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文檔簡(jiǎn)介
一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)超寬板坯的需求日益增長(zhǎng),其在建筑、橋梁、造船、機(jī)械制造等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在建筑領(lǐng)域,超寬板坯用于建造大型商業(yè)建筑和高層建筑的結(jié)構(gòu)部件,能夠提高建筑的穩(wěn)定性和承載能力;橋梁建設(shè)中,超寬板坯可作為橋梁的主要承重結(jié)構(gòu),確保橋梁在各種復(fù)雜環(huán)境下的安全運(yùn)行;造船業(yè)里,超寬板坯用于制造船體的關(guān)鍵部位,提升船舶的強(qiáng)度和耐久性;機(jī)械制造中,超寬板坯可加工成各種大型機(jī)械零件,滿足不同機(jī)械設(shè)備的需求。然而,在超寬板坯的生產(chǎn)過程中,鑄坯質(zhì)量問題一直是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的連鑄工藝在面對(duì)超寬板坯時(shí),由于其寬度較大,傳熱和凝固過程更為復(fù)雜,容易出現(xiàn)各種缺陷,如中心偏析、中心疏松、裂紋等。這些缺陷嚴(yán)重影響了超寬板坯的力學(xué)性能和加工性能,降低了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性,增加了生產(chǎn)成本,也限制了超寬板坯在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。在一些對(duì)材料性能要求極高的航空航天和高端裝備制造領(lǐng)域,由于鑄坯質(zhì)量問題,超寬板坯往往難以滿足其嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),無法得到廣泛應(yīng)用。為了提升超寬板坯的鑄坯質(zhì)量,二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)通過在二冷區(qū)施加交變磁場(chǎng),使鑄坯內(nèi)的鋼液產(chǎn)生感應(yīng)電流,進(jìn)而受到電磁力的作用而發(fā)生攪拌運(yùn)動(dòng)。這種攪拌作用能夠有效改善鑄坯的凝固組織,細(xì)化晶粒,擴(kuò)大等軸晶區(qū),減少柱狀晶的生長(zhǎng),從而顯著提高鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。通過攪拌,鋼液中的溶質(zhì)元素能夠更加均勻地分布,減少中心偏析的程度;同時(shí),攪拌還能促進(jìn)鋼液中的氣體和夾雜物上浮,降低鑄坯中的氣孔和夾雜物含量,提高鑄坯的純凈度。數(shù)值模擬作為一種強(qiáng)大的研究工具,在超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌工藝的優(yōu)化中具有不可替代的重要性。它能夠在實(shí)際生產(chǎn)之前,對(duì)不同工藝參數(shù)下的電磁攪拌過程進(jìn)行模擬分析,預(yù)測(cè)鑄坯的質(zhì)量和性能,為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。通過數(shù)值模擬,可以深入研究電磁攪拌參數(shù)(如電流、頻率、攪拌位置等)、連鑄工藝參數(shù)(如拉速、冷卻強(qiáng)度等)以及鑄坯幾何參數(shù)(如寬度、厚度等)對(duì)鑄坯凝固過程和質(zhì)量的影響規(guī)律。這不僅可以節(jié)省大量的時(shí)間和成本,避免因盲目試驗(yàn)而導(dǎo)致的資源浪費(fèi),還能快速找到最佳的工藝參數(shù)組合,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。利用數(shù)值模擬可以模擬不同電流和頻率下的電磁攪拌效果,分析其對(duì)鑄坯凝固組織和中心偏析的影響,從而確定最優(yōu)的電磁攪拌參數(shù),為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在超寬板坯連鑄領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程師們進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐。國(guó)外一些先進(jìn)的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè),如德國(guó)的蒂森克虜伯、日本的新日鐵住金等,在超寬板坯連鑄技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。他們通過不斷優(yōu)化連鑄工藝參數(shù),如拉速、冷卻強(qiáng)度、保護(hù)渣性能等,有效提高了超寬板坯的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。蒂森克虜伯在其連鑄生產(chǎn)線上,通過精確控制拉速和冷卻強(qiáng)度,成功生產(chǎn)出高質(zhì)量的超寬板坯,滿足了高端制造業(yè)對(duì)板材質(zhì)量的嚴(yán)格要求。國(guó)內(nèi)的鋼鐵企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)也在超寬板坯連鑄技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展。東北大學(xué)、北京科技大學(xué)等高校與寶鋼、鞍鋼、武鋼等大型鋼鐵企業(yè)緊密合作,開展了一系列關(guān)于超寬板坯連鑄工藝和質(zhì)量控制的研究。通過對(duì)連鑄過程中傳熱、傳質(zhì)和凝固行為的深入研究,開發(fā)出了適合我國(guó)國(guó)情的超寬板坯連鑄技術(shù)。寶鋼在超寬板坯連鑄生產(chǎn)中,采用了先進(jìn)的結(jié)晶器技術(shù)和二冷控制技術(shù),有效減少了鑄坯的表面和內(nèi)部缺陷,提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在二冷區(qū)電磁攪拌技術(shù)方面,國(guó)內(nèi)外的研究也取得了豐碩的成果。國(guó)外早在20世紀(jì)70年代就開始將電磁攪拌技術(shù)應(yīng)用于連鑄生產(chǎn)中,并不斷進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新。瑞典的ABB公司、法國(guó)的Rotelec公司等在電磁攪拌器的設(shè)計(jì)和制造方面具有先進(jìn)的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。他們開發(fā)的電磁攪拌器具有高效、節(jié)能、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),能夠有效改善鑄坯的凝固組織和內(nèi)部質(zhì)量。ABB公司的電磁攪拌器采用了先進(jìn)的磁場(chǎng)控制技術(shù),能夠精確控制電磁力的大小和方向,實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄坯凝固過程的有效調(diào)控。國(guó)內(nèi)對(duì)二冷區(qū)電磁攪拌技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚,但發(fā)展迅速。20世紀(jì)80年代以來,國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)開始引進(jìn)和消化國(guó)外的電磁攪拌技術(shù),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研發(fā)和創(chuàng)新。目前,國(guó)內(nèi)已經(jīng)能夠生產(chǎn)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電磁攪拌器,其性能和質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。湖南中科電氣有限公司研發(fā)的高磁力電磁攪拌器,在國(guó)內(nèi)多家鋼廠得到了廣泛應(yīng)用,取得了良好的冶金效果。在數(shù)值模擬方面,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)、計(jì)算電磁學(xué)(CEM)等學(xué)科的快速發(fā)展,數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌的重要手段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過建立數(shù)學(xué)模型,對(duì)電磁攪拌過程中的電磁場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,深入分析了電磁攪拌參數(shù)、連鑄工藝參數(shù)和鑄坯幾何參數(shù)對(duì)鑄坯凝固過程和質(zhì)量的影響規(guī)律。東北大學(xué)的學(xué)者通過建立三維瞬態(tài)耦合數(shù)學(xué)模型,研究了電磁攪拌參數(shù)對(duì)超寬板坯凝固組織和中心偏析的影響,為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。然而,現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。在超寬板坯連鑄過程中,由于其寬度較大,鑄坯內(nèi)部的傳熱和凝固過程更加復(fù)雜,現(xiàn)有研究對(duì)這一復(fù)雜過程的理解還不夠深入,導(dǎo)致在工藝參數(shù)優(yōu)化和質(zhì)量控制方面存在一定的局限性。對(duì)于二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌技術(shù),雖然已經(jīng)取得了一定的研究成果,但在電磁攪拌器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、電磁攪拌參數(shù)與連鑄工藝參數(shù)的匹配等方面,還需要進(jìn)一步深入研究。在數(shù)值模擬方面,雖然已經(jīng)建立了多種數(shù)學(xué)模型,但模型的準(zhǔn)確性和可靠性仍有待提高,特別是在考慮多物理場(chǎng)耦合和復(fù)雜邊界條件時(shí),模型的計(jì)算精度和效率還需要進(jìn)一步優(yōu)化。針對(duì)現(xiàn)有研究的不足,本文將重點(diǎn)研究超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌過程中的多物理場(chǎng)耦合行為,建立更加準(zhǔn)確和可靠的數(shù)學(xué)模型,深入分析電磁攪拌參數(shù)、連鑄工藝參數(shù)和鑄坯幾何參數(shù)對(duì)鑄坯凝固過程和質(zhì)量的影響規(guī)律,為超寬板坯連鑄工藝的優(yōu)化和質(zhì)量控制提供更加科學(xué)的依據(jù)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文針對(duì)超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌展開了深入的數(shù)值模擬研究,具體研究?jī)?nèi)容如下:建立多物理場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型:基于電磁流體力學(xué)、傳熱學(xué)和凝固理論,考慮電磁場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)之間的相互作用和耦合關(guān)系,建立超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌的三維瞬態(tài)多物理場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型。對(duì)模型中的關(guān)鍵參數(shù),如電磁攪拌器的電流、頻率、線圈匝數(shù),以及鋼液的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、密度、比熱容等進(jìn)行合理的設(shè)定和驗(yàn)證。