板坯二冷段电磁搅拌数值模拟研究

利用有限元分析软件ANSYS对板坯二冷段电磁搅拌电磁场进行数值模拟研究,分析了电流强度、电流频率及浇注断面尺寸对电磁场的影响。模拟结果表明:不同频率和电流强度下搅拌器内磁感应强度分布趋势基本相同,根据磁感应强度分布均匀且相对最大的原则,此搅拌辊最佳电磁搅拌频率为5～6.5 Hz。不同电流强度条件下沿宽度方向距左侧1/3处的磁感应强度波峰比右侧的高近50%,磁感应强度的大小随着电流强度的增大而增大,沿厚度方向中心部位磁感应强度最小,仅仅是靠近铸坯表面的一半。为保证搅拌力较大的位置位于铸坯内部,最佳浇注断面宽度尺寸是800～2000 mm。模拟结果为板坯二冷电磁搅拌的使用奠定了基础。     

圆坯凝固末端电磁搅拌电磁场的数值模拟

以某厂圆坯凝固末端电磁搅拌器为研究对象,建立了圆坯凝固末端电磁搅拌的三维数学模型。利用有限元软件ANSYS对电磁场的分布规律进行了数值模拟,研究了不同工艺参数对磁感应强度和电磁力分布规律的影响。研究结果表明：当电流频率为8 Hz,电流强度从100 A增加到400 A时,搅拌器中心处的磁感应强度从19.5 mT提高到77.9 mT,中心横截面上切向电磁力的最大值从115 N/m3提高到1 837 N/m3。当电流强度为300 A,电流频率从4 Hz增加到12 Hz时,搅拌器中心处的磁感应强度从60.3 mT下降到55.6 mT,中心横截面上切向电磁力的最大值从550.2 N/m3提高到1 501.8 N/m3。     

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。     

螺旋磁场电磁搅拌的数值模拟

建立描述不同磁场搅拌模式下的三维有限元模型,对比研究励磁电流、搅拌频率、搅拌器空间位置对磁感应强度和电磁力的影响规律。结果表明:磁场模拟结果与实测数据吻合良好,磁感应强度随励磁电流的增加呈线性增加;随搅拌频率的增加递减,磁感应强度沿中心轴线的分布表现为"中间大两头小"的特点,在径向铸坯边缘处最大,向中心逐渐衰减。电磁力随励磁电流和搅拌频率的增加而增大,中心轴线上底部电磁力值最大,并沿着轴线方向向上逐渐衰减;半径方向上边缘处的电磁力最大,向铸坯心部方向有小幅度的衰减。不同磁场作用下的计算结果表明:搅拌参数相同时,螺旋磁场具有更强的磁感应强度和电磁力,引起金属熔体沿径向和轴向上更大范围的流动,更有利于改善合金成分分布和凝固组织。     

连铸圆坯凝固末端电磁搅拌位置及工艺参数优化

通过有限元模拟对包钢圆坯铸机连铸过程钢液凝固过程进行分析,确定了凝固末端电磁搅拌的安装位置。采用瞬态磁场分析方法,分析了凝固末端电磁搅拌过程中铸坯内部的磁感应强度、电磁力的分布,并对凝固末端电磁搅拌的工艺参数进行了优化。通过优化计算,在拉速为0.45m/min,比水量为0.18L/kg,过热度为25℃的工艺条件下,430mm铸坯凝固末端的电磁搅拌工艺参数:电流为250A,最佳频率为10Hz。现场对搅拌器内部磁感应强度进行冷态测试,测试结果和模拟结果相符合。     

大方坯连铸凝固末端电磁搅拌的数值模拟和试验分析

通过ANSYS有限元对凝固末端电磁搅拌(F-EMS)进行数值分析,得出凝固末端电磁搅拌的优化工艺参数为电流300 A、频率8 Hz,铸坯中心的磁感应强度能够满足要求.现场冷态测试结果和模拟结果基本吻合.以此为基础为包钢设计并制造出280 mm×380 mm大方坯凝固末端电磁搅拌器.生产试验表明,大方坯凝固末端电磁搅拌能够显著改善铸坯的中心疏松、缩孔等缺陷,减少了碳的偏析.     

