连铸结晶器内搅拌磁场对非金属夹杂物运动规律的研究方法

摘要

本发明公开了一种连铸结晶器内搅拌磁场对非金属夹杂物运动规律的研究方法，其采用数值模拟与物理模拟相结合，用物理模拟所获得的实验结果对数值模拟所获得的结果进行矫正，再用数值模拟所获得的结果来验证物理模拟所获得的实验结果，如此交替、不断优化，以获得搅拌磁场对连铸结晶器内非金属夹杂物运动及聚合生长规律。本发明相对于现有技术，其数学模型更具有全面性、物理模拟装置仿真度更高，模拟实验过程形象、直观，调节与操控更加简便；在物理模拟和数学模型中，均考虑了电磁搅拌行为的影响因素，并将二者的模拟结果的相互对照，进而使得结果更为真实、准确。

主权项

一种连铸结晶器内搅拌磁场对非金属夹杂物运动规律的研究方法，其特征在于，采用数值模拟与物理模拟相结合，用物理模拟所获得的实验结果对数值模拟所获得的结果进行矫正，再用数值模拟所获得的结果来验证物理模拟所获得的实验结果，如此交替重复、不断优化，以获得搅拌磁场对连铸结晶器内非金属夹杂物运动影响夹杂物的运动、聚合生长规律；其中：所述数值模拟按以下方式进行：通过求解Maxwell电磁场方程，获得结晶器内的磁感应强度和磁场强度，进而获得结晶器内金属熔体所受电磁力和焦耳热；在获得结晶器内金属熔体所受电磁力和焦耳热的基础上，分别建立质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、溶质守恒方程以及夹杂物的mass‑population守恒方程，并采用有限体积法耦合求解上述各方程式，在求解时分别将电磁力和焦耳热作为动量守恒方程和能量守恒方程的源项，以获得搅拌磁场对连铸坯凝固过程中夹杂物的数量、尺寸以及分布规律影响的结果；所述物理模拟采用一种物理模拟实验装置，该物理模拟实验装置包括一储液罐、一计量泵、一中间包和一结晶器；所述结晶器为顶部敞口、底部封闭的筒状容器，在筒状容器内部的中心轴线上设置有一上端伸入筒状容器内部一定高度位置、下端与筒状容器外部贯通的连通管；上述中间包布置在结晶器的正上方，中间包底部设置有一出液管，所述出液管插入所述结晶器内部，并与所述连通管的上端开口部保持一定距离；所述出液管下端出口部的上方位置处设置有一出水阀门；所述计量泵的进口端通过管路与所述储液罐连接，所述计量泵的出口端通过第一管路与所述中间包连接，所述第一管路上设置有第一阀门；所述连通管的下端经第二管路与所述储液罐连接，在所述第二管路上还设置有第二阀门；所述物理模拟实验装置还包括有一旋转磁场发生器，所述旋转磁场发生器环绕设置在所述结晶器筒壁的外周围；在竖直方向上，所述旋转磁场发生器位于所述结晶器的底部的上方、所述连通管上端开口部的下方位置处；在竖直方向上，位于所述结晶器的底部的上方、所述连通管上端开口部的下方这一位置区段的结晶器筒体内部，充满有液态金属镓；所述储液罐内盛装有饱和食盐水；所述中间包内投放有若干数量的粒径为50微米～200微米的聚苯乙烯颗粒；所述物理模拟包括以下步骤：(1)、沿结晶器的内壁缓慢加入液态金属镓，加入量控制在液态金属镓的液位接近但低于连通管上端的开口部高度位置；(2)、开启第一阀门，接通计量泵电源，启动计量泵向中间包内泵送饱和食盐水溶液；待中间包内液位上升至一定高度后，开启出液管下端出口部上方位置处的出水阀门，向结晶器内注入饱和食盐水，待结晶器内饱和食盐水液位上升至一定高度后，及时开启第二阀门并配合调节计量泵出口流量，以保持饱和食盐水的循环流动，并使储液罐内的饱和食盐水量逐步达到动态平衡，以使结晶器内的饱和食盐水液位高度维持在设定高度；(3)向中间包内投放有若干数量的粒径为50微米～200微米的聚苯乙烯颗粒，并继续维持上述饱和食盐水循环流动的动态平衡状态；(4)、当聚苯乙烯颗粒开始随饱和食盐水液流进入结晶器内后，接通电源并启动旋转磁场发生器，利用旋转磁场发生器产生外加搅拌磁场，驱动结晶器内的液态金属镓进行旋转运动，并由液态金属镓将带动其上方的饱和食盐水溶液进行旋转运动；(5)、利用高速相机同步记录聚苯乙烯颗粒在出液管内和在结晶器内的运动状态及轨迹。