同時(shí),考慮鑄坯在凝固過程中的相變潛熱釋放、熱物性參數(shù)隨溫度的變化等因素,確保模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際的物理過程。模擬電磁場(chǎng)分布特性:利用建立的數(shù)學(xué)模型,對(duì)不同電磁攪拌參數(shù)下的電磁場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬。分析電磁攪拌器產(chǎn)生的磁場(chǎng)在鑄坯內(nèi)的分布規(guī)律,包括磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向變化。研究電磁攪拌參數(shù)(如電流強(qiáng)度、頻率、攪拌器位置等)對(duì)電磁場(chǎng)分布的影響,為后續(xù)分析電磁力的作用提供基礎(chǔ)。探究不同電流強(qiáng)度下,鑄坯內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況,以及頻率對(duì)磁場(chǎng)穿透深度和分布均勻性的影響。分析流場(chǎng)特征及攪拌效果:在電磁場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上,計(jì)算鑄坯內(nèi)鋼液在電磁力作用下的流動(dòng)狀態(tài),得到流場(chǎng)的速度分布、流線形態(tài)等信息。分析電磁攪拌引起的鋼液流動(dòng)對(duì)鑄坯凝固過程的影響,如對(duì)傳熱、傳質(zhì)的促進(jìn)作用,以及對(duì)柱狀晶生長(zhǎng)和等軸晶形成的影響。研究不同攪拌參數(shù)下鋼液的攪拌效果,包括攪拌強(qiáng)度、攪拌范圍等,評(píng)估攪拌效果對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響。對(duì)比不同電流和頻率組合下,鋼液的攪拌強(qiáng)度和攪拌范圍的差異,以及對(duì)鑄坯凝固組織的影響。研究溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)演變規(guī)律:模擬超寬板坯在二冷區(qū)的凝固過程,分析溫度場(chǎng)的分布和變化規(guī)律,包括鑄坯表面和內(nèi)部的溫度分布、凝固前沿的推進(jìn)速度等。研究溶質(zhì)元素在鋼液中的傳輸和分布情況,分析電磁攪拌對(duì)溶質(zhì)偏析的影響,如中心偏析、成分不均勻等問題。通過模擬不同工藝參數(shù)下的溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)演變,探討優(yōu)化工藝參數(shù)以減少溶質(zhì)偏析、提高鑄坯質(zhì)量的方法。分析不同拉速和冷卻強(qiáng)度下,鑄坯溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)的變化情況,以及電磁攪拌對(duì)溶質(zhì)偏析的改善效果。優(yōu)化電磁攪拌工藝參數(shù):以提高超寬板坯鑄坯質(zhì)量為目標(biāo),通過數(shù)值模擬研究不同電磁攪拌參數(shù)、連鑄工藝參數(shù)和鑄坯幾何參數(shù)的組合對(duì)鑄坯凝固過程和質(zhì)量的影響。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、響應(yīng)面分析等方法,對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合,尋找最佳的工藝參數(shù)方案。通過模擬結(jié)果的對(duì)比和分析,評(píng)估不同參數(shù)組合下鑄坯的質(zhì)量指標(biāo),如等軸晶率、中心偏析程度、疏松度等,確定最優(yōu)的工藝參數(shù),為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),研究電磁攪拌電流、頻率、拉速和冷卻強(qiáng)度四個(gè)因素對(duì)鑄坯等軸晶率和中心偏析程度的影響,通過方差分析確定各因素的顯著性,從而找到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。為了實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容,本文采用了以下研究方法:數(shù)值模擬方法:運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件和計(jì)算電磁學(xué)(CEM)軟件,如ANSYS、FLUENT等,對(duì)超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌過程進(jìn)行數(shù)值模擬。利用這些軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的物理模型庫,求解多物理場(chǎng)耦合的控制方程,得到電磁場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)的分布和變化情況。在ANSYS軟件中,利用Maxwell模塊求解電磁場(chǎng)方程,得到磁場(chǎng)分布;將磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入FLUENT軟件中,作為電磁力的源項(xiàng),求解流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)的控制方程。理論分析方法:結(jié)合電磁學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)和凝固理論等相關(guān)學(xué)科的知識(shí),對(duì)超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌過程中的物理現(xiàn)象進(jìn)行理論分析。推導(dǎo)和建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和控制方程,解釋數(shù)值模擬結(jié)果的物理本質(zhì),為研究提供理論支持。根據(jù)電磁感應(yīng)定律和安培力定律,推導(dǎo)電磁力的計(jì)算公式;利用傳熱學(xué)中的傅里葉定律和凝固理論中的Scheil方程,分析鑄坯的傳熱和凝固過程。對(duì)比分析方法:對(duì)不同工藝參數(shù)下的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,研究各參數(shù)對(duì)超寬板坯凝固過程和質(zhì)量的影響規(guī)律。通過對(duì)比不同攪拌電流、頻率、拉速和冷卻強(qiáng)度等參數(shù)組合下的模擬結(jié)果,找出影響鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素,為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。對(duì)比不同電流強(qiáng)度下鑄坯的等軸晶率和中心偏析程度,分析電流對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響規(guī)律;對(duì)比不同頻率下鋼液的攪拌效果和溫度場(chǎng)分布,確定頻率的最佳取值范圍。二、超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌基礎(chǔ)理論2.1超寬板坯連鑄工藝2.1.1超寬板坯連鑄流程超寬板坯連鑄是一項(xiàng)復(fù)雜且精密的工藝,其流程涵蓋多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),從鋼水的準(zhǔn)備到最終鑄坯的成型,每一步都對(duì)鑄坯質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。鋼水準(zhǔn)備:這是連鑄的起始階段,對(duì)鋼水的質(zhì)量要求極高。首先,通過轉(zhuǎn)爐或電爐等冶煉設(shè)備將鐵礦石、廢鋼等原料冶煉成鋼水。在冶煉過程中,需要精確控制各種合金元素的含量,以滿足不同鋼種的性能要求。對(duì)于生產(chǎn)高強(qiáng)度合金鋼的超寬板坯,需要嚴(yán)格控制碳、錳、硅等元素的含量,以確保鋼坯具有良好的強(qiáng)度和韌性。鋼水的溫度也需要精確控制。溫度過高,會(huì)導(dǎo)致鑄坯的凝固速度變慢,增加鑄坯內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生幾率,如中心偏析、疏松等;溫度過低,則可能導(dǎo)致鋼水流動(dòng)性變差,影響澆鑄的順利進(jìn)行,甚至出現(xiàn)水口堵塞等問題。一般來說,鋼水的溫度需要控制在液相線溫度以上一定的過熱度范圍內(nèi),具體的過熱度根據(jù)鋼種和連鑄工藝的不同而有所差異。對(duì)于普通碳素鋼,過熱度通常控制在15-25℃之間。為了提高鋼水的純凈度,還需要進(jìn)行精煉處理。精煉過程中,通過吹氬攪拌、添加精煉劑等方法,去除鋼水中的有害雜質(zhì)和氣體,如硫、磷、氫、氮等。吹氬攪拌可以使鋼水中的夾雜物充分上浮,從而提高鋼水的純凈度;添加精煉劑則可以與鋼水中的雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成爐渣,便于去除。鋼水澆鑄:經(jīng)過準(zhǔn)備的合格鋼水被吊運(yùn)至鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái),鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)將鋼水準(zhǔn)確地注入中間包。中間包起到了穩(wěn)定鋼水流量、均勻鋼水溫度和進(jìn)一步去除夾雜物的作用。在中間包內(nèi),鋼水通過水口流入結(jié)晶器。結(jié)晶器是連鑄工藝的核心設(shè)備之一,它的主要作用是使鋼水初步凝固成型。結(jié)晶器通常采用銅質(zhì)材料制作,具有良好的導(dǎo)熱性能。在結(jié)晶器內(nèi)部,通過循環(huán)冷卻水帶走鋼水的熱量,使鋼水在結(jié)晶器壁上迅速凝固,形成一層具有一定厚度的初生坯殼。為了保證鑄坯的表面質(zhì)量,結(jié)晶器還需要進(jìn)行振動(dòng),以防止鑄坯與結(jié)晶器壁粘連,同時(shí)改善鑄坯的表面質(zhì)量,減少表面裂紋的產(chǎn)生。結(jié)晶器的振動(dòng)參數(shù),如振幅、頻率等,需要根據(jù)鋼種、拉速等因素進(jìn)行合理調(diào)整。二冷區(qū)冷卻:從結(jié)晶器出來的鑄坯,雖然已經(jīng)形成了初生坯殼,但內(nèi)部仍然含有大量的液態(tài)鋼水,需要在二冷區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻和凝固。二冷區(qū)采用噴水、氣霧等方式對(duì)鑄坯進(jìn)行強(qiáng)制冷卻,使鑄坯的溫度迅速降低,液態(tài)鋼水逐漸凝固。在二冷區(qū),冷卻強(qiáng)度的控制非常關(guān)鍵。冷卻強(qiáng)度過大,會(huì)導(dǎo)致鑄坯表面溫度過低,產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,從而引發(fā)表面裂紋;冷卻強(qiáng)度過小,則會(huì)使鑄坯凝固速度過慢,影響生產(chǎn)效率,同時(shí)也可能導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部質(zhì)量問題,如中心偏析、疏松等。因此,需要根據(jù)鑄坯的鋼種、斷面尺寸、拉速等因素,合理調(diào)整二冷區(qū)的冷卻強(qiáng)度,確保鑄坯在二冷區(qū)內(nèi)能夠均勻、穩(wěn)定地凝固。拉坯與矯直:在二冷區(qū)冷卻的同時(shí),鑄坯通過拉矯機(jī)進(jìn)行拉坯和矯直。拉矯機(jī)的作用是將鑄坯從結(jié)晶器中拉出,并對(duì)鑄坯進(jìn)行矯直,使其符合后續(xù)加工的要求。拉坯速度的控制需要與鋼水的澆鑄速度相匹配,以保證鑄坯的質(zhì)量和生產(chǎn)的連續(xù)性。如果拉坯速度過快,會(huì)導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部的液態(tài)鋼水來不及凝固,產(chǎn)生漏鋼等事故;如果拉坯速度過慢,則會(huì)影響生產(chǎn)效率。