新型电磁制动结晶器内磁场与流场的数值模拟

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在常规连铸过程的基础上应用电磁制动技术是一项具有重大价值的新技术。该技术利用直流电所产生的静磁场与流动液体金属相互作用,而在液态金属中产生与流速方向相反的洛仑兹力,从而使液态金属的流动受到制动。该技术可以抑制钢液对结晶器窄面的冲击,防止漏钢,减小钢液的冲击深度,利于夹杂物上浮。实践证明可大幅度提高连铸坯的表面质量,为生产无缺陷铸坯提供技术保障,为连铸连轧和高速连铸创造条件商业软件ANSYS和FLUENT是功能强大、设计灵活的数值模拟软件。本文利用ANSYS软件建立了新型电磁制动过程钢液、结晶器、制动装置及空气在内的三维电磁场模型并求解,研究了新型电磁制动所产生磁感应强度的分布特点和规律。利用FLUENT软件求解了有无施加新型电磁制动时连铸结晶器内钢液流动的三维数学模型,研究了工艺参数(磁感应强度、拉坯速度、水口浸入深度)对钢液流场的影响,对结晶器内钢液磁场流场的优化、电磁制动装置的改进及设计提供了合理的依据。本文的主要工作内容分三部分:一是建立模拟电磁制动过程电磁场的数学模型并求解分析;二是建立模拟未施加电磁制动时即常规板坯连铸结晶器内钢液流场的数学模型并求解分析;最后是建立模拟新型电磁制动下结晶器内钢液流场的数学模型并求解分析。本文的模拟结果表明:应用新型电磁制动器后,磁极覆盖区域的钢液内磁感应强度较大,其它钢液区域较小;磁极覆盖区钢液中磁感应强度沿结晶器厚度方向和高度方向分布均匀,沿宽度方向磁感应强度分布大致均匀;新型电磁制动产生的磁场满足连铸过程对磁场的要求;施加磁感应强度0.3T时钢液流体受电磁力制动作用明显,自由表面流速和湍动能降低,利于防止卷渣;窄面垂直流速和湍动能降低,钢液流股冲击窄面的速度减小,对窄面的冲击减弱,利于防止漏钢和夹杂物的上浮分离;当施加较小的磁感应强度(O.1T、0.2T)时,对钢液流场的影响不大,随着磁感应强度的增加(0.3T≦B≦0.5T),结晶器内钢液自由液面的整体流速、湍动能和窄面的垂直流速都随之明显降低;新型电磁制动能满足不同拉速情况下的连铸过程,减少了常规连铸中因增大拉速而产生弯月面波动、卷渣、漏钢及非金属夹杂物下沉不易分离的缺点;新型电磁制动同样能满足不同水口浸入深度情况下的连铸过程,抑制较浅浸入深度(200mm)钢液自由液面流速和湍动能的增加;总之,新型电磁制动能较好控制结晶器内钢液的流动,减少不利于连铸过程的缺陷,提高铸坯质量。
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