软接触电磁结晶器内三维弯月面形状数值模拟

建立了软接触电磁结晶器内交变磁场和三维弯月面形状的耦合模型。在用实验结果验证的基础上 ,模拟了方坯连铸结晶器三维弯月面形状 ,研究了弯月面形状的不均匀特性 ,讨论了感应线圈与初始钢液面之间的相对位置、电流强度和电源频率等因素对弯月面形状的影响。结果表明 :当初始钢液面位于感应线圈中心位置附近时 ,电磁力对金属的约束成形作用最强 ;电流强度比电源频率能更明显地改变弯月面形状 ,但提高电源频率不仅能适当增加弯月面高度 ,还有利于弯月面的稳定。在实际应用中应采用 2 0 k

矩形软接触结晶器内磁场分布的实验研究

研究了不同条件下矩形软接触结晶器内的电磁场分布规律.结果表明,矩形软接触电磁连铸结晶器角部存在明显的磁场叠加现象;沿结晶器窄面的磁场分布比较均匀,而宽面上的磁场分布均匀性较差.通过合理布置切缝,可提高软接触结晶器内的磁感应强度和磁场分布的均匀性.宽面上的切缝应采用不均匀方式布置,可在宽面中心位置附近布置相对较多的切缝,在矩形软接触结晶器角部不布置切缝.磁感应强度的最大值出现在线圈中心偏上位置附近,随感应线圈上升,该最大值增大,其位置上移.将线圈靠近结晶器入口安装,有助于均匀周向磁场.在线圈中心位置附近的磁感应强度分布较均匀,实际浇铸过程中,应将液面控制在线圈高度中心与线圈顶端位置之间.

方坯凝固过程中夹杂物的运动轨迹

考虑糊状区多孔介质对流动的影响 ,建立了三维凝固耦合模型和夹杂物运动轨迹方程 ,并与CFX F3D软件包相结合 ,对方坯凝固过程中夹杂物颗粒的运动轨迹进行了数值模拟·结果表明 :夹杂物颗粒在结晶器凝固过程中的运动轨迹与夹杂物在水口处的初始位置、夹杂物直径和结晶器内的流场特性有关 ;微观夹杂物易滞留于铸坯中 ,不易排除 ,直径较大的大颗粒夹杂物易于上浮排除 ;凝固对夹杂物的运动轨迹有显著影响 ,有利于夹杂物上浮去除 ;流场是影响夹杂物运动轨迹的主要因素·

交变磁场作用下金属液面的变形和波动行为

采用低熔点Sn-32%Pb-52%Bi合金模拟钢液,研究交变磁场作用下金属熔池液面的波动和变形行为。结果表明:交变磁场会使金属液面发生弧形变形,液面一直处于波动状态;熔池在三相点附近形成汇聚撞击的两个回流区,导致液面上三相点附近的波动最剧烈,易造成表面卷渣;增加线圈电流强度,液面变形增大,波动加剧;当熔池外壁面的磁感应强度达到约50mT时,液面的波动幅度达到约±3mm,应有一个合理的电流强度;适当增加频率可减小电磁力对自由表面波动的影响范围,有利于增大弯月面变形和减小液面波动,频率控制在30kHz左右较适宜;液面位于线圈中心高度附近时,弯月面变形较大,液面波动较剧烈,初始液面控制在线圈高度中心有利于节能。波动规律可解释电磁软接触连铸中铸坯表面振痕随电流强度大小的变化规律。

方坯软接触结晶器三维电磁场有限元计算

运用Galerkin有限元法对方坯软接触结晶器内三维交变磁场进行了数值模拟·计算表明 :磁场主要集中在线圈和结晶器附近 ,磁感应强度在靠近线圈中心位置附近出现最大值 ,随后迅速衰减 ,但在结晶器出口处磁场又有所增强 ;空载结晶器内部的磁场分布比较均匀 ;切缝能增强结晶器内部磁场 ,减小结晶器铜壁的屏蔽 ;磁压力在周向上分布具有不均匀性 。

电磁场对软接触结晶器内钢液流动的影响

采用非交错网格和适体坐标方法数值模拟了电磁场对软接触结晶器内钢液流动的影响规律。讨论了感应线圈电流强度和电源频率等因素的影响。结果表明 :电磁力能加强结晶器上部熔池的搅拌强度 ,并在上部区域形成一明显的回流区 ,同时还能减小射流的渗入深度 ;加大电流强度 ,能加强钢液的回流和对钢液的搅拌 ,减小射流渗入深度。但电流强度有一个最佳控制范围 ;增加电源频率 ,射流渗入深度增大 ,弯月面附近的紊动能和钢液速度提高。电源频率应控制在 2 0 k

钢液对软接触结晶器内三维电磁特性影响的数值模拟

运用有限元程序，数值模拟了有、无钢液条件下电磁软接触结晶器内的三维电磁特性. 结果表明: 结晶器内的电磁特性与有、无钢液密切相关, 软接触结晶器内的电磁场对钢液面波动十分敏感, 线圈位置对电磁场的影响效果受有、无钢液所决定, 高频电磁场有利于弯月面的约束成形和减小电磁力对内部钢液的搅拌, 建议采用20 kHz以上的频率, 电磁场主要集中在铸坯外表面约10 mm厚度的范围内.

