電磁軟接觸連鑄結晶器內多物理場耦合數值模擬研究.pdf

1、眾所周知在實際連鑄生產中常發(fā)生非理想的凝固過程，影響鑄坯質量。而電磁軟接觸連鑄技術能生產出無振痕無裂紋的連鑄坯，這一點已得到冶金工作者的廣泛認同，但是鋼的電磁軟接觸連鑄技術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，提供電磁軟接觸結晶器結構設計的理論依據，以及豐富電磁軟接觸技術內容，本文首先建立了電磁軟接觸結晶器內的三維電磁場有限元模型，研究了軟接觸結晶器內能重點反映電磁場冶金特性的磁感應強度、焦耳熱和電磁體積

2、力等物理量的分布特征。在此基礎上，建立了電磁軟接觸連鑄結晶器內鋼液湍流流動的三維耦合模型，研究了典型參數下軟接觸結晶器內的鋼液運動規(guī)律。并進一步針對圓坯電磁軟接觸連鑄結晶器內鋼液的流動凝固和應力應變狀態(tài)，建立了多物理場耦合的二維軸對稱數學模型，研究了高頻交變電磁場對鋼液傳熱凝固、受力變形的影響規(guī)律，以及對軟接觸結晶器壁溫度分布、受力變形的影響規(guī)律。
　　 從描述電磁場的Maxwell方程組出發(fā)，建立了軟接觸結晶器內的三維電磁場有

3、限元模型，研究了典型參數下軟接觸結晶器內的電磁場分布規(guī)律，對比分析了電源頻率、電流強度對結晶器內磁感應強度、電磁體積力、焦耳熱生成率的影響規(guī)律，以期為之后的流動凝固分析計算提供數據支持和理論基礎。結果表明：磁感應強度在空間分布不均，圓坯電磁軟接觸結晶器內鋼液上的焦耳熱按結晶器分瓣結構呈周期性不均勻分布，由此會造成凝固坯殼厚度的不均勻分布，并得到了實驗驗證，需在電磁軟接觸連鑄結構設計和電參數制定時充分考慮。圓坯電磁軟接觸結晶器內鋼液自由表

4、面上的周向電磁力按結晶器切縫、分瓣體中心反方向對稱分布，會對鋼液有一個拉伸或者推擠作用，影響鋼液流動形態(tài)。
　　 在連續(xù)介質模型基礎上，建立了軟接觸結晶器內流體湍流流動的三維數學模型，研究了典型參數下軟接觸結晶器內的鋼液運動規(guī)律，并對不同電源頻率、電流強度下的流體流動速度、湍動能水平進行了對比分析。結果表明：高頻交變電磁場主要對彎月面區(qū)域的鋼液有力的作用，鋼液下段幾乎不受電磁場影響。圓坯軟接觸結晶器自由表面上鋼液流動速度按切峰、

5、分瓣體中心反方向對稱分布，會使自由表面產生凹凸變形，并得到了實驗驗證，需在電磁軟接觸結晶器結構設計和電參數選擇時加以充分考慮。鋼液縱截面內鋼液流動呈現雙環(huán)流動，上部渦流較常規(guī)連鑄結晶器渦心位置上移，且漩渦區(qū)域擴大，流動速度較常規(guī)連鑄增加。結晶器內上部熔池的流體速度隨電流強度增大而增大，但電流強度大小并不改變熔池中的流動形態(tài)。電源頻率改變同時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的作用。
　　 在合

6、理簡化模型的基礎上，通過雙向迭代耦合的方法，建立了軟接觸結晶器內電磁場、流場、溫度場和應力場的二維軸對稱多物理場耦合模型，并充分考慮了結晶器壁與坯殼的接觸問題，且就不同電源頻率、電流強度下鋼液的溫度和應力場分布以及結晶器的溫度、應力場、變形場進行了對比討論。溫度場計算結果表明：①軟接觸結晶器內鋼液初始凝固點下降，初始凝固坯殼減薄，但在結晶器出口處凝固殼厚度較常規(guī)連鑄增厚。②軟接觸結晶器銅管高溫區(qū)域擴大，溫度梯度也較常規(guī)結晶器加大，外壁溫