离心式连铸中间包内钢液流动特性的模拟

采用数值模拟对离心中间包内的钢液流动特性进行了研究,考察了分配室中挡坝的位置及旋转磁场强度对整体流场结构的影响,并通过试验验证了计算结果的可靠性.研究结果表明,当坝距较小时,分配室内形成了较大的水平环流,环流的形成有利于夹杂物的上浮去除.而当坝距较大时,分配室内的流场结构则呈现明显的非对称性,且随着坝距的增加,非对称越明显.这种非对称性的流场分布不利于钢液的混合,并导致了死区的形成.当磁场强度超过一定值时,磁场强度对钢液的整体流动形态无明显的影响.     

离心中间包内钢液流动的数值模拟

采用数值模拟方法对离心中间包内钢液的流动结构及混合特性进行了研究,并用水模型结果进行了验证.流场的研究结果表明:旋转室内强烈的湍流极大地促进了夹杂物的湍流碰撞生长.另外,在旋转室切向出流的影响下,分配室内形成了较大的水平环流.环流的形成增强了钢液的混合程度,且延长了夹杂物沿着液面运动的距离,增大了夹杂物的去除机会.对钢液停留时间分布(RTD)的预测结果表明:由于钢液的旋转流动,离心中间包内的死区体积明显减小,活塞区及混流区体积增加,从而夹杂物的上浮去除率提高.     

利用弯水口提高离心式中间包钢液旋流强度的研究

针对离心式中间包电磁驱动旋流强度不充分的问题,探讨在不增加外加能量或动力的情况下,利用弯水口将钢包内钢液的位置势能转化为水平出流动能以增强旋转室内钢液旋流强度的可能性.利用水模型观察实验,结合数值模拟手段,证明了弯水口注流可以增强离心式中间包旋转室内的旋流强度,在本研究条件下可以使最大速度值增加约15%.     

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。     

圆坯结晶器电磁搅拌过程三维流场与温度场数值模拟

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．     

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.     

利用自旋式湍流控制器提高中间包夹杂物去除率的研究

提出了一种自旋式湍流控制器,将钢液自身的重力势能转化为水平方向的动能,使其在湍流控制器内做旋转流动,以提高夹杂物的分离去除。采用CFD软件Fluent对中间包内的流场进行了数值模拟,分析了中间包内的流场特征。结果表明,自旋式湍流控制器内钢液的旋转运动明显,强烈的圆周运动有利于夹杂物的向心聚集、碰撞团聚、长大以及上浮去除。     

电磁旋流水口在钢圆坯连铸中的作用

机械式旋流水口连铸的工业试验结果表明:弯月面的钢液温度、稳定性以及铸坯的等轴晶率等能得到显著提高。但该工艺难以工业应用。本文作者提出了一种新的旋流连铸工艺,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。本研究通过磁场和流场的三维数值模拟,分析了电磁旋流装置结构对圆坯连铸过程中浸入式水口及结晶器内钢液速度的大小及分布的影响,并应用低熔点合金进行了实验验证。结果表明:非接触方式的电磁力可以有效地使钢液在浸入式水口内产生旋转流动。在同等条件下,圆形电磁旋流装置时钢液的速度分布最对称,速度值最大;改进马蹄形时的水口内流场分布与圆形的较为接近,比采用马蹄形时的更为对称,且速度值更大。在结晶器内,电磁旋流使钢液的冲击深度变小,上返流增强。这有利于温度的均匀化,提高弯月面的温度,以及促进夹杂物的上浮。考虑工业生产的操作方便问题,改进马蹄形电磁旋流装置比较适合生产实际。电磁旋流实验的结果验证了数值模拟的结果及计算方法的可靠性。     

电磁搅拌宽厚板结晶器内钢液流动和液面波动

为合理控制宽厚板结晶器内的钢液流动和液面波动,提高铸坯质量。通过数值模拟的方法研究了2 200 mm×250 mm连铸结晶器内的钢液流动和液面波动行为。考察了搅拌位置对流动和液面波动行为的影响规律。结果表明,电磁搅拌可增强上回流区域钢液流动,有利于均匀钢液成分和温度。电磁搅拌可使水口附近钢液的流速增加约0.04 m/s,增强了对水口附近钢液的搅拌。提高搅拌位置,搅拌产生的水平旋流增强了下返流流速,使熔池内下涡心位置上移。钢液的水平旋流使上返流发生偏转,减弱了上返流流速,降低了对液面的直接冲击,减小液面波动。适当提高电磁搅拌器位置有利于控制液面波动。电磁搅拌器中心位置Y=-0.1 m时,液面波动可由7.5 mm降低到3 mm以内,可减小液面卷渣,流场具有很好的对称性。     

圆坯连铸电磁旋流水口的数值模拟

在浸入式水口外部采用可移动的旋转电磁场装置,使水口内钢液形成旋转流动.通过对磁场和流场的数值模拟,分析了电磁参数和电磁旋流装置结构对钢液内磁感应强度和旋流速度大小及分布的影响.结果表明,钢液中心竖直轴线上的磁感应强度随线圈电流增大而增大,随频率增大而减小.采用圆形磁体时磁感应强度最大且分布均匀,优于马蹄形磁体;线圈电流500 A,频率50 Hz时,获得了在圆形装置作用下浸入式水口内及结晶器内的钢液的速度矢量分布,此时结晶器内产生了较强的旋流流动.从现场操作角度出发,提出了改进马蹄形电磁旋流装置.通过低熔点合金的电磁旋流实验验证了数值模拟的结果及计算方法的可靠性.