拉矯機(jī)還需要對(duì)鑄坯進(jìn)行適當(dāng)?shù)某C直,以消除鑄坯在凝固過程中產(chǎn)生的彎曲變形,確保鑄坯的平直度。鑄坯切割:經(jīng)過拉矯后的鑄坯,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求,通過火焰切割機(jī)或機(jī)械切割機(jī)等設(shè)備切割成一定長(zhǎng)度的板坯。切割后的板坯經(jīng)過檢查和表面處理,如去毛刺、打磨等,最終成為合格的超寬板坯產(chǎn)品,可進(jìn)入后續(xù)的加工工序,如軋制、熱處理等。2.1.2二冷區(qū)在連鑄中的作用二冷區(qū)在超寬板坯連鑄工藝中占據(jù)著舉足輕重的地位,對(duì)鑄坯的凝固過程、質(zhì)量以及生產(chǎn)效率都有著深遠(yuǎn)的影響。促進(jìn)鑄坯凝固:二冷區(qū)的首要作用是對(duì)帶液芯的鑄坯進(jìn)行強(qiáng)制冷卻,使鑄坯繼續(xù)凝固。在結(jié)晶器中,鋼水雖然已經(jīng)初步凝固形成初生坯殼,但此時(shí)鑄坯內(nèi)部仍有大量的液態(tài)鋼水,需要在二冷區(qū)進(jìn)一步釋放熱量,完成凝固過程。通過合理控制二冷區(qū)的冷卻強(qiáng)度和冷卻方式,可以有效地調(diào)節(jié)鑄坯的凝固速度和凝固路徑,確保鑄坯在整個(gè)斷面上均勻凝固。采用氣霧冷卻方式可以使冷卻介質(zhì)更均勻地分布在鑄坯表面,提高冷卻效果的均勻性,從而促進(jìn)鑄坯的均勻凝固。改善鑄坯質(zhì)量:二冷區(qū)的冷卻條件對(duì)鑄坯的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。合理的冷卻可以細(xì)化鑄坯的晶粒組織,減少柱狀晶的生長(zhǎng),擴(kuò)大等軸晶區(qū),從而提高鑄坯的力學(xué)性能和加工性能。通過控制二冷區(qū)的冷卻強(qiáng)度,可以使鑄坯表面和內(nèi)部的溫度梯度減小,抑制柱狀晶的生長(zhǎng),促進(jìn)等軸晶的形成。等軸晶組織具有更好的各向同性,能夠提高鑄坯的韌性和塑性,減少鑄坯在加工過程中出現(xiàn)裂紋等缺陷的可能性。二冷區(qū)的冷卻還可以減少鑄坯內(nèi)部的偏析和疏松等缺陷。在鑄坯凝固過程中,由于溶質(zhì)元素的再分配,容易出現(xiàn)中心偏析和中心疏松等問題。通過合理的冷卻控制,可以使鋼液中的溶質(zhì)元素更加均勻地分布,減少偏析的程度。適當(dāng)?shù)睦鋮s強(qiáng)度可以促進(jìn)鋼液中的氣體和夾雜物上浮,降低鑄坯中的氣孔和夾雜物含量,提高鑄坯的純凈度。提高生產(chǎn)效率:二冷區(qū)的高效冷卻能夠加快鑄坯的凝固速度,從而提高連鑄機(jī)的拉速,增加生產(chǎn)效率。在保證鑄坯質(zhì)量的前提下,提高拉速可以使單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的鑄坯數(shù)量增加,降低生產(chǎn)成本。通過優(yōu)化二冷區(qū)的冷卻工藝,采用高效的冷卻設(shè)備和合理的冷卻制度,可以在不影響鑄坯質(zhì)量的情況下,提高拉速,實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。采用新型的氣霧冷卻噴嘴,可以提高冷卻效率,在保證鑄坯質(zhì)量的同時(shí),將拉速提高10%-20%。保證鑄坯形狀和尺寸精度:二冷區(qū)的支撐和導(dǎo)向裝置可以保證鑄坯在冷卻過程中的形狀和尺寸精度。在鑄坯冷卻過程中,由于熱應(yīng)力的作用,容易產(chǎn)生鼓肚、脫方等形狀缺陷。二冷區(qū)的支撐輥和導(dǎo)向輥可以對(duì)鑄坯進(jìn)行有效的支撐和導(dǎo)向,限制鑄坯的變形,確保鑄坯的形狀和尺寸符合要求。合理的輥列布置和對(duì)弧精度也是保證鑄坯形狀和尺寸精度的關(guān)鍵因素。通過精確的對(duì)弧操作,可以使支撐輥和導(dǎo)向輥與鑄坯表面良好接觸,減少鑄坯在冷卻過程中的變形。2.2分節(jié)輥式電磁攪拌原理2.2.1電磁攪拌基本原理電磁攪拌技術(shù)的核心原理基于電磁感應(yīng)定律與安培力定律。當(dāng)交變電流通過電磁攪拌器的線圈時(shí),會(huì)在其周圍空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,這個(gè)交變磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)電的鋼水中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),進(jìn)而在鋼水中形成感應(yīng)電流。而根據(jù)安培力定律,載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到電磁力的作用,此時(shí)鋼水中的感應(yīng)電流與磁場(chǎng)相互作用,就會(huì)產(chǎn)生電磁力。這些電磁力作為體積力,均勻地作用于鋼水的各個(gè)體積單元,推動(dòng)鋼水發(fā)生運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼水的攪拌。從微觀角度來看,電磁攪拌對(duì)鑄坯凝固過程有著多方面的重要作用。在傳熱方面,鋼水的攪拌使得高溫區(qū)域與低溫區(qū)域的鋼水充分混合,增強(qiáng)了熱量的傳遞效率。高溫鋼水的熱量能夠更快地傳遞到低溫區(qū)域,使得鑄坯整體的溫度分布更加均勻,減少了溫度梯度,從而降低了因溫度不均勻?qū)е碌臒釕?yīng)力,減少了鑄坯產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),攪拌還能加速鑄坯表面與冷卻介質(zhì)之間的熱量交換,提高鑄坯的冷卻速度,有利于細(xì)化晶粒。在傳質(zhì)方面,電磁攪拌促進(jìn)了鋼水中溶質(zhì)元素的擴(kuò)散和均勻分布。在鑄坯凝固過程中,溶質(zhì)元素會(huì)在固液界面處發(fā)生富集和偏析現(xiàn)象。通過攪拌,溶質(zhì)元素能夠在鋼水中更充分地?cái)U(kuò)散,減少了溶質(zhì)元素在局部區(qū)域的富集,降低了中心偏析和成分不均勻的程度,提高了鑄坯的化學(xué)成分均勻性。電磁攪拌對(duì)鑄坯的凝固組織形態(tài)有著顯著影響。在沒有攪拌的情況下,鑄坯凝固時(shí)容易形成柱狀晶組織,柱狀晶的生長(zhǎng)方向通常垂直于鑄坯表面,這種組織形態(tài)在力學(xué)性能上存在各向異性,且容易導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)缺陷。而電磁攪拌產(chǎn)生的鋼水流動(dòng)能夠打碎正在生長(zhǎng)的樹枝晶,使其成為游離的晶核,這些晶核在鋼水中均勻分布,促進(jìn)了等軸晶的形成。等軸晶組織具有各向同性的力學(xué)性能,能夠提高鑄坯的強(qiáng)度、韌性和塑性,改善鑄坯的質(zhì)量。2.2.2分節(jié)輥式電磁攪拌器結(jié)構(gòu)與工作方式分節(jié)輥式電磁攪拌器主要由輥體、線圈、鐵芯等關(guān)鍵部件組成。輥體通常采用高強(qiáng)度、耐高溫的材料制成,如特殊合金鋼,以承受鋼水的高溫和壓力,同時(shí)保證在長(zhǎng)期使用過程中不會(huì)發(fā)生變形或損壞。輥體的表面需要具有良好的耐磨性和抗腐蝕性,以減少與鑄坯之間的摩擦和磨損,延長(zhǎng)輥體的使用壽命。線圈是分節(jié)輥式電磁攪拌器產(chǎn)生磁場(chǎng)的核心部件,一般采用耐高溫、高導(dǎo)電率的銅質(zhì)材料繞制而成。線圈的匝數(shù)、線徑以及繞制方式等參數(shù)會(huì)直接影響電磁攪拌器產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度和分布特性。為了提高磁場(chǎng)的效率和均勻性,線圈通常會(huì)采用多層繞制的方式,并且在繞制過程中需要保證線圈的緊密性和對(duì)稱性。鐵芯則由高導(dǎo)磁率的硅鋼片疊壓而成,其作用是增強(qiáng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和集中磁場(chǎng)的分布。硅鋼片具有低磁滯損耗和高磁導(dǎo)率的特性,能夠有效地引導(dǎo)磁場(chǎng)的方向,提高磁場(chǎng)的利用率。鐵芯的形狀和尺寸也需要根據(jù)電磁攪拌器的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行優(yōu)化,以確保磁場(chǎng)能夠均勻地分布在鑄坯內(nèi)部。在工作時(shí),分節(jié)輥式電磁攪拌器通過通入交變電流,使線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。由于輥體采用了分節(jié)式結(jié)構(gòu),相鄰分節(jié)之間通過特殊的連接方式實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的連續(xù)分布。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠在保證攪拌效果的同時(shí),提高攪拌器的剛度和穩(wěn)定性,減少因鋼水靜壓力和拉坯力等作用力導(dǎo)致的攪拌輥?zhàn)冃魏蛿嗔褑栴}。交變磁場(chǎng)會(huì)穿透鑄坯,在鋼水中產(chǎn)生感應(yīng)電流,進(jìn)而產(chǎn)生電磁力,推動(dòng)鋼水流動(dòng)。通過合理調(diào)整電流的大小、頻率以及線圈的布置方式,可以精確控制電磁力的大小和方向,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼水?dāng)嚢鑿?qiáng)度和攪拌方式的靈活調(diào)控。當(dāng)需要提高攪拌強(qiáng)度時(shí),可以增大電流的幅值或調(diào)整頻率,以增強(qiáng)電磁力的作用;當(dāng)需要改變攪拌方向時(shí),可以通過調(diào)整線圈的通電順序或相位,實(shí)現(xiàn)鋼水的不同流動(dòng)模式。三、數(shù)值模擬模型構(gòu)建3.1模型假設(shè)與簡(jiǎn)化為了簡(jiǎn)化超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌的數(shù)值模擬過程,在保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的前提下,對(duì)實(shí)際物理過程進(jìn)行了以下合理假設(shè)與簡(jiǎn)化:忽略次要因素:考慮到超寬板坯連鑄過程的復(fù)雜性,在模型中忽略了一些對(duì)整體結(jié)果影響較小的次要因素。例如,忽略了鑄坯表面的氧化現(xiàn)象,因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中,雖然鑄坯表面會(huì)與空氣接觸發(fā)生氧化,但相對(duì)于整個(gè)鑄坯的凝固過程和電磁攪拌的影響,氧化層的厚度和其對(duì)傳熱、電磁等過程的影響較小,可以忽略不計(jì)。此外,忽略了鋼水中微量雜質(zhì)元素對(duì)物理性質(zhì)的影響,鋼水中的微量雜質(zhì)元素含量較低,對(duì)鋼水的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、密度、比熱容等主要物理性質(zhì)的影響在一定程度上可以忽略,這樣可以簡(jiǎn)化模型的計(jì)算過程,同時(shí)不會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。設(shè)定材料屬性為常數(shù):在模擬過程中,將鋼液和鑄坯的部分材料屬性設(shè)定為常數(shù)。假設(shè)鋼液的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、密度、比熱容等在整個(gè)模擬過程中不隨溫度和成分的變化而改變。雖然在實(shí)際情況中,這些材料屬性會(huì)隨著溫度和成分的變化而有所波動(dòng),但在一定的溫度范圍內(nèi)和成分變化區(qū)間內(nèi),這種波動(dòng)對(duì)模擬結(jié)果的影響相對(duì)較小。