稳恒磁场作用下连铸结晶器内流动行为的数学物理模拟
高效连铸以及薄板坯连铸是连铸技术发展的重要方向之一。但是高拉速下带来的结晶器内卷渣问题是困扰其发展的技术难题之一。对于薄板坯连铸，由于其拉速远远高于传统连铸，更易发生卷渣现象。造成结晶器内卷渣现象的影响因素较多，如拉速、水口浸入深度、水口张角、保护渣粘度及结晶器尺寸等等。揭示拉速、水口张角和浸入深度对薄板坯连铸结晶器内钢液流动行为的影响，对优化和控制薄板坯连铸操作十分重要。
为了抑制高拉速下带来的诸多不利现象，电磁制动技术作为控制结晶器中钢液流动的较为成熟技术开始得到应用。但是如何进一步优化电磁制动器的结构参数、电磁参数和工艺参数，并得到优化的电磁流动控制效果，对于电磁制动技术的有效应用、以及电磁制动器的设计具有重要的现实意义。
本文正是以高效连铸、薄板坯连铸中的流动行为和电磁制动效果为选题开展工作。主要完成以下方面的工作：
1、根据相似原理，建立了薄板坯连铸水力学模型，采用物理模拟和数学模拟相结合的方法研究了薄板坯连铸漏斗形结晶器内流体运动特征，研究和观察了结晶器内的旋涡现象和卷渣行为，考察了拉坯速度、浸入式水口结构、水口浸入深度、水口位置等对卷渣的影响。研究结果表明：1)结晶器表面的涡流和液面波动是造成卷渣的主要原因。涡流主要发生在结晶器宽面中心位置、水口两侧和结晶器窄边附近。2)发生卷渣的临界表面流速为0.25m/s。随水口浸入深度变浅，卷渣发生的临界拉速减小。拉速增大可使旋涡数量增多、深度增加，同时液面波动幅度也随之增大。3)水口结构对结晶器内的流动形态有较大影响。在相同的拉坯速度时，使用牛鼻子型水口的表面流速最小，有利于防止卷渣。
2、设计了“对E”结构的单条形电磁制动器。这种结构的磁极头和激磁线圈可以大大减少主气隙的漏磁场，有效提高有用气隙中的磁感应强度。磁极可在0-140mm范围内调节，当磁极间距为100mm时磁感应强度达1T，适用于低浇注速度模拟实验的制动要求。通过实验测试，研究了所设计的电磁制动器的电磁特性，为电磁制动器结构的优化设计提供依据。
3、建立了Pb-Sn-Bi低熔点合金电磁制动热模拟实验系统。考察了在稳恒磁场作用下的弯月面行为，并研究了各种操作参数(磁感应强度，拉坯速度，磁场位置和水口出口角度等)对弯月面行为的影响。研究结果表明：1)应用磁场可控制结晶器内金属液面的波动。磁场对表面波动的抑制作用有一最佳值，当磁感应强度为0.5T时液面的表面平均波动最小，液面较稳定。据此依据相似原理可推得：实际连铸机中抑制结晶器内钢液表面波动的最佳磁感应强度为0.36T。2)在板坯连铸结晶器内应用单条形稳恒磁场的电磁流动控制效果与磁感应强度、浸入式水口角度和拉坯速度有关。当其它条件不变时，拉坯速度越大，产生的电磁力越大，对流动的作用越大。水口角度不同，施加磁场时会有不同的流动控制效果。3)随着磁感应强度的增加，弯月面温度增加，流体冲击深度减小。即水口出流的向下冲击深度由于磁场的制动效应而受到了抑制。这有利于夹杂物的上浮分离，提高板坯内部质量。
4、建立了可同时实现施加磁场和吹氩气的实验系统，研究了稳恒磁场对吹氩板坯连铸结晶器内弯月面行为的影响，考察了磁感应强度、氩气流量、拉坯速度和水口出口角度等对弯月面处液面波动和氩气上浮分布规律的影响。研究结果表明：1)吹入氩气加剧了表面波动，而且，随着氩气流量的增加扰动加大，且氩气泡主要在水口附近上浮。2)施加磁场改变了氩气通过弯月面的上浮分布规律，加强了气泡在水口和窄面之间的上浮，使氩气泡在结晶器宽度方向上的上浮分布更均匀，减小了水口附近由于大量气泡上浮对液面的扰动。3)Pb-Sn-Bi热模拟实验表明，施加0.5T的磁场能对水口出流以及吹氩所产生的液面波动产生抑制作用。由相似准则推得，在实际连铸机上抑制吹氩板坯连铸结晶器内液面波动的合适磁场强度为0.36T。吹入氩气在防止水口堵塞的同时也使液面产生明显的扰动，使液面波动较大，易造成卷渣现象。对吹氩水口结构施加电磁制动，能够使其波动受到显著的抑制。本实验结果给出了参考的磁场参数。4)施加磁场和吹入氩气影响了结晶器内金属液的弯月面行为，改变了氩气在弯月面的上浮分布规律和弯月面处的液面波动。为此可应用静磁场和调节氩气流量控制结晶器内的流动和液面波动。
5、以稳恒磁场理论、电磁流体力学理论为基础，建立了描述结晶器内电磁制动磁场分布的三维数学模型，以及静磁场作用下金属液流动的三维数学模型，对电磁制动结：晶器内的磁场和流场分布进行计算，研究了磁场对结晶器内钢液流动的作用，和各工艺参数(磁感应强度、拉坯速度、水口角度及磁场位置等)对电磁流动控制效果的影响。研究结果表明：1)施加磁场后结晶器内的流场有很大改变，从浸入式水口流出的金属。液流股被电磁场产生的电磁力分散，冲击窄面的速度明显减小，且冲击窄面的位置向上偏移。施加磁场后，上部回流的涡心向上、且向远离窄面的方向移动。下部回流区减小，且涡心向上、且向水口中心方向移动，并且下降流股的流速明显减小。2)磁感应强度、拉坯速度、水口角度和磁场位置对单条形磁场作用下的电磁流动控制效果影响很大，当磁感应强度、拉坯速度和水口出口角度一定时，磁场位置(Z)与水口浸入深度(L)之比值Z/L有一最佳值，可达到最佳的电磁流动控制效果。在本研究的实验条件下，该值“为1.2。在实际应用中要合理选择各种参数以得到优化的电磁流动控制效果。
连铸结晶器;电磁制动;数学物理模拟;液面波动;卷渣;钢液流动行为
东北大学
博士
热能工程
赫冀成
2006
中文
TF777.7;TF701.1
121
2008-08-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）