【摘 要】
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结晶器是连铸系统中最重要的部件,是连铸机的“心脏”,也是控制钢水洁净度的最后环节,结晶器内钢液的流动是耦合了电磁场、流场、传热传质等多物理过程的复杂现象,研究电磁搅拌对结晶器内钢液流动及凝固的影响,对于钢材质量的提升以及电磁搅拌参数的改进具有重要意义。本文对电磁搅拌器在结晶器内产生的电磁场以及感应电磁力对钢液流动凝固的影响进行了系统的研究,并使用工厂测量数据验证了数学模型的可靠性,主要内容包括以下
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结晶器是连铸系统中最重要的部件,是连铸机的“心脏”,也是控制钢水洁净度的最后环节,结晶器内钢液的流动是耦合了电磁场、流场、传热传质等多物理过程的复杂现象,研究电磁搅拌对结晶器内钢液流动及凝固的影响,对于钢材质量的提升以及电磁搅拌参数的改进具有重要意义。本文对电磁搅拌器在结晶器内产生的电磁场以及感应电磁力对钢液流动凝固的影响进行了系统的研究,并使用工厂测量数据验证了数学模型的可靠性,主要内容包括以下几方面:通过基于有限元的磁矢势法计算了电磁搅拌器在结晶器内产生的电磁场以及感应电磁力,描述了电磁场在整个结晶器区域的分布,揭示了周期内感应电磁力在搅拌区域的变化规律。使用谐波法计算了典型工况下一个周期内电磁搅拌器在结晶器内产生电磁场及感应电磁力的时均值,与工厂测量值进行了对比,并考察了搅拌电流对感应电磁力大小的影响。发展了耦合电磁场的三相大涡模拟数学模型,使用盒式滤波方法对速度进行过滤,选用Smagorinsky-Lilly亚格子模型,基于Boussinesq假定求解亚格子粘度。研究了电磁搅拌对无凝固坯壳条件下结晶器内钢液流动的影响;使用相对标准偏差来描述有无电磁搅拌条件下结晶器内钢液流动的均匀性;通过流体体积函数法描述了渣-金界面在电磁搅拌下的异常波动情况,预测了渣层变薄导致的裸钢现象。构建了板坯连铸结晶器内磁-流-热全耦合数学模型,通过连续介质大涡模拟控制方程描述液相区、固液两相区的钢液运动;焓-多孔介质方法模拟钢液凝固现象。研究了凝固坯壳对结晶器内流场的影响,分析了电磁搅拌对凝固坯壳厚度的影响。研究结果表明,电磁搅拌器产生的磁感应强度峰值区域随时间沿板坯宽面方向移动,感应电流密度与电磁力变化趋势与磁感应强度基本一致;500A、600A和700A搅拌电流条件下时均磁感应强度峰值分别可达0.053T、0.068T和0.075T;时均电磁力在板坯横截面上形成3-4个涡旋。电磁搅拌会显著影响结晶器内钢液流动和凝固现象,施加电磁搅拌后,结晶器上部出现一个速度较高的带状区域,水口射流冲击深度减小,流场均匀性提升,相对标准偏差平均值降至0.344;渣-金界面波动幅度显著增大,渣层各区域均可能出现裸钢现象;搅拌区域内的凝固坯壳会出现明显的重熔现象,在结晶器下部及出口处凝固坯壳厚度与不施加电磁搅拌基本一致。
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