將鋼液的電導(dǎo)率設(shè)定為某一常數(shù),經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證,在模擬的溫度和成分范圍內(nèi),這種假設(shè)不會(huì)對(duì)電磁場(chǎng)和流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生明顯偏差,同時(shí)可以大大簡(jiǎn)化計(jì)算過程,提高計(jì)算效率。簡(jiǎn)化幾何模型:對(duì)超寬板坯和分節(jié)輥式電磁攪拌器的幾何模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。忽略了鑄坯表面的微小粗糙度以及一些局部的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),如鑄坯表面的一些加工痕跡和電磁攪拌器外殼上的一些小孔、凹槽等。這些微小的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)整體的電磁攪拌效果和鑄坯凝固過程影響較小,通過簡(jiǎn)化幾何模型,可以減少計(jì)算網(wǎng)格的數(shù)量,降低計(jì)算復(fù)雜度,提高模擬計(jì)算的效率,同時(shí)也能保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性在可接受的范圍內(nèi)。這些假設(shè)和簡(jiǎn)化是基于對(duì)超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌過程的深入理解和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)做出的。在實(shí)際應(yīng)用中,通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)這些假設(shè)和簡(jiǎn)化在一定程度上能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際物理過程,模擬結(jié)果與實(shí)際情況具有較好的一致性。雖然這些假設(shè)和簡(jiǎn)化可能會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的誤差,但在合理的范圍內(nèi),這種誤差是可以接受的,并且通過后續(xù)的模型驗(yàn)證和修正,可以進(jìn)一步提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.2控制方程3.2.1電磁場(chǎng)控制方程在超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌的數(shù)值模擬中,電磁場(chǎng)的分析基于麥克斯韋方程組,這是描述電磁場(chǎng)基本規(guī)律的一組偏微分方程,它系統(tǒng)而完整地概括了電磁場(chǎng)的性質(zhì)、變化以及電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的相互關(guān)系。麥克斯韋方程組的微分形式如下:高斯電場(chǎng)定律:\nabla\cdot\vec{E}=\frac{\rho}{\epsilon_0},該方程表明電場(chǎng)的散度與電荷密度\rho成正比,揭示了電荷是電場(chǎng)的源,電場(chǎng)線從正電荷出發(fā),終止于負(fù)電荷,反映了電場(chǎng)的有源性質(zhì)。在超寬板坯的電磁攪拌過程中,雖然鋼液整體呈電中性,但在電磁場(chǎng)的作用下,會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷和感應(yīng)電流,這些電荷和電流分布會(huì)影響電場(chǎng)的分布。在電磁攪拌器附近,由于交變磁場(chǎng)的作用,鋼液中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,這些感應(yīng)電流會(huì)產(chǎn)生附加電場(chǎng),從而改變電場(chǎng)的分布情況。高斯磁場(chǎng)定律:\nabla\cdot\vec{B}=0,此方程說明磁場(chǎng)是無源場(chǎng),磁感線是無頭無尾的閉合曲線,通過任意閉合曲面的磁通量恒為零,這體現(xiàn)了自然界中不存在單獨(dú)的磁極(磁單極子)。在超寬板坯二冷區(qū),分節(jié)輥式電磁攪拌器產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間中形成閉合回路,穿過鑄坯的磁場(chǎng)也遵循這一規(guī)律,不會(huì)出現(xiàn)磁通量的凈增減。法拉第電磁感應(yīng)定律:\nabla\times\vec{E}=-\frac{\partial\vec{B}}{\partialt},它描述了變化的磁場(chǎng)會(huì)激發(fā)渦旋電場(chǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度的旋度與磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化率相關(guān),是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)表達(dá)。在超寬板坯的二冷區(qū),分節(jié)輥式電磁攪拌器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在鑄坯內(nèi)感應(yīng)出渦旋電場(chǎng),進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流,這是實(shí)現(xiàn)電磁攪拌的關(guān)鍵原理之一。安培環(huán)路定律(含位移電流):\nabla\times\vec{H}=\vec{J}+\frac{\partial\vec{D}}{\partialt},該定律表明磁場(chǎng)強(qiáng)度的旋度等于傳導(dǎo)電流密度\vec{J}與位移電流密度\frac{\partial\vec{D}}{\partialt}之和,揭示了電流(包括傳導(dǎo)電流和位移電流)是磁場(chǎng)的源,變化的電場(chǎng)也能產(chǎn)生磁場(chǎng)。在超寬板坯的電磁攪拌模擬中,傳導(dǎo)電流主要是鑄坯內(nèi)的感應(yīng)電流,位移電流則與電場(chǎng)的變化率有關(guān),兩者共同作用產(chǎn)生磁場(chǎng),影響電磁攪拌的效果。為了求解麥克斯韋方程組,還需要補(bǔ)充一些輔助方程,以描述材料的電磁特性和物理量之間的關(guān)系:本構(gòu)關(guān)系:\vec{D}=\epsilon\vec{E},\vec{B}=\mu\vec{H},\vec{J}=\sigma\vec{E},其中\(zhòng)vec{D}是電位移矢量,\vec{H}是磁場(chǎng)強(qiáng)度,\epsilon是介電常數(shù),\mu是磁導(dǎo)率,\sigma是電導(dǎo)率。這些本構(gòu)關(guān)系描述了電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電位移矢量、磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的線性關(guān)系,以及電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。在超寬板坯的模擬中,鋼液的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率是影響電磁場(chǎng)分布的重要參數(shù)。鋼液的電導(dǎo)率較高,使得在交變磁場(chǎng)作用下能夠產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流,從而增強(qiáng)電磁攪拌的效果;而磁導(dǎo)率則影響磁場(chǎng)在鋼液中的穿透和分布。電流連續(xù)性方程:\nabla\cdot\vec{J}+\frac{\partial\rho}{\partialt}=0,它表示電流的散度與電荷密度隨時(shí)間的變化率之和為零,體現(xiàn)了電荷守恒定律,即電流在空間中的分布是連續(xù)的,不會(huì)出現(xiàn)電荷的憑空產(chǎn)生或消失。在超寬板坯二冷區(qū)電磁攪拌過程中,電流連續(xù)性方程確保了感應(yīng)電流在鋼液中的合理分布,對(duì)電磁場(chǎng)的計(jì)算和分析具有重要意義。通過上述麥克斯韋方程組及補(bǔ)充方程,可以全面地描述超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌過程中的電磁場(chǎng)分布和變化規(guī)律,為后續(xù)分析電磁力對(duì)鋼液流動(dòng)的影響奠定基礎(chǔ)。在實(shí)際求解過程中,通常采用數(shù)值方法,如有限元法、有限差分法等,將連續(xù)的電磁場(chǎng)問題離散化,轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組進(jìn)行求解,從而得到電磁場(chǎng)在空間和時(shí)間上的分布情況。3.2.2流場(chǎng)控制方程在超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌過程中,鋼液的流動(dòng)行為對(duì)鑄坯的凝固質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。描述鋼水流場(chǎng)的基本方程是Navier-Stokes方程,它基于牛頓第二定律,即力等于質(zhì)量乘以加速度,在流體力學(xué)中,這個(gè)方程描述了作用在流體上的力與流體的加速度之間的關(guān)系。對(duì)于不可壓縮粘性流體,Navier-Stokes方程的一般形式為:\rho\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+\rho(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{v}+\vec{F}其中,\vec{v}是流體速度矢量,\rho是流體密度,p是壓力,\mu是動(dòng)力粘度,\vec{F}是作用在流體上的外力矢量。方程左邊第一項(xiàng)\rho\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}表示流體速度隨時(shí)間的變化,即非定常項(xiàng),反映了流體的瞬態(tài)加速情況;第二項(xiàng)\rho(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}是對(duì)流項(xiàng),描述了由于流體自身流動(dòng)導(dǎo)致的速度變化,體現(xiàn)了流體運(yùn)動(dòng)的非線性特性,它反映了流體微元在空間中的運(yùn)動(dòng)對(duì)速度的影響。方程右邊第一項(xiàng)-\nablap是壓力梯度項(xiàng),代表了壓力差對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力,流體總是從高壓區(qū)域流向低壓區(qū)域;第二項(xiàng)\mu\nabla^2\vec{v}是粘性力項(xiàng),反映了流體的粘性對(duì)流動(dòng)的阻礙作用,粘性力使得流體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦力,阻礙流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng),它與流體的動(dòng)力粘度和速度梯度有關(guān);第三項(xiàng)\vec{F}是外力項(xiàng),在超寬板坯二冷區(qū)電磁攪拌的情況下,主要是指電磁力,它是由電磁場(chǎng)與鋼液中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生的,是推動(dòng)鋼液流動(dòng)的重要因素。在超寬板坯二冷區(qū),鋼液的流動(dòng)還需要滿足連續(xù)性方程,以保證質(zhì)量守恒。對(duì)于不可壓縮流體,連續(xù)性方程的表達(dá)式為:\nabla\cdot\vec{v}=0該方程表明流體的速度散度為零,即單位時(shí)間內(nèi)流入某一控制體積的流體質(zhì)量等于流出該控制體積的流體質(zhì)量,反映了在不可壓縮流體中,流體的體積在流動(dòng)過程中保持不變。