铸速提高后,这种优势就不     

电磁制动下薄板坯结晶器内钢液流动优化

电磁制动对结晶器内钢液流动具有显著影响,为明确电磁力对高拉速薄板坯结晶器内流场分布的影响规律,建立了薄板坯电磁连铸结晶器内钢液流动的三维数学模型,利用数值计算方法研究磁场与流场耦合对钢液的流动影响。模拟结果表明,五段式电磁制动技术产生的恒稳磁场可以显著抑制钢液湍流流动,降低弯月面波动,且具有稳定钢渣界面的作用;通过研究高拉速与制动力的产生关系,揭示了由线圈产生的磁感应强度与不同拉速的匹配程度。     

结晶器电磁制动钢液流场数值模拟

建立了连铸结晶器内电磁制动过程的三维数学模型,采用一种改进的交错网格方法来模拟耦合的电磁场和流场.结果表明,电磁制动能明显减缓钢水主流股的流速,缓解对铸坯窄面的冲击,有效地抑制表面波动,减小钢水的冲击深度;磁场和流场的相互作用程度直接影响电磁制动效果.     

板坯连铸结晶器电磁控制流动技术

板坯连铸实践表明,结晶器内钢水流动对铸坯质量和产品质量产生重大影响,控制结晶器内钢水流动已成为生产高质量产品和提高生产率的重要技术手段.综述了三类板坯连铸结晶器电磁控制流动(控流)技术的基本内容,对每类电磁控流技术,着重介绍了其配置和电磁力特征、冶金机理和冶金效果及其对最终产品质量的影响等.     

电磁制动对宽板坯高拉速结晶器内流场的影响

以Fluent6.3为计算平台,采用数值模拟方法研究了电磁制动不同参数下宽板坯高拉速结晶器内的流场。结果表明,电磁制动可有效控制结晶器内钢液的流动,改变钢液的流动方向,改善钢液上下环流区的分配率。在静磁场作用下,上部环流区的流动增强,下部环流区流动减弱,自由液面的波动减轻。     

立式电磁制动结晶器内金属液面波动行为的试验

以Sn-Pb-Bi低熔点合金为模拟介质,建立了立式电磁制动作用下结晶器内液态金属流动的物理模型,研究了立式电磁制动条件下结晶器内的金属液面波动行为。利用激光液位仪对磁极宽度中心位置处的金属液面瞬时波动进行测量,采用“浸度法”对结晶器厚度中心面处的弯月面波形进行测量。试验结果表明,随着电流强度的增加,立式电磁制动的施加可以显著降低液面波高,稳定液面波动,减小卷渣发生的可能性。     

控制结晶器内钢水流动方式的直流磁场

钢水在注入结晶器的过程中,会将结晶器保护渣和分散的非金属夹杂带人弯月面下液相穴底部,进而影响连铸坯质量并阻碍高速连铸技术的发展。为了解决这个问题,新日本钢铁公司已开发出新的减缓结晶器内钢水流速的电磁制动(ElectromagneticBrake,EMB)技术。     

连铸结晶器中应用电磁制动技术

现下建造的连铸机几乎都配有一定形式的电磁搅拌。最新的电磁搅拌技术的应用是结晶器中的电磁制动。这种新发明利用了直流电磁场对钢水的阻尼作用。当直流电磁场置于钢流的垂直方向时，结晶器中钢流速度被减慢。钢流速度的减慢对防止夹杂物卷入弯月液面下新坯壳中非常重要，尤其是在高速连铸时。所登的直流电磁场也把钢流细分成许多细小射流，使刚进入的钢水与结晶器周围较冷的纲液更地好混合。新日铁正在开发连铸结晶器中的水平磁场制动（LMF），在结晶器宽度方向施以一水平磁场，使制动置于浸入式水口的下方，能抑制涡流流入和切断钢流…     

方坯结晶器内钢液凝固及电磁制动的数值模拟

利用电磁流体力学（MHD）的基本理论及Bennon的连续介质模型,给出了方坯结晶器内钢液凝固及电磁制动的三维数学模型、磁场、流场和温度场的数值模拟表明,与钢液流场速度方向相反的电磁力是电磁制动的 直接原因;感生电流主要是集中在钢液入口处及其附近区域;电磁力能有效地改变方坯结晶器内的流场和温度场的分布,造成制动区域的下部呈现活塞流状态,降低了结晶器内高温钢液区域的温度梯度,提高了弯月面附近特别是上角部区域钢液的温度,减薄了上部凝固壳厚度。     

Influence of electromagnetic brake on flow field of liquid steel in the slab continuous casting mold

Metallurgical effect of electromagnetic brake (EMBR) could be influenced by many factors. A three-dimensional finite-volume mathematical model of region electromagnetic brake process has been built based on the theory of computational fluid dynamics (CFD) and magneto-hydrodynamics (MHD). Three-dimensional numerical simulation is studied by using the commercial software. The results from numerical simulation show that flow field in the mold can be effectively controlled by electromagnetic brake; electromagnetic force is the motive power of braking, the effects of EMBR is associated directly with the intensity magnitude of magnetic field, the reciprocal position between magnetic field and acting region and casting speed, etc.     