感生电流对软接触结晶器内磁感应强度的影响

利用有限元程序对矩形坯电磁软接触连铸结晶器内的电磁场和感生电流分布进行了模拟计算,研究了频率、结晶器材质电导率、结晶器结构等参数对结晶器上感生电流和结晶器内磁感应强度的影响以及感生电流对结晶器内磁场的影响.计算结果表明:电磁软接触连铸结晶器分瓣体上的感生电流产生的磁场对结晶器内部的磁场有十分重要的影响,合理利用感生电流可以增大结晶器内部的磁感应强度,达到节约能源的目的.在一定的频率段范围内,感生电流产生的磁场能增大结晶器内的磁感应强度,而超出这个范围,感生电流对结晶器内磁场的影响不够明显.在高频条件下,结晶器内的磁感应强度主要以外部线圈产生的磁场的透入为主;而频率较低时,有必要充分考虑和利用感生磁场对内部磁场的增强作用.

软接触结晶器内的钢液流动及夹杂物运动规律

采用Rhie Chow非交错网格和适体坐标有限差分方法数值模拟了软接触结晶器内钢液流动和夹杂物的运动规律·结果表明 :软接触结晶器上部熔池的搅拌强度增强 ,自由表面上的钢液流速和紊动能增加 ,钢液射流的渗透深度减小 ;在弯月面附近出现明显的钢液回流区 ;与传统结晶器相比 ,最大紊动能区从水口附近移动到弯月面附近 ;夹杂物上浮去除的趋势增加 。

软接触结晶器内的弯月面形状及其不均匀性

在实验结果验证的基础上 ,运用耦合模型模拟了软接触结晶器内的三维弯月面形状 ,研究了弯月面变形的不均匀特性·结果表明 :在切缝位置处的弯月面变形较大 ;在结晶器不同截面位置处存在不同的频率范围 ,只有在此范围内增加电源频率 ,弯月面高度才增大 ;弯月面变形的不均匀性随电流强度、电源频率增加而加剧 ;增加切缝数目、减小切缝宽度和结晶器铜壁厚度以及调整结晶器切缝布置位置可明显提高弯月面变形的均匀性 ;对于切缝为 16的结晶器 ,调整切缝布置位置后可使弯月面变形的均匀程度比未优化切缝布置位置前提高近 77% ·

小方坯初始凝固三维数值模拟

建立了描述小方坯初始凝固的三维数学模型 ,并用实验数据进行了验证。计算表明 :三维模型比二维模型能更好的用来描述小方坯结晶器内的初始凝固和流体流动 。

静磁场作用下结晶器内金属射流行为的数值模拟

利用ANSYS CFX软件,数值模拟了在静磁场作用下连铸结晶器内的水口出流的金属射流行为,通过分析其形态变化,考察了不同参数下液面波动F数的变化规律以及金属射流的扩张对结晶器壁面的冲刷强度的影响规律.模拟结果表明:水口出流射流具有扩张特性,在静磁场作用下,随着磁感应强度的增大,F数增大,金属射流扩张程度增加,且对结晶器宽面冲刷强度增加;随着板坯厚度的增大,F数增大,金属射流扩张程度增加,且对结晶器宽面冲刷强度减小;随着射流角度的增加,F数减小,对结晶器宽面冲刷加剧;对于电磁制动板坯连铸,不能单纯以F数作为控制指标,应充分考虑射流扩张对结晶器壁面冲击的影响,不同板坯厚度和水口射流角度应有适宜的控制参数.

电磁搅拌对Cu-6%Fe复合材料凝固组织的影响

研究了电磁搅拌对Cu-6%Fe复合材料铸态凝固组织的影响.结果表明,在Cu-6%Fe合金凝固组织中存在铁相富集区域,铁相在铜基体中主要以小球状颗粒存在.电磁搅拌能细化铁相颗粒,减小铁相富集区;施加电磁搅拌后,铁相颗粒具有向铸坯中心集中和成团簇分布的趋势,大颗粒铁相主要出现在铸坯中心,铸坯外缘附近的铁相颗粒较细小.增大搅拌电流,晶粒尺寸逐渐减小,富Fe颗粒逐渐被细化,分布逐渐均匀,但富铁相颗粒向铸坯中心集中.合理的搅拌电流和频率,能使晶粒更加细化,有利于铁相的均匀分布和细化.合理的电磁搅拌电流和频率分别约为100～200A和20Hz.