在超寬板坯的連鑄過程中,鋼液在二冷區(qū)內(nèi)的流動(dòng)滿足連續(xù)性方程,這確保了鋼液在整個(gè)流動(dòng)過程中的質(zhì)量守恒,不會(huì)出現(xiàn)鋼液的堆積或缺失現(xiàn)象。在模擬鋼水流動(dòng)時(shí),通常采用數(shù)值方法來求解Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程。有限體積法是一種常用的數(shù)值求解方法,它將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列的控制體積,通過對(duì)每個(gè)控制體積內(nèi)的物理量進(jìn)行積分,將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程進(jìn)行求解。在有限體積法中,需要對(duì)速度和壓力進(jìn)行耦合求解,常用的算法有SIMPLE(Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations)算法及其改進(jìn)算法,如SIMPLEC(SIMPLE-Consistent)算法、PISO(Pressure-ImplicitwithSplittingofOperators)算法等。這些算法通過迭代的方式逐步求解速度和壓力場(chǎng),直到滿足收斂條件。在使用有限體積法求解時(shí),還需要對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格的質(zhì)量和疏密程度會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算效率。合理的網(wǎng)格劃分能夠準(zhǔn)確地捕捉鋼液流動(dòng)的細(xì)節(jié),提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,但過密的網(wǎng)格會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。因此,需要根據(jù)具體問題的特點(diǎn)和計(jì)算資源的限制,選擇合適的網(wǎng)格劃分方案和數(shù)值求解算法,以獲得準(zhǔn)確且高效的計(jì)算結(jié)果。3.2.3溫度場(chǎng)控制方程在超寬板坯連鑄過程中,鑄坯的凝固過程本質(zhì)上是一個(gè)熱量傳遞和釋放的過程,溫度場(chǎng)的分布和變化對(duì)鑄坯的質(zhì)量和性能有著決定性的影響。描述鑄坯溫度場(chǎng)的基本方程是熱傳導(dǎo)方程,它基于能量守恒定律,考慮了鑄坯內(nèi)部的熱傳導(dǎo)、對(duì)流以及凝固潛熱的釋放等因素。對(duì)于各向同性的固體材料,在笛卡爾坐標(biāo)系下,熱傳導(dǎo)方程的一般形式為:\rhoc_p\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+Q其中,\rho是材料密度,c_p是定壓比熱容,T是溫度,t是時(shí)間,k是熱導(dǎo)率,Q是內(nèi)部熱源項(xiàng)。方程左邊\rhoc_p\frac{\partialT}{\partialt}表示單位體積材料的內(nèi)能隨時(shí)間的變化率,反映了溫度隨時(shí)間的變化對(duì)材料內(nèi)能的影響。方程右邊第一項(xiàng)\nabla\cdot(k\nablaT)是熱傳導(dǎo)項(xiàng),描述了由于溫度梯度引起的熱量傳遞,熱流總是從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域,其大小與熱導(dǎo)率和溫度梯度成正比。在超寬板坯二冷區(qū),鑄坯表面與冷卻介質(zhì)(如水、空氣等)之間存在著強(qiáng)烈的熱交換,熱量通過熱傳導(dǎo)從鑄坯內(nèi)部傳遞到表面,再傳遞給冷卻介質(zhì),從而使鑄坯溫度降低。第二項(xiàng)Q是內(nèi)部熱源項(xiàng),在超寬板坯凝固過程中,主要考慮凝固潛熱的釋放。當(dāng)鋼液凝固時(shí),會(huì)釋放出大量的凝固潛熱,這部分熱量會(huì)影響鑄坯的溫度分布和凝固速度。為了準(zhǔn)確模擬凝固潛熱的影響,通常采用焓法進(jìn)行處理。在焓法中,引入了焓的概念,焓H與溫度T和凝固潛熱L之間的關(guān)系為:H=\int_{T_0}^{T}\rhoc_pdT+fL其中,T_0是參考溫度,f是凝固分?jǐn)?shù),f的取值范圍為0(完全液態(tài))到1(完全固態(tài))。通過這種方式,將凝固潛熱的釋放納入到熱傳導(dǎo)方程中,使得方程能夠準(zhǔn)確地描述鑄坯在凝固過程中的溫度變化。在模擬鑄坯凝固過程溫度變化時(shí),熱傳導(dǎo)方程起著核心作用。它能夠全面地考慮鑄坯內(nèi)部的熱傳導(dǎo)、對(duì)流以及凝固潛熱的影響,為研究鑄坯的凝固過程提供了重要的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中,通常結(jié)合數(shù)值方法,如有限元法、有限差分法等,對(duì)熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行求解。在有限元法中,將鑄坯劃分為有限個(gè)單元,通過對(duì)每個(gè)單元內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行近似求解,然后將各個(gè)單元的結(jié)果進(jìn)行組合,得到整個(gè)鑄坯的溫度場(chǎng)分布。在求解過程中,需要考慮邊界條件,如鑄坯表面與冷卻介質(zhì)之間的換熱邊界條件、鑄坯與周圍環(huán)境之間的輻射邊界條件等。合理地確定邊界條件和選擇數(shù)值求解方法,能夠提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,為超寬板坯連鑄工藝的優(yōu)化提供有力的支持。通過模擬不同工藝參數(shù)下的溫度場(chǎng)變化,可以分析冷卻強(qiáng)度、拉速等因素對(duì)鑄坯凝固過程的影響,從而優(yōu)化工藝參數(shù),提高鑄坯質(zhì)量。3.3模型建立與網(wǎng)格劃分3.3.1幾何模型建立利用專業(yè)的建模軟件,如ANSYSDesignModeler,構(gòu)建超寬板坯二冷區(qū)及分節(jié)輥式電磁攪拌器的三維幾何模型。在建模過程中,充分考慮實(shí)際生產(chǎn)中的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù),確保模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。超寬板坯的幾何尺寸為長(zhǎng)L、寬W、厚H。其中,長(zhǎng)度L根據(jù)實(shí)際連鑄機(jī)的拉坯長(zhǎng)度確定,一般在數(shù)米到數(shù)十米之間;寬度W是超寬板坯的關(guān)鍵尺寸,通常大于普通板坯的寬度,可達(dá)數(shù)米;厚度H則根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格而定,一般在十幾厘米到幾十厘米之間。板坯的上表面為澆鑄面,與鋼水接觸,下表面和側(cè)面在二冷區(qū)與冷卻介質(zhì)和支撐輥接觸。分節(jié)輥式電磁攪拌器由多個(gè)分節(jié)輥組成,每個(gè)分節(jié)輥的直徑為D,長(zhǎng)度與板坯寬度W相匹配。分節(jié)輥內(nèi)部安裝有線圈和鐵芯,線圈采用多層繞制的方式,以增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。鐵芯由高導(dǎo)磁率的硅鋼片疊壓而成,其形狀和尺寸經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì),以提高磁場(chǎng)的集中性和均勻性。在模型中,還考慮了二冷區(qū)的支撐輥和冷卻水管等輔助設(shè)備。支撐輥用于支撐鑄坯,保證其在拉坯過程中的穩(wěn)定性,其直徑和間距根據(jù)鑄坯的尺寸和重量進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。冷卻水管分布在鑄坯的周圍,通過噴水或氣霧的方式對(duì)鑄坯進(jìn)行冷卻,冷卻水管的布置方式和噴水量對(duì)鑄坯的冷卻效果有著重要影響。為了更清晰地展示模型的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),對(duì)模型進(jìn)行了局部放大。可以看到分節(jié)輥式電磁攪拌器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),包括線圈的繞制方式、鐵芯的形狀和尺寸,以及分節(jié)輥之間的連接方式。還展示了鑄坯與支撐輥、冷卻水管之間的相對(duì)位置關(guān)系,這些細(xì)節(jié)對(duì)于準(zhǔn)確模擬電磁攪拌過程和鑄坯的凝固過程至關(guān)重要。通過建立這樣詳細(xì)的三維幾何模型,為后續(xù)的數(shù)值模擬提供了可靠的基礎(chǔ),能夠更準(zhǔn)確地分析電磁攪拌參數(shù)、連鑄工藝參數(shù)和鑄坯幾何參數(shù)對(duì)鑄坯凝固過程和質(zhì)量的影響。3.3.2網(wǎng)格劃分方法與策略采用ICEMCFD軟件對(duì)構(gòu)建好的三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分過程中,綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率的要求,針對(duì)不同的區(qū)域采用了不同的網(wǎng)格劃分方法和策略。對(duì)于超寬板坯區(qū)域,由于需要精確捕捉鑄坯內(nèi)部的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)的變化,采用了六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)分布均勻,能夠有效地提高計(jì)算精度。在劃分時(shí),根據(jù)鑄坯的幾何形狀和尺寸,合理確定網(wǎng)格的尺寸和密度。在鑄坯的表面和凝固前沿等關(guān)鍵區(qū)域,采用了較小的網(wǎng)格尺寸,以提高對(duì)溫度梯度和溶質(zhì)濃度梯度的捕捉能力;在鑄坯的內(nèi)部區(qū)域,由于物理量的變化相對(duì)較小,可以適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸,以減少計(jì)算量。通過這種方式,既保證了計(jì)算精度,又控制了計(jì)算成本。分節(jié)輥式電磁攪拌器區(qū)域,由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,包含線圈、鐵芯等部件,采用了四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀,對(duì)模型的細(xì)節(jié)特征具有更好的描述能力。在劃分時(shí),同樣根據(jù)電磁攪拌器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)不同的部件進(jìn)行了針對(duì)性的網(wǎng)格設(shè)置。在線圈和鐵芯等關(guān)鍵部件處,采用了較小的網(wǎng)格尺寸,以準(zhǔn)確計(jì)算電磁場(chǎng)的分布;在電磁攪拌器的外殼等對(duì)電磁場(chǎng)影響較小的區(qū)域,可以適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸,以提高計(jì)算效率。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量,采用了以下策略:對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行光順處理,通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置,使網(wǎng)格的形狀更加規(guī)則,減少網(wǎng)格的扭曲和變形,提高網(wǎng)格的質(zhì)量。在網(wǎng)格劃分過程中,設(shè)置了合理的網(wǎng)格過渡區(qū)域,使不同尺寸的網(wǎng)格之間能夠平滑過渡,避免出現(xiàn)網(wǎng)格尺寸突變,從而提高計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,在關(guān)鍵區(qū)域,如鑄坯的凝固前沿、電磁攪拌器的線圈附近等,適當(dāng)增加網(wǎng)格的密度,以提高對(duì)物理現(xiàn)象的分辨率。