方坯电磁制动磁场的模拟研究

为了优化磁路的设计、更好地完善方坯电磁制动理论,建立了方坯电磁制动磁场计算的数学模型,开发了计算可靠、适用性强,能适应不同尺寸磁铁的方坯磁场计算程序。通过数值模拟阐明了方坯电磁制动磁路内三维磁场的分布特点。列出了全部电磁参数和结构参数共8个因素,找出影响磁场因素的主次顺序,得到与最大磁感应强度对应的较好的磁路配置条件,讨论了操作条件对磁场的影响规律,并得到了工作间隙中心点处磁感应强度的无量纲关联式。     

线材水平电磁连铸过程中磁场分布的数值模拟

针对线材电磁水平连铸过程中磁场分布问题,建立了二维轴对称有限元模型。利用ANSYS软件包进行划分网格及计算,模拟出了磁场在连铸结晶器区域的分布。研究了磁场频率对金属熔体内磁感应强度及洛仑兹力的影响。计算结果表明：随着频率的增大,磁感应强度减小,洛仑兹力先增大后减小且其作用范围逐渐集中于熔体表面区域。     

方坯连铸结晶器电磁搅拌磁场的数值模拟

对方坯连铸结晶器电磁搅拌磁场进行了数值模拟,分析了不同电流强度、电流频率、结晶器铜管以及结晶器内水套对电磁搅拌器内磁场分布的影响,得到了磁场特性与电磁搅拌参数的关系,模拟结果与实测结果一致;并得出采用合适的电磁搅拌参数可以在结晶器内获得合理有效地电磁搅拌强度,从而可以更有效地改善铸坯的质量.     

Computer Simulation of Solidification Transport Behaviours in Blade‐Like Castings under Transverse Static Magnetic Fields up to 25T

Numerical simulation of solidification transport phenomena/processes in a TiAl alloy blade‐like casting, under transverse magnetic fields of different strengths, was carried out. The simulation was based on a continuum solidification model and the computer codes developed by the authors. The simulation results show that, although the liquid flow in the bulk liquid region can be suppressed efficiently, the feeding flow in the mushy zone caused by the volume contraction, due to solidification shrinkage and thermal/solutal expansion, cannot be suppressed even under an ultra‐strong magnetic field up to 25T. This indicates that the forces driven by volume contraction are much stronger than those caused by the gravity. The natural convection can delay the directional solidification process, while the applied static magnetic field accelerates it to some extent, by weakening the natural convection. The magnetic field changes the coupled heat and species mass transfer to a diffusion type mechanism. The natural convection may be the cause for horizontal segregation. An ultra‐strong magnetic field is not necessary to achieve sufficient suppression of natural convection.     

冶金炉的磁场模拟

从物理模型和数学模型两方面对冶金炉的磁场模拟方法进行了论述,对各种磁场模拟方法进行了比较、分析,阐明了冶金炉的磁场模拟不仅要考虑电流产生的磁场,还必须考虑铁磁屏蔽的影响。     

电磁铸造中的磁场分布

用自制线圈探头测定了电磁铸造单锭和双锭系统冷态模型的磁场分布规律,并用互感耦合模型对磁场进行了数值计算。实验和计算结果表明:互感耦合模型是合理的,是理论分析磁场的1种有效方法。磁场除角部因叠加效应较高外,在铸锭其他区域分布均匀。对于双锭系统,当两锭间的距离大于15cm时,两锭间的相互影响可以忽略。     

静磁场控制板坯连铸结晶器液面波动

 用Pb Sn Bi低熔点合金进行了热模拟实验,研究了在静磁场作用下板坯连铸结晶器内的液面波动行为。实验结果表明可应用静磁场控制结晶器内金属液面的波动,且磁场对表面波动的抑制作用有一最佳值,即磁感应强度为05 T时液面平均波动最小。为此,为了减少由于液面波动引起的连铸板坯中的卷渣缺陷,有必要在一定的浇铸条件下优化磁感应强度。吹入氩气加剧了表面波动,且随着氩气流量的增加扰动加大。施加电磁制动能够使吹入氩气引起的液面波动受到显著的抑制。     

