磁约束控制结晶器内金属液面变形行为的模拟研究

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在连铸过程中,结晶器内液面的稳定性与铸坯的质量直接相关。如何更好的控制液面变形与波动是提高铸坯质量的关键。
  本文提出了利用磁压力约束控制结晶器内金属液面变形及波动的方法。根据结晶器液面变形和波动的特点提出了导线平行于结晶器宽面和窄面的两种磁场发生器,通过数值模拟方法研究了结晶器内钢液表面的磁场和电磁力分布规律。结果表明:两种磁场发生器覆盖区域内的磁场和电磁力明显增大,在覆盖的区域外的磁场和电磁力迅速衰减到近似于零。提高线圈电流强度、电流频率可以增大作用于钢液中的电磁力。在相同参数条件下,导线平行于宽面的磁场发生器产生的磁场和电磁力高于导线平行于窄面的磁场发生器产生的磁场和电磁力。
  开发了磁场-流场双向耦合程序,分析了两种线圈产生的电磁力对结晶器内静止钢液液面变形和波动的影响规律。在磁压力的作用下,磁约束会将磁场发生器覆盖区域内的钢液向下挤压,导致没有磁场发生器覆盖区域的钢液面向上凸起,形成凹坑,同时也会使初始静止的钢液表面有一定的波动。随着磁场强度和电磁力的增加,电磁力的约束作用和搅拌作用会同时增大,液面变形凹坑深度变大,钢液表面波动也会增加。
  对于结晶器内动态液面,在磁约束的作用下,靠近窄面附近的钢液面高度降低,降低了波峰到波谷的斜率,有利于抑制剪切卷渣的发生,水口附近的钢液面高度增加,一定程度上减小了液面的波动和变形。随着电磁力增大,磁场对结晶器内钢液表面变形的抑制作用越强,表面速度会有所增大。对于不同大小的液面变形区域都应该存在一个适宜的磁场覆盖面积,以抑制液面变形,获得整体较平整的液面。在相同的磁感应强度下,随着连铸拉速的增加,磁场对液面的抑制作用逐渐增大;随着水口浸入深度的增加和水口出口角度减小,磁场对液面变形的抑制作用效果接近。
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