3D NUMERICAL SIMULATION OF FLOW FIELD AND TEMPERATURE FIELD IN A ROUND BILLET CONTINUOUS CASTING MOLD WITH ELECTROMAGNETIC STIRRING

建立了描述圆坯连铸结晶器电磁搅拌过程的三维数学模型. 采用有限元和有限体积结合的方法求解Maxwell方程组和湍流Navier-Stokes方程, 分析了结晶器电磁搅拌过程的磁场、流场、温度场和夹杂物轨迹特征, 并考虑了励磁电磁强度和频率的影响. 研究表明, 磁场模拟结果与现场实测数据一致, 电磁力在圆坯水平截面上呈周向分布. 钢液在结晶器纵截面内形成两对回流区, 且在水平截面内旋转流动; 过热钢液滞留在结晶器上部区域, 铸坯芯部温度迅速降低, 凝固前沿温度梯度提高; 大部分夹杂物积聚到结晶器上部区域旋转运动. 励磁电流强度和频率对结晶器内钢液的流动、温度分布及夹杂物运动均有明显影响.     

电流频率对连铸圆坯流场-温度场影响的模拟研究

以φ430 mm的圆坯为实验对象,采用磁场传输方程和k-ε双方程模型对钢液的流场和温度场进行耦合数值模拟,分析有、无电磁搅拌的情况下,结晶器内钢液的流场和温度场分布情况,进一步改变电流频率,分析在不同电流频率下的流场和温度场分布情况。模拟结果表明:施加电磁搅拌时,迫使结晶器纵向截面内的钢液出现上、下两对回流区,其回流方向相反,钢液在水平截面内做旋转运动;铸坯芯部温度降低,高温区域范围缩小,热区位置上移;电流频率增大时,下回流区开始形成,上回流区位置升高。     

板坯连铸机内钢液流动和夹杂物碰撞长大行为

采用数值模拟方法研究了板坯连铸机内钢液流动、夹杂物碰撞聚合行为.由于凝固坯壳的向下运动和上升流股的相互作用,在结晶器窄面附近形成一个角部涡.此角部涡的存在使夹杂物的浓度、数量密度和特征尺寸的分布在结晶器窄面附近产生一个极值.数值模拟结果还表明钢液的对流输运是影响夹杂物分布的重要因素.由于钢液上部回流区的存在,夹杂物分布显现环状特征.在结晶器下部,由于壁面效应和夹杂物碰撞聚合,夹杂物在中心截面上形成"W"形分布,在水平截面上形成"8"字形分布;而在铸坯窄面和水口下方对称面处,夹杂物形成"V"形分布.     

内置式搅拌磁场对连铸空心铸坯内夹杂物分布影响

耦合求解了电磁场方程以及夹杂物守恒方程,考虑了夹杂物间的湍流碰撞以及斯托克斯碰撞,计算获得了拉速以及行波式电磁搅拌对结晶器内夹杂物分布的影响规律。结果表明,结晶器内夹杂物的运动规律与钢液的流动状态密切相关,拉速越大,钢液的浸入深度越深,则结晶器出口处夹杂物的数量越多,夹杂物的尺寸越小。施加行波式搅拌磁场可以使钢液流动加强,并减小钢液的浸入深度,有利于夹杂物的聚集长大上浮,结晶器内夹杂物的尺寸较大,但数量减少。因此,在连铸空心管坯内部施加搅拌磁场有利于去除钢中夹杂物,从而改善连铸空心管坯的质量。     

一种新的旋流连铸技术——电磁旋流水口

日本及中国的学者研究表明,在连铸过程中浸入式水口内的旋转流动可以有效改善结晶器内的流体流动状态并提高钢坯的表面和内部质量。笔者提出一种新的旋流连铸技术,即利用水口外的旋转电磁场对钢液的洛伦兹力,使水口内钢液形成旋转流动。对圆形电磁旋流装置作用下圆坯及方坯连铸过程结晶器内钢液流场进行了三维数值模拟,分析了350 A电磁旋流作用下圆坯及方坯结晶器内钢液流场。结果表明：①水口电磁旋流使得圆坯结晶器内的钢液都处于旋转状态。②有旋流时,在方坯结晶器角部的附近可以观察到水平流动;钢液的冲击深度更小,上返流增强。     

方坯连铸结晶器电磁搅拌磁场与流场数值模拟

随着高速连铸技术发展,人们对连铸坯质量的要求越来越高,结晶器电磁搅拌是保证连铸坯质量一个重要的措施.借助有限元分析方法,对小方坯结晶器电磁搅拌过程进行磁场和流场耦合数值分析,得出了不同频率下钢液内部磁感应强度和电磁体积力及搅拌速度的分布规律.模拟结果表明:在结晶器电磁搅拌时,随着频率的增加,钢液内部磁感应强度降低,电磁体积力在钢液内部分布不均匀;在电流频率为3 Hz时,钢液搅拌速度最大.     

