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1、电磁搅拌条件下连铸流场、偏析与裂纹数值模拟,沈厚发 清华大学 机械工程系,电 话：010 6278 9922 Email：,报告内容,研究背景 结晶器电磁搅拌与流场 方坯中心偏析数值模拟研究 方坯连铸应力场的数值模拟 总结,研究现状中心偏析,铸坯裂纹,水口,弯月面,结晶器,结晶器出口,拉坯方向,电磁搅拌(EMS),促进溶质分布 减少宏观偏析 细化凝固组织,方坯电磁搅拌,方坯电磁搅拌,报告内容,研究背景 结晶器电磁搅拌与流场 方坯中心偏析数值模拟研究 方坯连铸应力场的数值模拟 总结,电磁场求解方程,磁通连续性方程,法拉第定律,欧姆定律,Maxwell 方程组:,附加条件:,安培定律,洛仑兹力可由
2、电流密度 J 与磁感应强度 B 叉积求得,磁场求解方程,电磁场求解方程,流场控制方程,K-紊流方程,Navier-Stokes方程,连续方程,程序求解步骤,程序验证 磁场测量,测量搅拌器内中心磁场装置,磁场测试仪,程序验证 磁场分布,z=-0.65m,EMS,z=-0.487m,z=-0.813m,横断面380mm280mm 结晶器高度850mm 搅拌中心距弯月面650mm 测量范围1200mm 频率2.5Hz,电磁搅拌对流场的影响两相四级,几何模型,有限元模型,结晶器电磁搅拌计算模型两相四级,两相四级搅拌器 磁感线垂直与磁极表面 时间差 为/2的两相交变磁感应场,结晶器电磁搅拌计算参数两相四
3、级,搅拌中心线上的磁感应强度,磁感应强度模量沿拉坯方向的分布(t=1/8T 与 t=1/2T),EMS,铸坯横断面上的磁场分布变化,磁感应强度在一个周期内的变化 (z=-0.55m),z=-0.55m,z=-0.4m,z=-0.7 m,(a) t=1/8T,(c) t=5/8T,(b) t=3/8T,(d) t=7/8T,一个周期内B在垂直于拉坯方向的横截面内的分布 (z=-0.55m),不同横截面内的磁场分布,(a) t=1/8T, z=-0.40m,(b) t=1/8T, z=-0.30m,B在不同横截面内的分布形态,(z=-0.55m),z=-0.55m,铸坯横断面上的电磁力分布变化,z
4、=-0.4m,z=-0.7 m,(a) t=1/8T,(c) t=5/8T,(b) t=3/8T,(d) t=7/8T,同一周期内不同时刻 F 在 x-y 横截面的分布(z=-0.55m),电磁搅拌结晶器流场,流场动画(z=-0.55m),结晶器电磁搅拌流场与流线,搅拌器作用中心位置横截面内流场及其流线形态,三相交变磁场，相位差2/3 磁感线在磁铁内部环形分布,几何模型,电磁搅拌对流场的影响三相六极,结晶器电磁搅拌计算条件三相两极,水口造型,铸坯横断面上的磁场分布变化,t=0,t=1/6T,t=2/6T,t=3/6T,t=4/6T,t=5/6T,t=1/12T,t=2/12T,t=3/12T,
5、t=4/12T,t=5/12T,t=6/12T,z=-0.1m,z=-0.2m,z=-0.35m,z=-0.487m(搅拌器上沿),z=-0.813m(搅拌器下沿),z=-0.65m(搅拌器中心),方坯结晶器内的流场,宽度方向中心,厚度方向中心,直通型水口 浸入深度150mm 拉坯速度2.5m/min 结晶器尺寸380mm280mm1200mm,电磁搅拌下的流场,无搅拌时的流场,z=-0.65m,z=-0.487m,z=-0.813m,结晶器电磁搅拌对流场的影响,不同频率下的中心磁感应强度,EMS,不同频率下横截面磁场分布,(a) f=1.0Hz,(c) f=2.0Hz,(b) f=1.5Hz