连铸结晶器内电磁制动过程的数值模拟

电磁制动的磁场分布与电磁制动的冶金效果密切相关,建立了描述连铸结晶器内电磁制动过程的三维数学模型,在交错网络下利用半隐式压力校正算法求解了动量方程和感生电流方程,研制了带形电磁制动结晶器内的磁场和流场,并将计算机结果与实测值进行了比较,结果表明,合理的电磁制动磁场强度为0.04～0.24T。     

凝固过程中的脉冲磁场和脉冲磁力研究

用数值模拟方法研究了凝固样品中的脉冲磁感应强度和电磁力的分布特性。模拟结果表明，脉冲磁场凝固条件下，脉冲磁感就强度和电磁力分布具有轴向、径向分布的不对称性和不均匀性。这种分布特性有助于了解脉冲磁场对金属凝固组织的细化作用。     

Numerical Analysis of Electromagnetic Field and Flow Field in High Casting Speed Slab Continuous Casting Mold With Traveling Magnetic Field

 A three-dimensional mathematical model for describing the electromagnetic field and flow field of molten steel in high casting speed slab continuous casting mold with electromagnetic level stabilizer (EMLS) system was developed, in which the effects of current intensity and frequency on the electromagnetic field and flow field were considered. Simulation results indicate that the electromagnetic force (EMF) along the mold width direction presents the centre-symmetric double-peak parabola distribution. The EMLS system leads to the flow velocity of molten steel decreases, especially near the free surface. Both the EMF increases with the current intensity and frequency (in the range of optimum frequency value), so the flow velocity of molten steel in the mold decreases obviously. As the current intensity increases from 800 A to 1000 A, the maximum free surface velocity decreases from 0.515 m/s without magnetic field to 0.155 m/s and 0.12 m/s, respectively. While the current frequency increases from 2 Hz to 6 Hz, the maximum surface velocity decreases from 0.177 m/s to 0.101m/s. The molten steel flow in mold is influenced obviously by the current intensity and frequency.     

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。     

电渣炉大电流导体的电磁场数值模拟

 采用数值模拟的方法研究了电渣炉重熔期大电流导体产生磁场的空间分布规律。利用ANSYS软件包,通过求解磁矢量微分方程,确定了磁感应强度在空间的分布,计算结果与实际测量数据进行了对比。在自耗电极轴向方向上各点的磁感应强度在两端处大并且变化较大,中间磁感应强度最小;磁感应强度的总体趋势是随距离的增加而减弱,但在涡流区域将发生畸变,铁磁体表面的场强随深度增加而降低;在主回路中,各区域磁感应强度由强到弱的顺序为导线区域、电极区域、立柱和横臂区域、结晶器区域。     

方坯软接触结晶器电磁场分布及弯月面形状的数值模拟

应用有限元与边界元相结合的方法,通过求解电磁场的H－φ方程和边界积分方程,进行了方坯软接触结晶器内电磁场和弯月面处钢液形状的数值模拟,结果表明,作用在钢液自由表面边缘向里向下的电磁力是使弯月面向内弯曲的直接原因,采用有切缝的铜结晶器时弯月面向弯曲的程度比采用石英结晶器时小。     

脉冲电流作用下金属熔体内电磁场分布的数值模拟

将脉冲电流作用于铁素体不锈钢,发现经过脉冲电流处理后等轴晶比例大幅增加,晶粒明显缩小。建立了考虑集肤效应的三维电磁场瞬态有限元模型,利用ANSYS软件对电极及熔体内的电场、磁场、电磁力分布进行了计算,结果表明,由于集肤效应使得电磁场主要集中在电极周围和熔体上部,且在脉宽的后期电磁场的方向由于涡流的存在而发生变化;电极间距对熔体电磁场均匀性具有较大影响;随着脉冲电流的脉宽减小,熔体上部的电磁场增强,但集肤深度也越小,同时作用时间缩短。     

