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。     

板坯连铸过程电磁搅拌二维电磁场的有限元数值模拟

运用变分有限元法对连铸板坯内二维低频交变电磁场进行了数值模拟。采用双侧线性电磁搅拌技术，模拟了不同电流强度时的电磁力矩变化规律，分别给出了电流强度与电磁力矩以及频率与电磁力矩的对应关系图，为实际生产中选择合适的电流和频率提供了理论依据。     

连铸板坯二冷区辊式电磁搅拌的磁场数值模拟

通过ANSYS有限元分析软件,在电流频率为6 Hz、电流强度变化的情况下,对连铸板坯二冷区电磁搅拌进行了数值模拟.分析了电流强度为400 A、电流频率为6Hz时,铸坯内部的磁感应强度和电磁力的变化规律.结果表明,铸坯中心的磁感应强度随电流强度的增大而增大;铸坯中心的电磁力在一个周期的不同时刻向同一个方向移动,并在该力的作用下完成对钢液的搅拌.     

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。     

板坯连铸结晶器电磁搅拌流场模拟

电磁搅拌对结晶器内流场和钢渣界面行为影响显著,通过建立1∶5的板坯连铸结晶器电磁搅拌物理模型试验系统和实际结晶器的数学模型,研究了不同搅拌电流对结晶器内流场的影响,并引入了自由表面冻结指数和卷渣指数分别评价自由表面钢液冻结和卷渣概率。结果表明,物理模拟试验系统测得的流场可为数值模拟提供验证支撑;当不施加电磁搅拌时,结晶器内流场为典型的双环流结构,自由表面流速较小,自由表面冻结指数为0.52,卷渣指数为0;施加电磁搅拌后,在结晶器上部形成水平环流,自由表面流速增大;增大搅拌电流,环流效果更加显著,自由表面冻结指数降低卷渣指数增大,当搅拌电流为700 A时,冻结指数降低至0.04,卷渣指数增加至0.245。因此,综合考虑卷渣指数和冻结指数可知,较优的搅拌电流为600 A。     

板坯连铸机二冷段冷却水分配

本文通过析衷两种二冷段冷却水分配方法,得到的二冷段各冷却区水量分配式,经用现有连铸机验证,吻合较好,对类似连铸机的设计具有一定的参考价值。     

连铸板坯二冷区辊式电磁搅拌器搅拌方式模拟

在板坯连铸二冷区采用电磁搅拌能够有效地改善铸坯品质,如提高等轴晶率等.利用有限元模拟软件ANSYS对连铸板坯二冷区辊式电磁搅拌器进行了数值模拟.结果表明,当两组辊式电磁搅拌器的间距为5辊间距(1 200 mm)时,三环式搅拌方式优于双蝶式;当两组辊式电磁搅拌器紧邻(0 mm)时,双蝶式搅拌优于三环式搅拌.     

武钢一炼钢厂方坯连铸二冷段电磁搅拌试验简结

武钢为了将硬线钢等高碳钢从模铸转移到连铸中生产,并为以后在连铸中硬线钢的铸态质量作准备,即与武汉冶金科技大学合作,共同开发方坯连铸二冷段电磁搅拌技术,但由于各方面工作仍未成熟,本次试验还是以低碳钢作为搅拌对象,因此本文以LQ235钢和20MnSi钢的试验数据为依据,分析电磁搅拌对铸态质量的影响,并对电磁搅拌成套设备作出评价。通过试验认为,此套二冷段电磁搅拌成套设备能适应二冷段严酷的工作环境,是搅拌钢水的可靠设备,操作简单,安装方便,维修简便,搅拌效果显著,只要作适当改进,可以替代进口,而且价格低廉,能在国内方坯连铸机上普及推广。     

武钢一炼钢厂方坯连铸二冷段电磁搅拌试验简洁

武钢为了将更线钢等高碳钢从模铸转移到连铸中生产，并为以后在连铸中硬线钢铁的铸态质量作准备，即与武汉冶金科技大学合作，共同开发方坯连铸二冷段电磁搅拌技术，但由于各方面工作仍未成熟，本次试验还是以低碳钢作为搅拌对象，因此本文以ＬＱ２３５钢和２０ＭｎＳｉ钢的试验数据为依据，分析了电磁搅拌对铸态质量的影响，并对电磁搅拌成套设备作出评价。     

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。     

连铸结晶器电磁偏心搅拌过程数值模拟研究

全弧形连铸机的结晶器电磁搅拌中心线,其实是与铸坯中心线不重合的,其产生的冶金效果也存在偏差。通过对连铸结晶器电磁偏心搅拌过程机理的研究,建立准确的数学模型,为制定正确的连铸操作工艺制度提供技术指导,以提升铸坯质量。     