6、,(d) f=2.5Hz,不同频率下横截面电磁力分布,(a) f=1.0Hz,(c) f=2.0Hz,(b) f=1.5Hz,(d) f=2.5Hz,不同频率下的中心力矩,不同频率下的横截面流场,(a) f=1.0Hz,(b) f=2.5Hz,搅拌器中心截面流场(z=-0.65m),电磁搅拌结晶器流场模拟结论,电磁搅拌磁感应强度沿拉坯方向大致呈正态分布，在搅拌器作用的中心位置达到最大值；当离开搅拌器的作用范围后，磁场迅速衰减；搅拌器上下两侧的磁场分布基本对称；旋转磁场在达到稳定状态后随时间的变化很小，可以以某一时刻的结果来代表一段时间内的结果；在结晶器的中心区域，磁场分布较为均匀 整体上看，横
7、截面上的电磁力分成两个部分，各部分区域内的电磁力矢量大小基本相等而方向相反，其综合作用效果相当于一对力偶，使得钢液运动产生了旋转的趋势 电磁力的变化周期为磁场的1/2,电磁搅拌结晶器流场模拟结论,在三相六极搅拌器作用下，结晶器区域内的磁场分布较为均匀；在每一个时刻，搅拌器附近的磁场大致构成了两个半圆，半圆的起点和终点处磁场最小，而在中间达到最大值；总体上看，正是由于这两个半圆不断变换方向，使得中间的磁场也随之变化； 同磁极绕组的电磁力分布不同，环形绕组的电磁力向内侧作用；整个横截面上电磁力矢量分成两大部分，两部分的作用效果相当于一对向内侧作用的力偶，驱动了钢液的旋转；,电磁搅拌结晶器流场模拟结
8、论,在结晶器中心处，电磁力较小，而在边界处，力明显增大；电磁力的大小同磁场变化梯度有关，即在磁场变化较大的位置，电磁力大，反之亦成立；结晶器中心处磁场分布较为均匀，变化较小，因此电磁力小；电磁力结果中的中间“缝隙”即为磁场边界上最大值之间的连线；搅拌器中的两段磁场分别作用产生了两部分电磁力；两段磁场方向相反，因而产生的电磁力方向也相反 由于水口出流的存在，电磁搅拌作用下的流场中心形成了渐开线式的涡心，位置与结晶器中心非常接近；各截面流场形态基本上呈中心对称状，流动稳定,电磁搅拌结晶器流场模拟结论,由于电磁搅拌的作用，流场不如普通条件下的剧烈；在纵截面上，水口出流没有直通到结晶器底部，宽面方向上
9、的左右两个回流区也并不明显；在上半部分的水口附近，由于回流区范围较小，流动较弱；相比较之下，窄面方向上的流动又要比宽面方向的更弱一些，宽面方向上的流动仍然占据主导地位 磁感应强度B 和电磁力F 均随搅拌频率增大而降低，频率为2.5Hz时的中心磁感应强度最大值相比1.0Hz时下降约20%；各个频率下磁感应强度最大值之间的差值较为接近 搅拌频率增大，流场整体旋转速度减小；搅拌频率的改变并未对流态造成明显影响，只在流速方面有所区别,报告内容,研究背景 结晶器电磁搅拌与流场 方坯中心偏析数值模拟研究 方坯连铸应力场的数值模拟 总结,连续方程： 能量方程： 动量方程： 浓度方程：,数学模型,流场,溶质场
10、,中心偏析的形成过程,中心偏析的形成过程,4.0 m 8.0 m 12.0 m 16.0 m 20.0 m,中心偏析测试位置,偏析度与实测结果对比,a 宽度中心,b 厚度中心,a,b,中心偏析计算与实测结果对比,数值模拟结果,实测结果,中心偏析模拟结果与实际比较,小方坯连铸的宏观偏析,横断面上的中心偏析,中心偏析,板坯厚度方向偏析成分与实际比较,铸坯中心偏析数值模拟结论,沿着拉坯方向铸坯中心的溶质浓度在结晶器区域变化不大；当液相穴接近凝固前沿时溶质浓度迅速升高，在凝固末端，中心溶质浓度接近最大值 在铸坯表面附近，铸坯表面激冷层的浓度与钢水初始浓度相接近；当坯壳进一步向内生长，糊状区流动造成铸坯
11、的负偏析；随着坯壳的生长和碳元素的析出，导致在铸坯中心的液相区中出现高浓度的碳元素集中区域，最终凝固后形成了铸坯中心正偏析,报告内容,研究背景 结晶器电磁搅拌与流场 方坯中心偏析数值模拟研究 方坯连铸应力场的数值模拟 总结,控制方程热弹塑性模型,弹性区,塑性区,凝固坯壳变形的总应变增量,其中，, 总应变增量, 弹性应变增量, 塑性应变增量, 热应变增量, 热弹性矩阵, 热塑性矩阵,物性参数,力学参数,热学参数,等效应力（v=0.7m/min）,距弯月面205mm(MPa),距弯月面411mm(MPa),等效应力（v=0.7m/min）,距弯月面616mm(MPa),距弯月面770mm(MPa)