圆坯连铸机电磁搅拌磁场特性研究

采用CST-11A型数字特斯拉计、扭矩仪测量对某圆坯连铸机结晶器与末端电磁搅拌的磁场、电磁扭矩进行测试研究,研究了磁感应强度和扭矩与电流、频率的变化规律及磁场的空间分布特点。研究表明：电磁力与磁感应强度的平方成正比关系,频率和磁感应强度成反比关系。结晶器内磁感应强度轴向最大位置在距结晶器上口900 mm位置,向两侧陡降;径向分布不均匀,由搅拌器内表面向中心逐渐减小;高频率的磁场经结晶器铜管后衰减更大。结晶器、末端电磁搅拌的电磁扭矩随着电流强度和频率的增加而增大,频率对结晶器电磁扭矩影响较电流影响更为平缓,而末端电磁扭矩与频率的变化趋势受频率范围影响,研究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。     

高碳硬线钢小方坯末端电磁搅拌工艺实践

结合中天钢铁股份有限公司第三炼钢厂小方坯连铸机的生产实际,在末端电磁搅拌位置处进行射钉试验测量液芯厚度,利用高斯计现场测量搅拌器中心位置磁感应强度,并以高碳硬线钢70钢为研究对象开展末端电磁搅拌工艺参数电流、频率、搅拌方式的优化试验。结果表明,最佳工艺参数搅拌电流为340 A,搅拌频率为6 Hz,搅拌方式为连续搅拌,拉速为1.6 m/min时,铸坯中心碳偏析达到最小值1.07。     

电磁搅拌条件下小方坯结晶器内钢液流动行为的数值模拟

采用数模分析结合生产实践的方法,对小方坯连铸结晶器电磁搅拌过程及相关问题进行了理论与实践分析.结果表明,电流强度与频率对磁感应强度有直接影响；150 mm×150 mm断面的最佳搅拌频率为4Hz；当搅拌电流在250～400 A之间变化时,搅拌速度大小范围在0.71～ 1.06 m/s；该计算应用于生产实践取得了较好的生产实效.     

结晶器电磁搅拌对45钢方坯凝固结构的影响研究

通过在160 mmX200 mm连铸机上进行的试验,研究了结晶器电磁搅井对45钢方坯凝固结构的影响.研究表明,同一频率下,随搅拌电流强度的增加,铸坯的等抽晶率明显增加;电流强度不变时,随着频率的增加,等轴晶率基本保持不变;并讨论了衡量电磁搅拌效果的指标问题,通过分析磁感应强度、电磁扭矩与电磁搅拌参教的关系可以得出,铸坯等轴晶率变化趋势与电磁扭矩变化趋势有良好的一致性,电磁扭矩比磁感应强度更有效地反映电磁搅拌效果,前者更真实地衡量了电磁揽拌对钢液的搅拌强度,随着搅拌强度的提高,铸坯等轴晶率提高.通过研究,优化了结晶器电磁搅拌工艺,使铸坯等轴晶率达60%以上,改善了中心碳偏析,降低了硫松及缩孔程度.     

电磁搅拌法制备半固态浆料过程中电磁场的数值模拟

建立了电磁搅拌法制备半固态金属浆料电磁场的计算模型,采用商用ANSYS软件对电磁场分布进行了数值模拟,分析了线圈和坩埚间的缝隙、坩埚材质、电流和频率对磁感应强度的影响规律,并进行了相应的试验验证.研究结果表明,电磁场模拟结果与试验结果具有较好的一致性,验证了计算模型与软件算法的可行性.在电磁力的作用下,铝合金熔体在水平方向上产生旋转运动,由于感应电流的集肤效应,合金熔体中的电磁力由外向内依次减小;磁感应强度随频率的增大而依次减小,随电流的增大而依次增大;在选用不锈钢坩埚,坩埚和线圈间缝隙为5 mm时可以使铝合金熔体获得的磁感应强度最大;在电流为50 A,频率为10 Hz时电磁搅拌法可以获得更加细小均匀的半固态组织.     

电磁场相位对小方坯连铸结晶器电磁搅拌的影响

通过数值模拟对两相和三相结晶器电磁搅拌器作用下钢液内部的磁场和流场进行耦合数值分析,得出了不同相位电磁搅拌时,钢液内部磁感应强度、电磁体积力及搅拌速度的分布规律.模拟结果表明:在相位差为90°的两相电磁搅拌器结晶器电磁搅拌时,钢液内部的磁感应强度、电磁体积力及钢液的搅拌速度要比相位差为120°三相电磁搅拌器的高.计算结果与文献中实验结果及宣钢等厂的生产实践结果一致.     