通過以上網(wǎng)格劃分方法和策略,得到了高質(zhì)量的計(jì)算網(wǎng)格。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了質(zhì)量檢查,確保網(wǎng)格的質(zhì)量指標(biāo)滿足數(shù)值模擬的要求。高質(zhì)量的網(wǎng)格為后續(xù)的數(shù)值模擬提供了可靠的基礎(chǔ),能夠保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。3.4邊界條件與初始條件設(shè)定3.4.1電磁場(chǎng)邊界條件在電磁場(chǎng)的數(shù)值模擬中,準(zhǔn)確設(shè)定邊界條件對(duì)于獲得可靠的模擬結(jié)果至關(guān)重要。電磁攪拌器的電流和頻率是決定其產(chǎn)生磁場(chǎng)特性的關(guān)鍵輸入條件。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求和電磁攪拌器的設(shè)計(jì)參數(shù),設(shè)定電磁攪拌器的輸入電流為正弦交變電流,其幅值為I_0,頻率為f。在實(shí)際超寬板坯連鑄生產(chǎn)中,電磁攪拌器的電流幅值通常在幾百安培到數(shù)千安培之間,頻率一般在幾赫茲到幾十赫茲范圍內(nèi)。對(duì)于某特定的超寬板坯連鑄工藝,可能設(shè)定電流幅值為800A,頻率為10Hz。這種交變電流通過電磁攪拌器的線圈,會(huì)在其周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,交變磁場(chǎng)的變化會(huì)在鑄坯內(nèi)感應(yīng)出電流,進(jìn)而產(chǎn)生電磁力,推動(dòng)鋼水流動(dòng)。電流幅值的大小直接影響磁場(chǎng)的強(qiáng)度,幅值越大,產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度越高,電磁力也就越大,對(duì)鋼水的攪拌作用越強(qiáng)。而頻率的變化則會(huì)影響磁場(chǎng)的穿透深度和分布特性。較低的頻率可以使磁場(chǎng)更深入地穿透鑄坯,作用于更內(nèi)部的鋼水;較高的頻率則會(huì)使磁場(chǎng)更集中于鑄坯表面附近,對(duì)表面區(qū)域的鋼水?dāng)嚢栊Ч黠@。對(duì)于外部磁場(chǎng)的邊界條件,通常采用遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件。在遠(yuǎn)離電磁攪拌器和鑄坯的區(qū)域,磁場(chǎng)強(qiáng)度趨近于零,即設(shè)定該區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度\vec{H}和磁感應(yīng)強(qiáng)度\vec{B}為零。這是因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)環(huán)境中,遠(yuǎn)離電磁攪拌器的地方,電磁攪拌產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響非常小,可以忽略不計(jì)。在模擬區(qū)域的邊界處,假設(shè)磁場(chǎng)的法向分量為零,即\vec{n}\cdot\vec{B}=0,其中\(zhòng)vec{n}是邊界的法向量。這一條件表示磁場(chǎng)線不會(huì)穿過邊界,符合實(shí)際物理情況,避免了磁場(chǎng)在邊界處的不合理泄漏。電磁場(chǎng)邊界條件的設(shè)定對(duì)模擬結(jié)果有著顯著的影響。準(zhǔn)確的電流和頻率設(shè)定能夠使模擬結(jié)果更接近實(shí)際的電磁攪拌過程,從而為分析電磁力對(duì)鋼水流動(dòng)的影響提供可靠的基礎(chǔ)。合理的外部磁場(chǎng)邊界條件可以保證模擬區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)的分布符合實(shí)際物理規(guī)律,避免邊界效應(yīng)導(dǎo)致的模擬誤差,提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。如果邊界條件設(shè)定不合理,可能會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)在邊界處的異常分布,進(jìn)而影響電磁力的計(jì)算,最終使模擬得到的鋼水流動(dòng)狀態(tài)與實(shí)際情況產(chǎn)生較大偏差,無法準(zhǔn)確反映電磁攪拌的實(shí)際效果。3.4.2流場(chǎng)邊界條件在流場(chǎng)的數(shù)值模擬中,鋼水入口和出口的邊界條件對(duì)模擬結(jié)果起著關(guān)鍵作用。對(duì)于鋼水入口,根據(jù)連鑄工藝的要求,設(shè)定入口流速為v_{in},方向垂直于入口截面。入口流速的大小與連鑄機(jī)的拉速密切相關(guān),一般來說,拉速越快,鋼水入口流速越大。在實(shí)際生產(chǎn)中,超寬板坯連鑄機(jī)的拉速通常在一定范圍內(nèi)波動(dòng),相應(yīng)地,鋼水入口流速也會(huì)隨之變化。對(duì)于某一特定的超寬板坯連鑄工藝,拉速為1.5m/min時(shí),鋼水入口流速可能設(shè)定為0.5m/s。在壓力方面,假設(shè)入口處鋼水壓力為p_{in},該壓力值根據(jù)鋼包到結(jié)晶器的鋼水靜壓頭以及澆鑄過程中的阻力損失等因素確定。合理的入口壓力設(shè)定能夠保證鋼水在進(jìn)入模擬區(qū)域時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)符合實(shí)際情況,避免因壓力設(shè)定不合理導(dǎo)致的鋼水流動(dòng)異常。鋼水出口的邊界條件同樣重要。設(shè)定出口處為充分發(fā)展的流動(dòng)狀態(tài),即出口流速v_{out}的分布滿足充分發(fā)展的流場(chǎng)條件,出口壓力為大氣壓力p_{atm}。在實(shí)際生產(chǎn)中,鋼水從鑄坯出口流出后,與周圍環(huán)境相互作用,壓力迅速降低至大氣壓力。出口流速的大小和分布則受到鑄坯內(nèi)部鋼水流動(dòng)狀態(tài)、鑄坯出口形狀等因素的影響。通過設(shè)定合理的出口邊界條件,可以準(zhǔn)確模擬鋼水在鑄坯內(nèi)的流動(dòng)以及從出口流出的過程,為分析鋼水流動(dòng)對(duì)鑄坯凝固過程的影響提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。鑄坯與周圍環(huán)境的相互作用條件也需要在流場(chǎng)邊界條件中予以考慮。鑄坯表面與支撐輥和冷卻介質(zhì)之間存在摩擦力和熱交換,這些因素會(huì)影響鋼水的流動(dòng)。在模擬中,考慮鑄坯表面與支撐輥之間的摩擦力,通過設(shè)定摩擦系數(shù)\mu來描述這種相互作用。摩擦系數(shù)的大小根據(jù)支撐輥的材料、表面粗糙度以及鑄坯與支撐輥之間的接觸壓力等因素確定。鑄坯表面與冷卻介質(zhì)(如水、空氣等)之間存在熱交換,這會(huì)導(dǎo)致鋼水溫度的變化,進(jìn)而影響鋼水的密度和粘度,對(duì)鋼水的流動(dòng)產(chǎn)生間接影響。在模擬中,通過設(shè)定鑄坯表面與冷卻介質(zhì)之間的換熱系數(shù)h來考慮這種熱交換作用,換熱系數(shù)的大小根據(jù)冷卻介質(zhì)的種類、流速以及鑄坯表面的溫度等因素確定。3.4.3溫度場(chǎng)邊界條件在超寬板坯連鑄過程中,準(zhǔn)確設(shè)定溫度場(chǎng)的邊界條件對(duì)于模擬鑄坯的凝固過程和溫度分布至關(guān)重要。鑄坯的初始溫度是模擬的重要起點(diǎn),通常根據(jù)鋼種和連鑄工藝確定。在實(shí)際生產(chǎn)中,鋼水澆鑄時(shí)的溫度一般在液相線溫度以上一定的過熱度范圍內(nèi)。對(duì)于常見的碳鋼超寬板坯,初始溫度可能設(shè)定為1550℃左右,這一溫度保證了鋼水在進(jìn)入結(jié)晶器和二冷區(qū)時(shí)具有足夠的流動(dòng)性,同時(shí)也為后續(xù)的凝固過程提供了初始的熱量條件。二冷區(qū)冷卻水流速和溫度是影響鑄坯冷卻和凝固的關(guān)鍵因素。冷卻水流速v_{w}根據(jù)鑄坯的尺寸、鋼種以及所需的冷卻強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。在實(shí)際生產(chǎn)中,為了保證鑄坯的均勻冷卻,會(huì)根據(jù)鑄坯不同部位的散熱需求,合理分配冷卻水流速。在鑄坯的寬面和窄面,冷卻水流速可能會(huì)有所不同,以確保鑄坯各部位的溫度均勻下降,減少溫度梯度,避免因溫度不均勻?qū)е碌蔫T坯缺陷。冷卻水溫T_{w}也需要精確控制。較低的冷卻水溫可以提供更強(qiáng)的冷卻能力,加快鑄坯的凝固速度,但如果水溫過低,可能會(huì)導(dǎo)致鑄坯表面溫度下降過快,產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,增加鑄坯出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,冷卻水溫通常控制在一定范圍內(nèi),一般在30-50℃之間,以平衡冷卻效果和鑄坯質(zhì)量。鑄坯與空氣之間存在自然對(duì)流和輻射換熱。在模擬中,考慮自然對(duì)流換熱系數(shù)h_{conv}和輻射換熱系數(shù)h_{rad}。自然對(duì)流換熱系數(shù)根據(jù)鑄坯表面與空氣的溫度差、空氣的物理性質(zhì)以及鑄坯的形狀和尺寸等因素確定。輻射換熱系數(shù)則與鑄坯表面的發(fā)射率、環(huán)境溫度以及斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)等有關(guān)。通過考慮這些換熱系數(shù),可以準(zhǔn)確模擬鑄坯在二冷區(qū)與空氣之間的熱交換過程,從而更真實(shí)地反映鑄坯的溫度變化情況。在鑄坯表面溫度較高時(shí),輻射換熱的作用相對(duì)較大,隨著鑄坯溫度的降低,自然對(duì)流換熱的影響逐漸增強(qiáng)。通過合理設(shè)定這些邊界條件,可以更準(zhǔn)確地模擬鑄坯在二冷區(qū)的凝固過程,為分析鑄坯的質(zhì)量和性能提供可靠的依據(jù)。四、模擬結(jié)果與分析4.1電磁場(chǎng)分布特征4.1.1磁感應(yīng)強(qiáng)度分布通過數(shù)值模擬,得到了超寬板坯二冷區(qū)內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布云圖,清晰展示了磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間上的分布規(guī)律和變化趨勢(shì)。在分節(jié)輥式電磁攪拌器附近,磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)出較強(qiáng)的分布特征。這是因?yàn)殡姶艛嚢杵鞯木€圈通以交變電流,產(chǎn)生了強(qiáng)烈的交變磁場(chǎng),使得該區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯高于其他區(qū)域。在電磁攪拌器的中心位置,磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大值,隨著與攪拌器中心距離的增加,磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減弱。從沿鑄坯厚度方向的分布來看,磁感應(yīng)強(qiáng)度在鑄坯表面附近較高,隨著深入鑄坯內(nèi)部,磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸降低。這是由于趨膚效應(yīng)的影響,交變磁場(chǎng)在導(dǎo)體中傳播時(shí),電流密度會(huì)集中在導(dǎo)體表面附近,導(dǎo)致表面附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度較高。在鑄坯的表面,磁感應(yīng)強(qiáng)度能夠達(dá)到[X]T,而在鑄坯內(nèi)部距離表面[X]mm處,磁感應(yīng)強(qiáng)度下降至[X]T。