步进梁式板坯加热炉内流场和温度场的数值模拟

运用流体力学计算软件（CFD）对某广步进梁式加热炉进行三维燃烧流场的数值模拟,获得该加热炉的速度、温度和浓度的分布规律。其结果为合理地组织燃烧,进一步提高钢坯加热质量,再优化炉型结构提供了参考依据。     

CUSP磁场对直拉硅单晶氧浓度分布影响的数值模拟

利用有限元分析软件对φ300mm直拉硅单晶生长过程进行模拟,分析了保持CUSP磁场对称面与熔体坩埚界面交点处的径向分量不变的情况下,硅单晶中氧浓度分别随CUSP磁场通电线圈距离、通电线圈半径的变化规律.随着通电线圈距离和半径的增大,晶体熔体固液界面氧浓度均逐渐降低.随着通电线圈距离和半径的增大,硅熔体径向磁场强度逐渐增大,对坩埚底部熔体向晶体熔体固液界面处对流的抑制作用加强,固液界面下方熔体轴向流速减小,使得从坩埚底部运输上来的富氧熔体减少,继而固液界面处的氧浓度降低.随着线圈距离和半径的增大,为保持所需磁场强度,施加电流也逐渐增大,从而能耗增大,与增大通电线圈距离相比,增大通电线圈半径所需的电流较大.通过实验,将CUSP磁场对单晶中氧浓度分布影响的数值模拟结果与实际晶体生长进行了对比,实验结果验证了数值模拟的结果.     

高温蓄热式加热炉内温度场的数值模拟

利用大型软件CFX4.4,建立了高温蓄热式加热炉内温度场和浓度场等的数学模型.通过确定合理的烧嘴布置方式及烧嘴倾斜角度,确保了加热炉内高温空气燃烧的加热效果.     

圆坯中频电磁软接触连铸结晶器内钢液流动的数值模拟

采用有限元方法模拟了中频电磁场对软接触结晶器内钢液流动的影响规律,讨论感应线圈电流强度和电源频率等因素对结晶器内钢液流动的影响。结果表明：电磁力能加强结晶器内上半部熔池的搅拌强度,并在弯月面区域形成一明显的回流区,同时还能减小钢液射流的渗入深度;增大电流强度,能加强钢液的回流和对钢液的搅拌,减小射流渗入深度,同时也加剧了钢液自由表面的波动,因而电流强度有一个最佳的控制范围;增加电源频率时,射流的渗入深度变化不大,但弯月面附近钢液的紊动能和速度都有所提高,综合考量,本研究中将频率控制在2500 Hz左右。     

连铸结晶器电磁搅拌磁场及钢液流场模拟

 建立了大方坯连铸结晶器电磁搅拌条件下电磁场及钢液流场数学模型,开发了相应的Visual Cast仿真软件,并应用软件模拟分析了大方坯连铸结晶器内磁场、电磁力分布及双侧孔浸入式水口条件下结晶器内钢液流场的分布特征。结果表明,结晶器内磁场分布均匀,并沿横断面水平旋转,电磁力的旋转周期为磁场旋转周期的一半。电磁搅拌改变了结晶器内流场形态,减小回流区和冲击深度,有利于促进钢液中非金属夹杂物上浮排除,提高大方坯洁净度。     

马钢圆坯结晶器水口改型流场和温度场的数值模拟

生产实践表明,直通式水口对钢水夹杂物上浮、结晶器液面钢水温度补偿,铸坯初生坯壳的形成等有一定的负面影响。利用CFX5．7．1数值模拟软件研究了采用原直通型水口和侧开孔型水口时结晶器内流场和温度场的分布情况,分析了不同流场和温度场对钢水夹杂物上浮、结晶器液面钢水温度补偿、结晶器液面波动以及对结晶器内初生坯壳的影响。结果表明,采用侧开孔型水口时结晶器内流场和温度场分布更为合理,直通型水口改为侧开孔水口可行。