電磁軟接觸連鑄結(jié)晶器內(nèi)多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬研究.pdf

1、眾所周知在實(shí)際連鑄生產(chǎn)中常發(fā)生非理想的凝固過程，影響鑄坯質(zhì)量。而電磁軟接觸連鑄技術(shù)能生產(chǎn)出無振痕無裂紋的連鑄坯，這一點(diǎn)已得到冶金工作者的廣泛認(rèn)同，但是鋼的電磁軟接觸連鑄技術(shù)受眾多因素的影響規(guī)律尚不清楚。
　　 為了確定合理的工藝參數(shù)，提供電磁軟接觸結(jié)晶器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，以及豐富電磁軟接觸技術(shù)內(nèi)容，本文首先建立了電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)的三維電磁場(chǎng)有限元模型，研究了軟接觸結(jié)晶器內(nèi)能重點(diǎn)反映電磁場(chǎng)冶金特性的磁感應(yīng)強(qiáng)度、焦耳熱和電磁體積

2、力等物理量的分布特征。在此基礎(chǔ)上，建立了電磁軟接觸連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液湍流流動(dòng)的三維耦合模型，研究了典型參數(shù)下軟接觸結(jié)晶器內(nèi)的鋼液運(yùn)動(dòng)規(guī)律。并進(jìn)一步針對(duì)圓坯電磁軟接觸連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)凝固和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，建立了多物理場(chǎng)耦合的二維軸對(duì)稱數(shù)學(xué)模型，研究了高頻交變電磁場(chǎng)對(duì)鋼液傳熱凝固、受力變形的影響規(guī)律，以及對(duì)軟接觸結(jié)晶器壁溫度分布、受力變形的影響規(guī)律。
　　 從描述電磁場(chǎng)的Maxwell方程組出發(fā)，建立了軟接觸結(jié)晶器內(nèi)的三維電磁場(chǎng)有

3、限元模型，研究了典型參數(shù)下軟接觸結(jié)晶器內(nèi)的電磁場(chǎng)分布規(guī)律，對(duì)比分析了電源頻率、電流強(qiáng)度對(duì)結(jié)晶器內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度、電磁體積力、焦耳熱生成率的影響規(guī)律，以期為之后的流動(dòng)凝固分析計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持和理論基礎(chǔ)。結(jié)果表明：磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間分布不均，圓坯電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)鋼液上的焦耳熱按結(jié)晶器分瓣結(jié)構(gòu)呈周期性不均勻分布，由此會(huì)造成凝固坯殼厚度的不均勻分布，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，需在電磁軟接觸連鑄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電參數(shù)制定時(shí)充分考慮。圓坯電磁軟接觸結(jié)晶器內(nèi)鋼液自由表

4、面上的周向電磁力按結(jié)晶器切縫、分瓣體中心反方向?qū)ΨQ分布，會(huì)對(duì)鋼液有一個(gè)拉伸或者推擠作用，影響鋼液流動(dòng)形態(tài)。
　　 在連續(xù)介質(zhì)模型基礎(chǔ)上，建立了軟接觸結(jié)晶器內(nèi)流體湍流流動(dòng)的三維數(shù)學(xué)模型，研究了典型參數(shù)下軟接觸結(jié)晶器內(nèi)的鋼液運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并對(duì)不同電源頻率、電流強(qiáng)度下的流體流動(dòng)速度、湍動(dòng)能水平進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：高頻交變電磁場(chǎng)主要對(duì)彎月面區(qū)域的鋼液有力的作用，鋼液下段幾乎不受電磁場(chǎng)影響。圓坯軟接觸結(jié)晶器自由表面上鋼液流動(dòng)速度按切峰、

5、分瓣體中心反方向?qū)ΨQ分布，會(huì)使自由表面產(chǎn)生凹凸變形，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，需在電磁軟接觸結(jié)晶器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電參數(shù)選擇時(shí)加以充分考慮。鋼液縱截面內(nèi)鋼液流動(dòng)呈現(xiàn)雙環(huán)流動(dòng)，上部渦流較常規(guī)連鑄結(jié)晶器渦心位置上移，且漩渦區(qū)域擴(kuò)大，流動(dòng)速度較常規(guī)連鑄增加。結(jié)晶器內(nèi)上部熔池的流體速度隨電流強(qiáng)度增大而增大，但電流強(qiáng)度大小并不改變?nèi)鄢刂械牧鲃?dòng)形態(tài)。電源頻率改變同時(shí)影響鋼液上部渦流區(qū)域速度的大小、方向，提高電源頻率，有抑制自由表面波動(dòng)的作用。
　　 在合

6、理簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，通過雙向迭代耦合的方法，建立了軟接觸結(jié)晶器內(nèi)電磁場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的二維軸對(duì)稱多物理場(chǎng)耦合模型，并充分考慮了結(jié)晶器壁與坯殼的接觸問題，且就不同電源頻率、電流強(qiáng)度下鋼液的溫度和應(yīng)力場(chǎng)分布以及結(jié)晶器的溫度、應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比討論。溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明：①軟接觸結(jié)晶器內(nèi)鋼液初始凝固點(diǎn)下降，初始凝固坯殼減薄，但在結(jié)晶器出口處凝固殼厚度較常規(guī)連鑄增厚。②軟接觸結(jié)晶器銅管高溫區(qū)域擴(kuò)大，溫度梯度也較常規(guī)結(jié)晶器加大，外壁溫