连铸板坯辊式电磁搅拌多场耦合模拟

基于库伦规范的Maxwell方程组与标准[k-ε]湍流模型,在考虑铸机结构与铸坯凝固的条件下建立了电磁搅拌传输数值计算的模型。研究了连铸板坯二冷区辊式电磁搅拌凝固坯壳形状与钢液流场的相互影响。结果表明：相对于不考虑凝固,凝固坯壳明显减弱了电磁搅拌强度;凝固坯壳使得钢液流速降低,回流区影响范围减小。电磁搅拌作用下的流场与传热影响凝固坯壳的形状。     

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。     

大方坯连铸结晶器电磁搅拌的数值模拟

对大方坯连铸结晶器电磁搅拌过程的流场和温度场进行了数值模拟,并讨论了搅拌强度对流场和温度场的影响。结果表明：在结晶器电磁搅拌下,搅拌器区域的钢液变为水平旋转,使从水口向下吐出的钢水与向上回流的钢水流股相冲突,流股侵入深度变浅,从而使轴向温度迅速降低,径向温度升高,提高了热区位置,有利于传热;搅拌强度越大,钢水的二次流现象越明显,热区位置越高。     

复合材料制备中电磁搅拌电磁场的数值模拟

利用ANSYS软件,对电磁搅拌法制备复合材料的电磁场进行了数值模拟,并与实测值进行了比较。结果表明,电磁搅拌复合坩埚内磁感应强度呈三维分布,其数值在坩埚高度方向上中间处最大：相同频率下,磁感应强度均随着电流的增大而增大;相同电流强度下,磁感应强度随着频率的增加而减小。坩埚内金属中的电磁力分布与磁感应强度分布规律类似。     

电磁铸造大板坯半连续过程温度场的数值模拟

Ａｌ的电磁铸造为半连续铸造过程，它的数学模型是空间非稳态非齐次热传输方程，提出并证明了以ｔ时刻板坯占有的空间作为计算域，采用三维非稳态热导方程，计算下一时刻（ｔ＋Δｔ）的温度场，并将温度场的位置随拉坯速度ｖ的方向移动ｖΔｔ，然后，将顶部空缺的ｖΔｇ空间由浇注的金属熔液充满。     

辊式二冷区电磁搅拌频率对板坯质量影响试验研究

进行了辊式二冷区电磁搅拌不同频率对板坯质量影响的研究,试验选择搅拌频率分别是5、6、7、8、9 Hz。试验结果表明：在板坯电磁搅拌过程中,其它工艺参数相同的情况下,当频率由5 Hz增加到8 Hz时,板坯中心等轴晶率随着频率增大而增大;当频率由8 Hz增加到9 Hz,板坯中心等轴晶率随着频率增大而减小;当频率为8 Hz时板坯等轴晶率达到最大值,板坯的中心疏松全部控制在0.5级,中心偏析评级全部控制在C1.5级以下,铸坯凝固组织的致密性和均匀性增强。板坯二冷区电磁搅拌中电磁力随频率的变化不是单调的,而是有个最大值,最佳频率的位置与板坯厚度、钢水电导率、液芯大小、搅拌器参数等有关。     

二冷电磁搅拌下板坯连铸机内流动和凝固行为

二冷电磁搅拌(S-EMS)是板坯连铸生产中重要的电磁冶金技术。采用数值模拟方法研究了二冷电磁搅拌对板坯连铸机内钢液流动和凝固的影响。数值结果表明,二冷区电磁辊产生的磁场主要集中在电磁辊附近。二冷电磁搅拌对结晶器钢液的流场影响不明显,对二冷区凝固坯壳的厚度影响也不明显。当上下两对电磁辊的电流方向相反时,二冷区流场呈三环式;当上下两对电磁辊的电流方向相反时,二冷区流场呈双蝶式。     

电磁环境下板坯结晶器内钢水流场的数值模拟

以2150mm板坯连铸机为研究对象,在商业软件CFX平台上对结晶器内钢水流动和液面波动过程进行了静态电磁场下的数值模拟与分析,重点研究了两种环境(有电磁制动与无电磁制动)下钢水流动状态的变化,对电磁环境下结晶器内钢水流动做出了较为详细的预报。     

电磁铸造大板坯半连铸过程温度场的数值模拟

Al的电磁铸造为半连续铸造过程，它的数学模型是空间非稳态非齐次热传输方程,提出并证明了以t时刻板坯占有的空间作为计算域，采用三维非稳态热传导方程，计算下一时刻（t＋△t）的温度场，并将温度场的位置随拉坯速度v的方向移动v△t，然后．将顶部空缺的v△t空间由浇注的金属熔液充满，此时的温度场即t＋△t时刻板坯行进位置的温度场.由于三维非稳态热传导方程具有稳定收敛的计算格式，所编制的软件可通用于三维非稳态热传输过程.模拟了1860mm×510mmAl合金大板坯，与文献已有的实测结果相比较，基本吻合.模拟结果表明，在板坯表面液柱高度相同的情况下．拉坯速度越大，液穴越深