在鑄坯寬度方向上,磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布相對(duì)較為均勻,但在靠近電磁攪拌器邊緣的區(qū)域,磁感應(yīng)強(qiáng)度略有降低。這是因?yàn)殡姶艛嚢杵鳟a(chǎn)生的磁場(chǎng)在邊緣區(qū)域會(huì)發(fā)生一定程度的擴(kuò)散和衰減,導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度下降。在鑄坯寬度方向的中心位置,磁感應(yīng)強(qiáng)度為[X]T,而在靠近邊緣[X]mm處,磁感應(yīng)強(qiáng)度降低至[X]T。通過改變電磁攪拌器的電流和頻率,進(jìn)一步研究了其對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的影響。當(dāng)電流增大時(shí),電磁攪拌器產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng),從而導(dǎo)致鑄坯內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度整體增大。在電流從[X]A增大到[X]A時(shí),鑄坯中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度從[X]T增加到[X]T,增長(zhǎng)幅度較為明顯。而頻率的變化對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布也有顯著影響。隨著頻率的增加,趨膚效應(yīng)更加明顯,磁感應(yīng)強(qiáng)度在鑄坯表面的集中程度更高,內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度則進(jìn)一步降低。當(dāng)頻率從[X]Hz增加到[X]Hz時(shí),鑄坯表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度略有增加,而內(nèi)部距離表面[X]mm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度則下降了[X]T。4.1.2電磁力分布電磁力的大小和方向分布是研究電磁攪拌效果的關(guān)鍵因素,其對(duì)鋼水流動(dòng)起著直接的驅(qū)動(dòng)作用。在超寬板坯二冷區(qū)內(nèi),電磁力的分布呈現(xiàn)出復(fù)雜的特征。在分節(jié)輥式電磁攪拌器作用區(qū)域,電磁力的大小和方向隨空間位置的變化而變化。在鑄坯的橫截面上,電磁力的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流的方向密切相關(guān)。根據(jù)安培力定律,電磁力的方向垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流所構(gòu)成的平面。在鑄坯的中心區(qū)域,電磁力的方向主要沿著鑄坯的寬度方向,推動(dòng)鋼水在寬度方向上流動(dòng)。在鑄坯的邊緣區(qū)域,電磁力的方向則會(huì)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn),這是由于邊緣區(qū)域的磁場(chǎng)分布和感應(yīng)電流的分布與中心區(qū)域有所不同。電磁力的大小在不同位置也存在明顯差異。在電磁攪拌器附近,由于磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng),感應(yīng)電流也較大,因此電磁力較大。在電磁攪拌器中心位置,電磁力能夠達(dá)到[X]N/m3,而在距離攪拌器中心[X]mm處,電磁力下降至[X]N/m3。隨著與電磁攪拌器距離的增加,電磁力迅速減小。通過對(duì)不同位置電磁力大小的分析,可以發(fā)現(xiàn)電磁力在鑄坯內(nèi)部的分布呈現(xiàn)出一定的梯度。在鑄坯的表面和靠近電磁攪拌器的區(qū)域,電磁力較大,能夠有效地驅(qū)動(dòng)鋼水流動(dòng);而在鑄坯的內(nèi)部深處,電磁力相對(duì)較小,對(duì)鋼水流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)作用較弱。這種電磁力的分布特點(diǎn)使得鋼水在電磁攪拌器的作用下,形成了特定的流動(dòng)模式。在靠近電磁攪拌器的區(qū)域,鋼水受到較大的電磁力作用,流動(dòng)速度較快;而在遠(yuǎn)離電磁攪拌器的區(qū)域,鋼水流動(dòng)速度逐漸減慢。電磁力的大小和方向?qū)︿撍鲃?dòng)的驅(qū)動(dòng)作用十分顯著。在電磁力的作用下,鋼水會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)形態(tài),包括水平方向的流動(dòng)和垂直方向的環(huán)流。這些流動(dòng)能夠促進(jìn)鋼水的混合和傳熱,使鋼水的溫度和成分更加均勻,有利于改善鑄坯的凝固組織和質(zhì)量。在水平方向上,電磁力推動(dòng)鋼水在鑄坯寬度方向上流動(dòng),增強(qiáng)了鋼水在寬度方向上的混合;在垂直方向上,電磁力促使鋼水形成環(huán)流,使鋼水在鑄坯厚度方向上的溫度和成分更加均勻,減少了中心偏析和疏松等缺陷的產(chǎn)生。4.2流場(chǎng)模擬結(jié)果4.2.1鋼水速度場(chǎng)分布通過數(shù)值模擬,得到了超寬板坯二冷區(qū)內(nèi)鋼水的速度矢量圖和流線圖,清晰地展示了鋼水在電磁攪拌作用下的速度場(chǎng)分布特征和流動(dòng)模式。在速度矢量圖中,箭頭的長(zhǎng)度和方向分別表示鋼水速度的大小和方向。可以明顯看出,在分節(jié)輥式電磁攪拌器作用區(qū)域,鋼水的速度明顯增大,這是由于電磁力對(duì)鋼水的驅(qū)動(dòng)作用。在電磁攪拌器的中心位置,鋼水速度達(dá)到最大值,隨著與攪拌器中心距離的增加,鋼水速度逐漸減小。在電磁攪拌器中心位置,鋼水速度能夠達(dá)到[X]m/s,而在距離攪拌器中心[X]mm處,鋼水速度下降至[X]m/s。從流線圖中可以更直觀地觀察到鋼水的流動(dòng)模式。鋼水在電磁攪拌器的作用下,形成了復(fù)雜的三維流動(dòng)。在水平方向上,鋼水呈現(xiàn)出明顯的橫向流動(dòng),從鑄坯的一側(cè)向另一側(cè)流動(dòng),這種橫向流動(dòng)有助于增強(qiáng)鋼水在寬度方向上的混合,使鋼水的溫度和成分更加均勻。在垂直方向上,鋼水形成了環(huán)流,從鑄坯的上部向下部流動(dòng),然后再?gòu)南虏糠祷厣喜浚@種環(huán)流能夠促進(jìn)鋼水在厚度方向上的熱量傳遞和溶質(zhì)擴(kuò)散,減少中心偏析和疏松等缺陷的產(chǎn)生。通過改變電磁攪拌器的參數(shù),如電流和頻率,進(jìn)一步研究了其對(duì)鋼水速度場(chǎng)分布的影響。當(dāng)電流增大時(shí),電磁力增強(qiáng),鋼水的速度明顯增大。在電流從[X]A增大到[X]A時(shí),鋼水的最大速度從[X]m/s增加到[X]m/s,增長(zhǎng)幅度較為顯著。這表明增大電流可以有效提高電磁攪拌的強(qiáng)度,增強(qiáng)鋼水的流動(dòng)。頻率的變化對(duì)鋼水速度場(chǎng)分布也有顯著影響。隨著頻率的增加,鋼水的流動(dòng)模式發(fā)生了變化,環(huán)流的強(qiáng)度有所減弱,而橫向流動(dòng)的速度略有增加。這是因?yàn)轭l率的變化會(huì)影響磁場(chǎng)的穿透深度和分布特性,從而改變電磁力的作用方式和大小。當(dāng)頻率從[X]Hz增加到[X]Hz時(shí),鋼水環(huán)流的速度降低了[X]%,而橫向流動(dòng)的速度增加了[X]%。4.2.2流場(chǎng)對(duì)鑄坯凝固的影響鋼水的流動(dòng)對(duì)鑄坯凝固過程中的熱量傳遞、溶質(zhì)分布和凝固界面形態(tài)有著至關(guān)重要的影響,進(jìn)而顯著影響鑄坯的質(zhì)量和性能。在熱量傳遞方面,鋼水的流動(dòng)能夠極大地增強(qiáng)熱量的傳輸效率。在沒有電磁攪拌的情況下,鑄坯內(nèi)部的熱量主要通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行傳遞,這種方式相對(duì)較慢,容易導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部溫度分布不均勻,產(chǎn)生較大的溫度梯度。而在電磁攪拌作用下,鋼水的流動(dòng)使高溫區(qū)域與低溫區(qū)域的鋼水充分混合,熱量不僅通過熱傳導(dǎo)傳遞,還通過鋼水的對(duì)流進(jìn)行傳遞,大大提高了熱量傳遞的速度和均勻性。在鑄坯的中心區(qū)域,由于鋼水的流動(dòng),高溫鋼水能夠迅速將熱量傳遞到周圍區(qū)域,使得中心區(qū)域的溫度降低,減少了中心過熱現(xiàn)象的發(fā)生。在鑄坯的表面區(qū)域,鋼水的流動(dòng)促進(jìn)了鑄坯表面與冷卻介質(zhì)之間的熱量交換,使鑄坯表面能夠更快地散熱,提高了冷卻速度。通過數(shù)值模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn),在電磁攪拌作用下,鑄坯中心與表面的溫度差明顯減小,從沒有攪拌時(shí)的[X]℃降低到了[X]℃,這表明鋼水流動(dòng)有效地改善了鑄坯的溫度分布均勻性,降低了熱應(yīng)力,減少了鑄坯產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。在溶質(zhì)分布方面,鋼水的流動(dòng)對(duì)溶質(zhì)元素的擴(kuò)散和均勻分布起著關(guān)鍵作用。在鑄坯凝固過程中,溶質(zhì)元素會(huì)在固液界面處發(fā)生富集和偏析現(xiàn)象,這是由于溶質(zhì)元素在固相和液相中的溶解度不同,在凝固過程中會(huì)從固相排出到液相中,導(dǎo)致液相中的溶質(zhì)濃度逐漸升高。如果沒有鋼水的流動(dòng),溶質(zhì)元素會(huì)在局部區(qū)域不斷富集,形成中心偏析和成分不均勻等問題。而電磁攪拌產(chǎn)生的鋼水流動(dòng)能夠打破溶質(zhì)元素的富集區(qū)域,促進(jìn)溶質(zhì)元素在鋼水中的擴(kuò)散,使其更加均勻地分布。在鑄坯的中心部位,鋼水的流動(dòng)使得溶質(zhì)元素能夠從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散,減少了中心偏析的程度。通過對(duì)溶質(zhì)元素濃度分布的模擬分析發(fā)現(xiàn),在電磁攪拌作用下,鑄坯中心的溶質(zhì)元素濃度偏差明顯減小,從沒有攪拌時(shí)的[X]%降低到了[X]%,這表明鋼水流動(dòng)有效地改善了溶質(zhì)分布的均勻性,提高了鑄坯的化學(xué)成分均勻性。鋼水的流動(dòng)對(duì)鑄坯凝固界面形態(tài)也有著顯著影響。在沒有電磁攪拌的情況下,鑄坯凝固時(shí)容易形成柱狀晶組織,柱狀晶的生長(zhǎng)方向通常垂直于鑄坯表面,這種組織形態(tài)在力學(xué)性能上存在各向異性,且容易導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)缺陷。而電磁攪拌產(chǎn)生的鋼水流動(dòng)能夠打碎正在生長(zhǎng)的樹枝晶,使其成為游離的晶核,這些晶核在鋼水中均勻分布,促進(jìn)了等軸晶的形成。等軸晶組織具有各向同性的力學(xué)性能,能夠提高鑄坯的強(qiáng)度、韌性和塑性,改善鑄坯的質(zhì)量。在電磁攪拌作用下,鑄坯凝固界面的形態(tài)變得更加復(fù)雜,柱狀晶的生長(zhǎng)受到抑制,等軸晶區(qū)明顯擴(kuò)大。通過對(duì)凝固界面形態(tài)的模擬觀察發(fā)現(xiàn),在沒有電磁攪拌時(shí),柱狀晶區(qū)占鑄坯斷面的比例為[X]%,而在電磁攪拌作用下,等軸晶區(qū)的比例增加到了[X]%,柱狀晶區(qū)的比例降低到了[X]%,這表明鋼水流動(dòng)有效地改變了鑄坯的凝固界面形態(tài),促進(jìn)了等軸晶的形成,提高了鑄坯的質(zhì)量。4.3溫度場(chǎng)模擬結(jié)果4.3.1鑄坯溫度分布隨時(shí)間變化通過數(shù)值模擬,得到了超寬板坯在二冷區(qū)內(nèi)不同時(shí)刻的溫度云圖,清晰地展示了鑄坯溫度分布隨時(shí)間的變化情況。在鑄坯剛進(jìn)入二冷區(qū)時(shí),溫度分布較為均勻,整體溫度較高,接近鋼水的澆鑄溫度。隨著時(shí)間的推移,鑄坯在二冷區(qū)受到冷卻介質(zhì)的作用,表面溫度迅速下降,而內(nèi)部溫度下降相對(duì)較慢,形成了明顯的溫度梯度。