大方坯连铸结晶器电磁搅拌三维电磁场与流场的数值模拟

建立了描述大方坯连铸结晶器电磁搅拌过程的电磁场和流场三维数学模型,并分别用有限元、有限体积法进行数值求解,对电磁场计算结果进行了实测检验.结果表明,电磁力在水平面上呈周向分布,铸坯边缘上的切向电磁力在搅拌器中心横截面上最大,在结晶器出口处有一峰值.钢液在横截面内旋转流动,而在纵截面内形成4个旋涡.在铸坯内,从水口向下吐出的钢水与向上回流的钢水流股相冲突,使流股侵入深度变浅,同时使流股向四周发散,从而有利于传热.励磁电流强度与频率对电磁力和流场均有影响.     

水口位置对电磁偏心搅拌作用下大圆坯连铸结晶器内流动及传热的影响

为消除电磁偏心搅拌给φ380 mm断面圆坯质量造成的不利影响,采用数值模拟方法研究了水口位置对大圆坯连铸结晶器和足辊区内钢液流动和传热的影响。结果表明:在电磁偏心搅拌作用下,大圆坯外弧侧更大的电磁力使从水口进入结晶器的钢液流向外弧侧,并使外弧侧钢液温度升高。将水口向内弧侧偏移后,水口内钢液流向内弧侧,碰到结晶器壁后形成一个较大的回流区,结晶器上部回流区缩小;钢液温度尤其是弯月面处钢液温度明显降低,同时内、外弧侧钢液温差增大。虽然改变水口位置有利于消散钢液热量,但不利于保护渣熔化且增加内、外弧钢液温差,所以改变水口位置的方法不宜用于消除电磁偏心搅拌的不利影响。     

大方坯结晶器电磁搅拌磁场流场耦合数值模拟

为了更加清楚的了解大方坯结晶器电磁搅拌过程钢液流动的状况,采用耦合数值模拟的方法,以矢量图和云图的形式直观地研究了结晶器电磁搅拌电流和频率对大方坯流场分布的影响.结果表明,随着电流和频率的增加,速度和湍动能逐渐增大,搅拌器的影响区域也逐渐靠近中心,电磁场的影响区域增大.     

板坯连铸结晶器内钢液过热消除过程的数值模拟

利用数值模拟方法研究了连铸结晶器内钢液的三维温度分布和传热,分析了水口浸入深度、水口侧孔倾角、结晶器宽度、拉速、钢液过热度、吹Ar、电磁制动及吹Ar量和电流强度等对结晶器内过热钢液的温度分布和传热的影响.结果表明,凝固坯壳前沿的最大热量传入处出现在结晶器窄面的钢液冲击点附近,钢液的大部分过热耗散发生在这一区域附近;过热钢液传递到凝固坯壳表面的热流量与拉速和过热度的增加成正比;吹Ar导致结晶器窄面冲击区域和宽面上部区域的热流密度增加;电磁制动有利于提高结晶器上部区域的温度,但对热流密度分布没有明显影响;吹Ar和电磁制动的双重作用使结晶器上部区域的宽面热流密度提高,冲击区域的热流密度分布没有明显变化.     

大圆坯连铸M-EMS参数对磁场和流场分布的影响

采用有限元法和有限体积法对φ250mm大圆坯连铸结晶器电磁搅拌(M-EMS)磁场和流场进行耦合计算。分析了不同电磁搅拌电流和频率下磁场和流场的分布。研究表明,数值模拟结果与实测结果基本一致。钢液中心面的磁感应强度在角部要明显大于中心。电磁力在横截面周向上分布均匀,流动呈涡旋状。当频率相同时,磁感应强度、电磁力和流速随着电流的增加而增加。当电流相同时,沿拉速方向,磁感应强度随频率增加而减小,电磁力和流速随频率的增加而增加。沿搅拌器中心径向,磁感应强度和电磁力随频率增加而减小,频率对切向流速的影响不大。对于φ250mm大圆坯连铸结晶器电磁搅拌,在电流和频率为480A,3Hz时能起到良好的搅拌效果。     

两段式无缝软接触电磁连铸结晶器内的电磁场分布

通过有限元数值模拟,研究了两段式结晶器上半段长度、感应线圈的位置及液面位置对结晶器内部磁场的影响,分析了两段式结晶器的电磁场分布规律.结果表明:两段式结晶器的上半段越长或线圈位置越靠上,结晶器的透磁效果越好;液面位于线圈中心偏上20 mm时,内部磁场的作用效果最佳.在本研究条件下,两段式结晶器的透磁效果良好,磁感应强度主要集中在结晶器上半段钢液的弯月面区域.纵向磁场在结晶器上半段高度的范围内逐渐增强,在结晶器下半段高度的范围迅速衰减;周向磁场在钢液表面均匀分布;径向磁场由钢液表面向内部逐渐衰减.与切缝式结晶器比较,两段式结晶器内部磁场分布更均匀.     