圆坯电磁软接触连铸系统能耗和磁场特性的模拟

建立了电磁软接触连铸系统能耗分析模型,采用有限单元法,数值模拟了电磁软接触连铸结晶器内的磁场特性和系统功率分布,讨论了频率和线圈电流强度对磁场分布和系统功耗的影响。结果表明,在中间切缝结晶器连铸系统中有59%~65%的电能损失在了结晶器中;铸坯外表面纵向上的最大磁感应强度出现在液面以下5.5mm附近;结晶器内的磁感应强度与线圈电流成正比;在频率为10kHz^100kHz范围内,增加频率,结晶器内的磁感应强度逐渐降低;线圈电流强度不影响磁场的周向均匀性,在频率为20kHz时,磁场周向均匀性较好;系统能耗与线圈电流的平方成正比,频率增加,系统能耗显著增大,相同磁感应强度下,50kHz时所需系统功率为20kHz时的165%。对于178mm圆坯电磁软接触连铸系统,建议采用20kHz的频率。

组合管中气粉流的临界管长

根据气粉流运动的基本定律，考虑收缩喷管的等熵流动以及等截面管中的摩擦流动，建立了描述组合管中气粉流的数学模型．考虑气粉流摩擦壅塞现象，用马赫数检验法确定了组合管的临界管长．计算结果表明，组合管的临界管长随粉气比的增大而减小；在不同粉气比下，组合管中气体速度和粉粒速度均沿程逐渐增大，而粉粒终速随粉气比的增大而减小；组合管的临界管长比等截面管的临界管长小得多。

底吹钢包两相区两段模型

在考虑雷诺应力的基础上，建立了底吹钢包中气液两相区流体流动的两段模型。这一模型可用于计算近喷嘴处和浮羽流区各截面处两相流的平均速度、速度分布、流股直径和平均含气率等．数值计算表明：理论含气率与实验值符合很好．计算还表明：平均含气率和平均速度随高度的增大而减小，但流股直径随高度的增大而增大．另一方面，平均速度随初始供气量的增大而增大，而抽引比则随供气量增大而减小．通过两段模型可很好地描述喷嘴处气液流的行为．

矩形电磁软接触连铸结晶器内弯月面行为

通过静态热模拟实验,采用低熔点Sn-32%Pb-52%Bi(质量分数)合金作为钢液的模拟介质,研究不同工艺参数下矩形电磁软接触连铸结晶器内弯月面行为的变化规律。结果表明:由于矩形电磁软接触结晶器本身的结构限制,其弯月面沿周向上的分布具有不均匀性;随电源功率增大,弯月面高度增大,同时波动加剧;实际生产中线圈应尽量靠近结晶器口部位置安装,有利于提高弯月面高度和增强弯月面稳定性;浇注过程中,应该使浇注液面尽可能的控制在线圈中心偏上位置;当电源频率增大时,应该同时适当的提高电流来保证软接触效果。

电磁软接触连铸圆坯表面振痕演变机理

在实验室立式连铸机上对碳素结构钢Q235B进行了电磁软接触连铸实验,测量了结晶器内磁场分布和Sn-Pb-Bi合金熔体弯月面形状.结果表明,采用电磁软接触连铸技术.可以显著改善铸坯表面质量;当电源功率达到最佳值时,振痕完全受到抑制,铸坯表面光洁:但当电源功率过大时,铸坯表面出现波浪形振痕.分析认为,铸坯表面质量得到改善是高频电磁场的Lorentz力效应和Joule热效应共同作用的结果;当电源功率过大时,分瓣结晶器内的磁场分布不均匀,沿结晶器周向呈波浪形分布,加之钢水液面波动也更加剧烈.因此在铸坯表面产生波浪形振痕.

电磁搅拌对钢坯凝固过程中热工参数的影响

采用自行设计的单侧冷却凝固实验装置进行了有无电磁搅拌作用下钢坯的凝固实验,并通过计算机数据采集系统对钢坯凝固过程中的各种热工参数进行了实时测试和分析·研究结果表明:施加电磁搅拌以后,钢坯凝固初期的铸型热流量明显增加,促进了铸型内钢液过热的耗散,使得钢坯内的温度分布趋于均匀,降低了凝固前沿的温度梯度·这不仅抑制了柱状晶的发展,同时易于在钢液内部同时形核,有利于等轴晶凝固组织的形成,使得钢坯的等轴晶比率由无电磁搅拌作用下的47%提高到76%·这也说明了电磁搅拌促进钢液中的过热耗散是提高铸坯凝固组织中等轴晶比率的重要原因之一·

电磁软接触连铸圆坯结晶器磁场分布数值模拟研究(Ⅰ)——数学物理模型及数值计算结果的实验验证

描述了自行设计的电磁软接触圆坯连铸结晶器,给出了相应的三维圆坯连铸结晶器电磁软接触电磁场的数学模型.采用有限元方法对数学模型进行数值求解,在对数值计算结果进行实验验证后,系统地研究三维圆坯连铸结晶器内磁场分布.数值解与实验结果误差小于5%.分别考察了结晶器结构参数,钢液液面高度、电流强度等参数对结晶器内磁场分布的影响.定量地得到了结晶器内磁感应强度随各种结构参数和操作参数变化的规律.为电磁软接触连铸圆坯结晶器的设计和实际操作提供了理论依据.