电磁制动下钢液射流及钢-渣界面波动行为的数值模拟

建立了描述全幅一段电磁制动作用下结晶器内钢液射流及钢-渣界面波动行为的数学模型,采用数值模拟方法研究了不同电磁参数对结晶器内钢液射流及其引起的钢-渣界面波动行为的影响,分析了磁感应强度及水平磁极与浸入式水口之间距离变化对结晶器内钢液射流行为和钢-渣界面波动行为的影响。结果表明,当全幅一段电磁制动稳恒磁场同时覆盖射流冲击区域、上返流和下返流区域时(D=20mm),电磁制动的施加可以有效控制钢液射流结构,降低上返流和下返流钢液流速,稳定钢-渣界面波动;当电磁制动水平磁极与浸入式水口垂直距离较远时(D=220mm),增大磁感应强度不能对结晶器内上返流区域钢液流速进行抑制,不利于钢-渣界面波动的稳定,增大卷渣发生几率。     

电磁连铸复合结晶器内钢液流场的数值模拟

采用数值模拟方法分析了电磁连铸复合式结晶器内的流场。对静磁场磁感应强度不同时组合磁场下的流场进行了比较,在此基础上,分析了电磁连铸复合式结晶器的工作原理。分析结果表明：电磁连铸复合式结晶器不仅具有电磁制动和软接触两种功能,而且能够控制弯月面区域的速率,使其保持在合适的范围内,从而有效地防止了电磁制动结晶器在需要较大制动强度时对弯月面制动过死及软接触结晶器弯月面波动剧易引起卷渣的弊端。     

板坯结晶器电磁制动三维电磁场的数值模拟

建立了板坯连铸结晶器电磁制动的电磁场的计算模型,分析在恒定电流作用条件下,结晶器内磁感应强度的分布情况,并与实测数据进行了对比。在不同电流作用下,讨论了结晶器内不同截面上磁感应强度的变化情况。结果表明：板坯结晶器电磁制动的磁场在铁芯处最大,并且在上下轭铁间形成了完整、封闭的磁回路,磁感应强度沿着结晶器高度方向呈现出类正弦分布的特征。在制动电流为300～700 A的工艺条件下,在距离结晶器上口约400～450 mm处,磁感应强度接近于0,此处的上部和下部区域内的磁感应强度的方向相反。电流大小的变化只会改变磁感应强度的大小,不会改变其分布,结晶器内磁场主要集中在水平方向,其它方向的分量较小。     

COUPLED NUMERICAL SIMULATION OF STEEL FLOW AND SOLIDIFICATION IN SOFT-CONTACT BILLET MOLD

A coupled model including electromagnetic field, fluid dynamic, heat transfer and solidification, is developed and applied to the numerical simulation of steel flow and solidification in a 100mm×100mm soft-contact mold. In this study, the 3D finite difference method and non-staggered grid system for fluid flow with body fitted coordinate were employed. Numerical results show that the electromagnetic force mainly affects the steel flow at upper part of mold, especially in the vicinity of meniscus. There exist upward flows covering the surfaces of the billet due to the concentration of electromagnetic force on the upper part of the billet. This flows join together and form a downward flow near the SEN, so a distinct circulating flow zone is formed at upper part of mold. After applying electromagnetic force, the steel velocity is improved and the temperature is raised. The strong stirring of electromagnetic force on liquid steel makes the kinetic energy on free surface increase. It is clearly seen that the     

板坯连铸结晶器电磁搅拌参数优化数值模拟研究

摘 要：采用数值模拟的方法,对电磁搅拌下板坯结晶器内的流场进行了计算,考察了不同连铸工艺和搅拌电流作用下的流场结构和分布特征,提出了自由液面的卷渣指数（MFEI）和结晶器内流场均匀性指数（VUI）,介绍了上述指数对板坯结晶器内流场电磁搅拌效果的判定方法,进而提出了搅拌参数的综合优化方法。     

板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动及流动行为的数值模拟

建立了板坯电磁连铸结晶器内钢/渣界面波动行为的三维数学模型,利用数值模拟方法研究了磁场与流场耦合作用下不同工艺参数和电磁参数对结晶器内钢/渣界面波动行为及流场的影响,通过VOF方法对不同条件下的钢/渣界面进行捕捉,讨论不同磁极位置、水口倾角、拉速及线圈电流强度对结晶器内钢/渣界面波动行为和流动的影响。模拟结果表明：电磁制动的施加可以显著降低钢/渣界面波高,减小射流对结晶器窄面的冲击。拉速和水口浸入深度恒定时,磁极位置和水口角度直接影响结晶器内流场形式：当[P＝]40 mm时,增加线圈电流可以降低结晶器内钢/渣界面波高和表面流速,从而减小由液面波动引发卷渣的概率;当磁极距离水口较远时[（P＝]80 mm）,随着线圈电流强度的增大,水口射流的冲击方向向上偏转,引起上回流的流动强度增强,导致钢/渣界面波高增加,增大卷渣发生的概率。     

INFLUENCES OF CASTING SPEED AND SEN DEPTH ON FLUID FLOW IN THE FUNNEL TYPE MOLD OF A THIN SLAB CASTER

In recent years, thin slab continuous casting technology has been widely used to improve the quality of the product and to reduce the cost. One of the challenges faced by this technology is to design reasonable flow patterns, which strongly affect the surface and inner properties of the final slab in the mold. With the fixed scales and complex geometrical structures of nozzle and funnel type mold, a series of numerical simulations are made to analyze the flow patterns in melt steel using finite volume method based on structured body fitted coordinate grids. The CFD （computational fluid dynamics） package is validated first using one typical case described in previously published studies, and then it is developed to study the effect of operational parameters on fluid flow in thin slab caster. Two operational parameters, casting speed and SEN （submerged entry nozzle） depth, are mainly considered for numerical analysis. On the basis of present simulations, the reasonable SEN submergence depths corresponding to different casting speeds are suggested according to fluid flow characteristics like, flow jet impingement on the narrow side of the mold, flow speed of the melt steel beneath the meniscus and the recirculation region. This is the first stage of study on the numerical analysis of the whole thin slab casting process with electromagnetic brake.