12、,等效应变（v=0.7m/min）,距弯月面205mm,距弯月面411mm,等效应变（v=0.7m/min）,距弯月面616mm,距弯月面770mm,拉速对等效应力的影响,结晶器出口应力(MPa) v = 0.7m/min,结晶器出口应力(MPa) v = 0.9m/min,拉速对等效应变的影响,结晶器出口应变 v = 0.7m/min,结晶器出口应变 v = 0.9m/min,方坯连铸应力场模拟结论,铸坯内不同部位冷却的不均匀造成角部塑性变形集中，容易发生变形 随着到弯月面距离的增加，最大应力应变位置会向偏角处偏移 随着拉速的增加，在结晶器出口处，坯壳厚度减小强度下降，但同时等效热应力和等效
13、热应变也呈下降趋势,报告内容,研究背景 结晶器电磁搅拌与流场 方坯中心偏析数值模拟研究 方坯连铸应力场的数值模拟 总结,总 结,（一） 电磁搅拌条件下结晶器流场的计算 根据现场的搅拌器，建立了相应的三维电磁场计算模型； 在已有结晶器流场计算程序的基础上，建立了电磁搅拌条件下结晶器流场的计算模型，开发了相应的计算软件Visual Cast，该软件可以处理复杂的水口形状，可以改变水口、浸入深度、拉坯速度、搅拌频率等工艺条件； 计算了不同电磁搅拌工艺条件下方坯结晶器内的电磁场、电磁力及流场，分析了搅拌频率对上述结果的影响,总 结,（二） 方坯凝固宏观偏析的数值模拟 以方坯连铸为研究对象，建立了流场、
14、温度场、溶质传输的耦合计算模型，并在软件Visual Cast中实现了相应的功能；对连铸中心偏析进行了研究，定量的预测了铸坯宏观偏析的位置及成份；通过与实验及文献结果的比对和验证，确认了计算结果的准确性与可靠性；数值模拟的铸坯表面温度与钢厂的实测数据相吻合；通过定点取样化学分析测量的铸坯横截面上的碳成分分布与数值模拟的浓度变化趋势及偏析程度吻合 （三） 坯壳凝固与热应力的数值模拟研究 开发了连铸结晶器内铸坯热力耦合分析程序，并对方坯连铸结晶器内铸坯凝固与热应力进行了分析,连铸工艺模拟分析软件（2000）,请 提 意 见 谢 谢！ 沈厚发：010-62789922 ,总 结,（二） 方坯连铸凝固
15、传热过程的数值模拟 基于凝固传热学基本理论，建立了方坯凝固传热数学模型。该模型根据糊状区溶质传输和反扩散方程，采用钢中多组元成分的百分含量计算液、固相线温度，考虑了组元成分、固相分数、温度等因素对热物性参数的影响； 研究了方坯连铸三维温度场；利用综合换热系数考虑二冷区的四种不同的换热状况，以二冷区铸坯表面实际水流密度分布和辊子接触传热为边界条件，计算整个铸坯表面及内部任意点、线、面的温度及固相分数分布；计算结果与VAI与实测结果一致。,方坯坯壳厚度模拟与实测对比,坯壳厚度与实际比较,At the end of solidification, Soft Reduction is applied
16、to reduce the slab thickness, which can reduce the center segregation and center porosity simultaneously.,连铸液芯压下与宏观偏析,连铸液芯压下,轻压下溶质再分布机理,轻压下溶质再分布实验装置,PF=30 mm, D=10 mm PF=25 mm, D=15 mm,L = 40 mm, V = 5mm/10sec and tS about 135 min,轻压下溶质再分布实验,凝固末端轻压下溶质分布模拟,Solid shell deformation in the reduction region,Velocity field in the reduction region,凝固末端轻压下与坯壳变形及流场,凝固末端轻压与偏析指数,无压下,有压下,
