圆坯连铸结晶器电磁搅拌参数的制定方法

摘要

本发明涉及圆坯连铸结晶器电磁搅拌参数的制定方法。为克服目前对搅拌参数的确定研究较少或研究结论相差较大的问题，发明一种结合钢种、铸坯尺寸、铸机和电磁搅拌设备，通过数值仿真分析和试验验证，确定电磁搅拌的电流强度和频率等参数的制定方法。该方法是在电磁搅拌磁场分布模拟结果的基础之上，对电磁搅拌过程结晶器内钢液的流场、温度场及夹杂物运动轨迹进行耦合计算，针对钢液的流动、凝固传热及夹杂物轨迹等现象做考察判断电磁搅拌参数的合理性，并再将计算结果与现场取样试验进行反馈对比分析，以确定电磁搅拌参数。用本发明的方法，可快速、准确有效地确定不同条件下电磁搅拌的电流强度和频率，明显减少铸坯表面和皮下夹杂物及气泡，扩大等轴晶率，改善芯部质量，提高组织致密性和均匀性。

主权项

1、圆坯连铸结晶器电磁搅拌参数的制定方法，其特征在于：(1)采用的磁场偏微分方程${▿}^{2}A-\mathrm{\mu ϵ}\frac{{\partial }^{2}A}{\partial t^2}=-\mathrm{\mu j},$和电场偏微分方程确定电磁搅拌电、磁场分布，式中，A为矢量磁势；j为电流密度；μ为磁导率；ρ为电荷密度；ε为介质电容率；为标量电势；t为时间；(2)结晶器电磁搅拌下，铸坯内流场和温度场的控制方程包括：连续方程：$\frac{\partial \left(\rho u_i\right)}{\partial x_i}=0,$动量方程：$\frac{\partial \left(\rho u_j{u}_i\right)}{\partial x_j}=-\frac{\partial p}{\partial x_i}+\frac{\partial }{\partial x_j}\left[(\mu +{\mu }_t)(\frac{\partial u_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i})\right]+F_i,$能量方程：$\frac{\partial \left(\rho u_{j}T\right)}{\partial x_j}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[(\frac{\mu }{\mathrm{Pr}}+\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_T})\frac{\partial T}{\partial x_j}\right]-\frac{\partial \left(\rho u_j\mathrm{\Delta H}\right)}{{\partial x}_j},$以及k方程：$\frac{\partial \left(\rho u_{j}k\right)}{\partial x_j}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_k})\frac{\partial k}{{\partial x}_j}\right]+G-\mathrm{\rho ϵ}-D_k,$ε方程：$\frac{\partial \left(\rho u_jϵ\right)}{\partial x_j}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_{ϵ}})\frac{\partial ϵ}{\partial x_j}\right]+f_1{C}_{1}G\frac{ϵ}{k}-f_2{C}_2\rho \frac{{ϵ}^2}{k}+E_{ϵ}$以上各式中，ρ为钢液密度；u_i和u_j(i，j＝1，2，3)为不同坐标方向下的速度；F_i为电磁力；μ为动力黏度；p为压力；μ_t为湍流黏度；k为湍流动能；ε为湍流耗散率；T为温度；Pr为普朗特数；C_p为等压比热容；λ为热导率；σ_T＝1.0，C₁＝1.44，C₂＝1.92，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3，f₁＝1.0；$G={\mu }_t(\frac{\partial u_i}{\partial x_j}+\frac{{\partial u}_j}{\partial x_i})\frac{\partial u_i}{\partial x_j};$$D_k=2\mu {\left(\frac{\partial \sqrt{k}}{\partial x_i}\right)}^2;$$E_{ϵ}=2\frac{{\mu }_t\mu }{\rho }{\left(\frac{{\partial }^2{u}_i}{\partial x_j\partial x_k}\right)}^2;$f₂＝1-0.3exp(-Re_t²)，流场计算采用有限体积法离散流场微分方程，用交错网格存储速度分量，采用Simplec算法，当连续方程的质量源小于10^-4时，即认为迭代收敛，采用Fortran语言编程，将ANSYS计算的电磁力加入动量源项，结晶器计算长度为1.8m；(3)在上述流场计算结果的基础上，加入夹杂物运动轨迹离散模型控制方程$m\frac{{\mathrm{dV}}_p}{\mathrm{dt}}=F_P+F_B+F_A+F_D,$式中，m为粒子质量；V_p为粒子速度；t表示时间；F_p为钢液压力梯度引起的力；F_B为钢液对粒子的浮力；F_A为钢液附加质量力；F_D为粒子所受粘性阻力，设置夹杂物粒度5～50μm，密度3500kg/m³，质量流率4×10^-5kg/s参数及离散边界条件，继续对电磁搅拌条件下的流场、温度场及夹杂物轨迹进行耦合计算；(4)根据模拟计算出的圆坯结晶器电磁搅拌的磁场、流场、温度场以及夹杂物运动轨迹的数据，并针对结晶器内有效搅拌区的钢水流动速度在0.2-0.25m/s之间，可产生足够大的离心力和剪切力；可使保护渣熔融良好；可造成热顶效应；可使夹杂物在结晶器内停留的时间足够长，使其尽量上浮做考察判断，以修正模拟计算出的数据；(5)在采用经过模拟计算、考察、判断及修正后所得到的励磁电流强度和频率条件下，检测铸坯的皮下裂纹、芯部裂纹、缩孔、中心疏松、皮下气泡及等轴晶率，最后确定电磁搅拌参数。