射流型磁场排布方式控制结晶器内液流的实验研究

以水银为介质,通过物理模拟实验考察射流型磁场排布方式对中厚板坯连铸结晶器内流场的控制.采用超声波Doppler 测速仪测量有、无磁场下的结晶器内液态金属流速,研究磁场排布和强度对水口出流、结晶器内流动、液面流动、结晶器窄面模壁的冲刷作用等的影响.实验显示,射流型磁场排布方式使水口出流流速受到比通常磁场排布方式更强的抑制...     

连铸过程中间歇式高频磁场代替结晶器机械振动的可行性实验研究

探讨了连铸过程中用电磁力代替结晶器机械振动的可行性，用高速摄像机观察了保护渣的浸入、排出行为；测定了保护渣的消耗量，根据分瓣形水冷铜质结晶器无机械振动电磁模拟实验结果，选择比固有频率稍小的间歇频率、可保证结晶器与初期凝固坯间的润滑，获得了较好的铸坯表面质量。     

REVISED κ -ε TURBULENCE MODEL IN ELECTROMAGNETIC CONTINUOUS CASTING OF MELT

The research is motivated by the ongoing the electromagnetic continuous casting of molten metal. The revised k-ε model considering the effect of magnetic field application was derived. The specific model equations for the electromagnetic braking were used to calculate the velocity distribution in the continuous casting mold of steel. The results show that the revised k-ε model considering the effect of magnetic field application tends to suppress the production of turbulence and difference between the conventional and revised k-e model is small.     

间断高频磁场作用下连铸铸型内金属液的运动和铸坯的表面质量…

借助于光纤摄像机观测了钢液的模拟物－液体Ｇａ和铸型之间的接触状态，研究了间断接触距离（表征接触状态的量）和磁场间断频率的依存关系，进行了间断磁场作用下液体金属共振动运动的理论分析，在分别加间断磁场和连续磁场的条件下，进行了Ｓｎ的连续铸造模拟实验，当间断频率ｆｉ接近于实验系统的固有频率时，金属液产生共振运动使用弯月面和铸型之间的间断接触距离增大，金属液缓冷效果相对较好，和连续磁场对比，间断磁场能更有     

方坯结晶器电磁搅拌磁场特性研究

对杭钢方坯结晶器电磁搅拌磁场和扭矩进行了冷态测试,研究了磁场和扭矩随电流、频率的变化规律及磁场的空间位置分布特点。结果表明,磁感应强度大时,电磁力矩不一定大,强调应把电磁力矩作为搅拌器性能的最佳指标。通过不同频率下的扭矩值确定EMS的最佳频率,结果对合理制定及优化电磁搅拌工艺参数提供了理论依据。     

间断高频磁场作用下连铸铸型内金属液的运动和铸坯的表面质量Ⅱ.金属液的运动特性

借助于光纤摄像机观测了钢液的模拟物─—液体Ga和铸型之间的接触状态，研究了间断接触距离（表征接触状态的星）和磁场间断频率的依存关系，进行了间断磁场作用下液体金属共振运动的理论分析在分别加间断磁场和连续磁场的条件下，进行了Sn的连续铸造模拟实验当间断频率f1接近于实验系统的固有频率时，金属液产生共振运动使弯月面和铸型之间的间断接触距离增大，金属液缓冷却效果相对较好和连续磁场对比，间断磁场能更有效地抑制铸型振动引起的液面运动，在获得同等表面质量铸坯的情况下，可以节省电力50％－70％     

PENETRATION OF MAGNETIC FIELD IN TWO-STAGE SLITLESS MOLD FOR SOFT-CONTACT ELECTROMAGNETIC CONTINUOUS CASTING

为了验证两段式软接触电磁连铸结晶器的透磁效果, 测试了两段式结晶器内部的磁感应强度及弯月面高度, 并与传统结晶器进行比较, 结果表明：(1) 两段式结晶器的透磁效果随结晶器壁厚的减小而增强, 当结晶器的壁厚 为5 mm时, 两段式结晶器内部的磁感应强度比传统结晶器增大71.3%;(2) 两段式结晶器内部的磁感应强度随电 源功率和线圈位置的提高而增强;(3) 随电源功率的增加, 两段式结晶器内金属液的弯月面高度随之增大, 电源功 率为10、20和30 kW时对应的弯月面高度分别为2.9、4.7和8.2 mm.