优化工艺下电磁搅拌对板坯冶金效果的影响

为了研究板坯辊式电磁搅拌器对板坯冶金效果的影响,采用现场试验的方法,经过调整电磁搅拌工艺参数及连铸工艺参数,揭示了优化工艺条件下电磁搅拌对板坯冶金效果的影响。研究表明,电源频率为7 Hz,电流分别为0、100、400 A时,电磁搅拌力依次增强,对板坯的冶金效果逐渐改善;当电磁搅拌辊的数量增加时,板坯非稳态下的低倍质量提高;当相同电磁搅拌参数应用于相同钢种时,只有在综合优化连铸工艺参数条件下才能得到好的冶金效果。参数条件为电源频率7 Hz、板坯拉速0.9 m/min、电流400 A。     

金属液在旋转电磁搅拌器作用下的流动分析

对自行研制的电磁搅拌器中金属液的电磁场和流场进行数值模拟，并进行实验验证。结果表明：在旋转磁场搅拌器作用下，金属液中除存在横截面上的旋转离心流动外，还存在着纵向的大环流，但二者速度不同，前者比后者高出一个数量级：金属液表面的磁感应强度风与电流频率成反比，与输入的电压成正比：金属液所受电磁力的最大值与磁感应强度B0的平方成正比，与频率的n次方成反比，其中1／2≤n≤3／2：n与金属液的电阻率有关，电阻率越小则n越小：对于纯铝n为1／2，对于纯锡和纯铅n为1；金属液的转速与磁感应强度R0成正比，与金属液密度的平方根成反比。     

铝合金半固态浆料制备过程的电磁-流体数值模拟

利用ANSYS软件时旋转型电磁搅拌作用下铝舍金半固态浆料内的电磁场、不同温度下浆料内流场进行了数值模拟。分析了励磁电流强度和频率的变化对半固态浆料内的磁感应强度、电磁力及流动状态的影响。结果表明：在相同频率下，半固态浆料内的磁感应强度、电磁力的大小随电流强度的增加呈线性增加的关系；在相同电流强度下，磁感应强度是随着频率的增大而减小的，而电磁力是增大的，但数值变化不大。随浆料中固相体积分数的增加，使半固态浆料的温度降低．粘度增大，流动速度降低。     

Effect of electromagnetic stirring on solidification structure of austenitic stainless steel in horizontal continuous casting

An investigation on the influence of low frequency rotary electromagnetic stirring on solidification structure of austenitic stainless steel in horizontal continuous casting was experimentally conducted and carried out on an industrial trial basis. The results show that application of appropriate electromagnetic stirring parameters can obviously improve the macrostructure of austenitic stainless steel, in which both columnar and equiaxed grains can be greatly refined and shrinkage porosity or cavity zone along centerline can be remarkably decreased due to eliminating intracrystalline and enlarging equiaxed grains zone. The industrial trials verify that the electromagnetic stirring intensity of austenitic stainless steel should be higher than that of plain carbon steel. Electromagnetic stirring has somewhat affected the macrostructure of austenitic stainless steel even if the magnetic flux density of the electromagnetic stirring reaches 90 mT (amplitude reaches 141 mT ) in average at frequency f=3-4Hz, which provides a reference for the optimization of design and process parameters when applying the rotary electromagnetic stirrer     

板坯结晶器电磁搅拌电磁场与流场的数值模拟

建立了板坯结晶器电磁搅拌过程电磁场与流场计算的三维数学模型,采用SIMPLER方法对2对极和4对极条件下的电磁场与流场进行了数值求解。结果表明:磁感应强度B和电磁力F都呈现出关于结晶器中心对称的规律;结晶器两侧每一对N、S极之间的水平面内,电磁力都呈现圆周状分布的规律;板坯宽面边缘的电磁力较大,而板坯窄面边缘和中心区域的电磁力较小;与4对极相比,2对极产生的磁感应强度和电磁力大,钢液的流速大,搅拌强度大;无结晶器电磁搅拌时,铸坯边缘的纵断面的流场主要分成四个回流区;而有结晶器电磁搅拌时,左侧的两个回流区基本消失,右侧两个回流区减小。     

板坯连铸铸流电磁搅拌辊的设计与应用

利用有限元分析软件对板坯连铸铸流电磁搅拌辊的磁路结构及应用参数进行设计。根据连铸机辊列图,计算了铸流电磁搅拌辊的安装位置及各使用工艺参数下等轴晶率。在满足安装空间的基础上,计算了一定铁芯尺寸下的最佳安匝数、磁场强度、电磁搅拌辊各组件温度分布、辊套变形量等参数。模拟结果表明,电磁搅拌辊安装在扇形段1号段的1号位和9号位能得到47.6%～61.6%的等轴晶率。在辊套直径240 mm的尺寸下,结合绕线空间及安装空间,铁芯直径最大尺寸为127 mm,此铁芯尺寸下的最大电流为400 A。计算的搅拌辊温度分布、辊套变形量指导了工程冷却水量设计及机械结构设计。试验结果表明,数值模拟的磁感应强度与实际测试的磁感应强度基本一致。通过实际运行结果发现,设计的冷却水量满足冷却要求。浇注断面为200 mm×1 000 mm的400系不锈钢铸坯在拉速为0.9 m/min时,铸坯的等轴晶率为55%,这与设计值基本一致。模拟结果正确指导了板坯连铸铸流电磁搅拌辊的设计与应用。