在二冷區(qū)開始后的[X]s,鑄坯表面溫度已經(jīng)下降到[X]℃左右,而內(nèi)部中心溫度仍保持在[X]℃以上。從鑄坯厚度方向的溫度分布來看,在二冷區(qū)前期,鑄坯表面與內(nèi)部的溫度差較大,隨著冷卻時(shí)間的增加,溫度差逐漸減小。在二冷區(qū)開始后的[X]s,鑄坯表面與內(nèi)部中心的溫度差達(dá)到[X]℃,而在二冷區(qū)開始后的[X]s,溫度差減小到[X]℃。這是因?yàn)殡S著冷卻的進(jìn)行,鑄坯內(nèi)部的熱量逐漸傳遞到表面,使得溫度分布更加均勻。在鑄坯寬度方向上,溫度分布相對(duì)較為均勻,但在靠近邊緣的區(qū)域,由于散熱面積較大,溫度下降相對(duì)較快。在二冷區(qū)開始后的[X]s,鑄坯寬度方向中心與邊緣的溫度差為[X]℃,隨著時(shí)間的增加,溫度差略有增大,在二冷區(qū)開始后的[X]s,溫度差增大到[X]℃。為了更直觀地展示鑄坯溫度隨時(shí)間的變化,繪制了鑄坯表面和內(nèi)部中心位置的溫度-時(shí)間曲線。從曲線中可以看出,鑄坯表面溫度在二冷區(qū)開始后迅速下降,在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)較低的值,然后下降速度逐漸減緩。而鑄坯內(nèi)部中心溫度下降相對(duì)較慢,在二冷區(qū)前期下降較為平緩,隨著冷卻時(shí)間的增加,下降速度逐漸加快。在二冷區(qū)開始后的[X]s內(nèi),鑄坯表面溫度從[X]℃下降到[X]℃,下降了[X]℃;而鑄坯內(nèi)部中心溫度在相同時(shí)間內(nèi)從[X]℃下降到[X]℃,下降了[X]℃。4.3.2溫度場(chǎng)對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響鑄坯在二冷區(qū)內(nèi)的溫度分布對(duì)其質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響,不均勻的溫度分布會(huì)導(dǎo)致一系列質(zhì)量問題的產(chǎn)生。熱應(yīng)力是溫度分布不均勻引發(fā)的關(guān)鍵問題之一。當(dāng)鑄坯表面和內(nèi)部的溫度差異較大時(shí),會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。在鑄坯冷卻過程中,表面溫度迅速下降,收縮較快;而內(nèi)部溫度下降較慢,收縮相對(duì)滯后。這種收縮的不一致性使得鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力,當(dāng)熱應(yīng)力超過鑄坯材料的屈服強(qiáng)度時(shí),就可能導(dǎo)致鑄坯出現(xiàn)裂紋。在鑄坯的角部和邊緣區(qū)域,由于散熱速度更快,溫度梯度更大,熱應(yīng)力也更為集中,因此更容易出現(xiàn)裂紋。通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn),在溫度差較大的區(qū)域,熱應(yīng)力能夠達(dá)到[X]MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了鑄坯材料的屈服強(qiáng)度,這表明在這些區(qū)域存在較大的裂紋風(fēng)險(xiǎn)。溫度場(chǎng)還會(huì)對(duì)鑄坯的組織產(chǎn)生影響。在凝固過程中,溫度分布決定了凝固的順序和速度,進(jìn)而影響鑄坯的微觀組織。如果溫度分布不均勻,會(huì)導(dǎo)致鑄坯不同部位的凝固速度不同,從而形成不均勻的組織。在溫度較高的區(qū)域,凝固速度較慢,容易形成粗大的晶粒;而在溫度較低的區(qū)域,凝固速度較快,晶粒相對(duì)細(xì)小。這種組織的不均勻性會(huì)導(dǎo)致鑄坯的力學(xué)性能出現(xiàn)差異,影響其使用性能。在鑄坯的中心區(qū)域,由于冷卻速度較慢,晶粒尺寸較大,其強(qiáng)度和韌性相對(duì)較低;而在表面區(qū)域,由于冷卻速度快,晶粒細(xì)小,強(qiáng)度和韌性相對(duì)較高。這種力學(xué)性能的差異可能會(huì)導(dǎo)致鑄坯在后續(xù)加工和使用過程中出現(xiàn)問題,如在軋制過程中容易出現(xiàn)變形不均勻、開裂等問題。縮孔和疏松也是溫度場(chǎng)影響鑄坯質(zhì)量的重要方面。在鑄坯凝固過程中,如果溫度分布不合理,鋼液在凝固時(shí)無法得到充分的補(bǔ)充,就會(huì)在鑄坯內(nèi)部形成縮孔和疏松。在鑄坯的中心部位,由于冷卻速度較慢,最后凝固的鋼液在收縮時(shí)得不到足夠的液態(tài)鋼的補(bǔ)充,容易形成縮孔和疏松。縮孔和疏松會(huì)降低鑄坯的致密度,影響其力學(xué)性能和加工性能。縮孔和疏松還可能成為裂紋的起源點(diǎn),進(jìn)一步降低鑄坯的質(zhì)量。通過對(duì)鑄坯內(nèi)部缺陷的檢測(cè)發(fā)現(xiàn),在溫度分布不均勻的區(qū)域,縮孔和疏松的發(fā)生率明顯增加,嚴(yán)重影響了鑄坯的質(zhì)量。五、參數(shù)對(duì)攪拌效果的影響5.1電流參數(shù)影響5.1.1電流強(qiáng)度變化對(duì)攪拌效果的影響在超寬板坯二冷區(qū)分節(jié)輥式電磁攪拌過程中,電流強(qiáng)度是影響攪拌效果的關(guān)鍵參數(shù)之一。通過數(shù)值模擬,系統(tǒng)地研究了不同電流強(qiáng)度下電磁場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化情況,以及這些變化對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響。當(dāng)電流強(qiáng)度增大時(shí),電磁場(chǎng)的強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。根據(jù)安培定律,電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比,因此增大電流強(qiáng)度會(huì)使分節(jié)輥式電磁攪拌器產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度大幅提高。在模擬中,將電流強(qiáng)度從[初始值]A逐步增大到[最大值]A,觀察到鑄坯內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨之顯著增加。在電磁攪拌器附近,磁感應(yīng)強(qiáng)度的增幅尤為明顯,在電流強(qiáng)度為[初始值]A時(shí),鑄坯內(nèi)某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為[初始磁感應(yīng)強(qiáng)度值]T,而當(dāng)電流強(qiáng)度增大到[最大值]A時(shí),該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到[最終磁感應(yīng)強(qiáng)度值]T,增長(zhǎng)幅度達(dá)到了[X]%。磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)直接導(dǎo)致電磁力增大。電磁力是驅(qū)動(dòng)鋼水流動(dòng)的直接動(dòng)力,其大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流的乘積成正比。隨著電流強(qiáng)度的增加,感應(yīng)電流也相應(yīng)增大,從而使得電磁力顯著增強(qiáng)。在電磁攪拌器作用區(qū)域,電磁力的增大使得鋼水的流動(dòng)速度明顯加快。在電流強(qiáng)度為[初始值]A時(shí),鋼水的最大流速為[初始流速值]m/s,當(dāng)電流強(qiáng)度增大到[最大值]A時(shí),鋼水的最大流速增加到[最終流速值]m/s,增長(zhǎng)了[X]倍。鋼水流動(dòng)速度的加快對(duì)鑄坯的凝固過程產(chǎn)生了多方面的影響。在傳熱方面,鋼水的快速流動(dòng)增強(qiáng)了熱量的傳遞效率。高溫鋼水與低溫鋼水的混合更加充分,鑄坯內(nèi)部的溫度分布更加均勻,溫度梯度減小。通過模擬溫度場(chǎng)的變化,發(fā)現(xiàn)鑄坯中心與表面的溫度差在電流強(qiáng)度增大后明顯減小。在電流強(qiáng)度為[初始值]A時(shí),鑄坯中心與表面的溫度差為[初始溫度差值]℃,當(dāng)電流強(qiáng)度增大到[最大值]A時(shí),溫度差減小到[最終溫度差值]℃,降低了[X]%。這有助于減少因溫度不均勻?qū)е碌臒釕?yīng)力,降低鑄坯產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。在傳質(zhì)方面,鋼水流動(dòng)速度的加快促進(jìn)了溶質(zhì)元素的擴(kuò)散。在鑄坯凝固過程中,溶質(zhì)元素的均勻分布對(duì)于提高鑄坯質(zhì)量至關(guān)重要。隨著鋼水流動(dòng)速度的增加,溶質(zhì)元素能夠更迅速地從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散,減少了溶質(zhì)元素在局部區(qū)域的富集,降低了中心偏析的程度。通過對(duì)溶質(zhì)元素濃度分布的模擬分析,發(fā)現(xiàn)電流強(qiáng)度增大后,鑄坯中心的溶質(zhì)元素濃度偏差明顯減小。在電流強(qiáng)度為[初始值]A時(shí),鑄坯中心的溶質(zhì)元素濃度偏差為[初始偏差值]%,當(dāng)電流強(qiáng)度增大到[最大值]A時(shí),濃度偏差減小到[最終偏差值]%,改善效果顯著。鋼水流動(dòng)對(duì)鑄坯的凝固組織形態(tài)也有重要影響。快速流動(dòng)的鋼水能夠打碎正在生長(zhǎng)的樹枝晶,使其成為游離的晶核,這些晶核在鋼水中均勻分布,促進(jìn)了等軸晶的形成。在模擬中觀察到,隨著電流強(qiáng)度的增大,鑄坯的等軸晶區(qū)明顯擴(kuò)大,柱狀晶區(qū)相應(yīng)減小。在電流強(qiáng)度為[初始值]A時(shí),等軸晶區(qū)占鑄坯斷面的比例為[初始等軸晶率]%,當(dāng)電流強(qiáng)度增大到[最大值]A時(shí),等軸晶率提高到[最終等軸晶率]%,提高了[X]個(gè)百分點(diǎn)。等軸晶組織具有各向同性的力學(xué)性能,能夠提高鑄坯的強(qiáng)度、韌性和塑性,改善鑄坯的質(zhì)量。然而,電流強(qiáng)度并非越大越好。當(dāng)電流強(qiáng)度過大時(shí),雖然攪拌效果增強(qiáng),但也可能帶來一些負(fù)面影響。過大的電磁力可能導(dǎo)致鋼水流動(dòng)過于劇烈,在鑄坯內(nèi)部形成較大的紊流,增加了鋼水與鑄坯凝固殼之間的摩擦力,從而可能引發(fā)鑄坯表面的缺陷,如振痕加深、表面裂紋等。過大的電流強(qiáng)度還會(huì)增加電磁攪拌器的能耗和設(shè)備成本,對(duì)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不利影響。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,需要綜合考慮鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性等因素,合理選擇電流強(qiáng)度,以達(dá)到最佳的攪拌效果。5.1.2電流頻率變化對(duì)攪拌效果的影響電流頻率作為電磁攪拌的關(guān)鍵參數(shù),對(duì)攪拌效果有著復(fù)雜而重要的影響。通過數(shù)值模擬,深入探究了不同電流頻率下電磁場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化規(guī)律,以及這些變化對(duì)鑄坯凝固質(zhì)量的影響,從而確定合適的電流頻率范圍。當(dāng)電流頻率發(fā)生變化時(shí),電磁場(chǎng)的分布特性會(huì)發(fā)生顯著改變。隨著頻率的增加,趨膚效應(yīng)更加明顯。趨膚效應(yīng)是指交變電流在導(dǎo)體中傳導(dǎo)時(shí),電流密度會(huì)集中在導(dǎo)體表面附近的現(xiàn)象。在超寬板坯二冷區(qū)電磁攪拌中,趨膚效應(yīng)使得磁場(chǎng)主要集中在鑄坯表面附近,內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度迅速衰減。在模擬中,將電流頻率從[初始頻率值]Hz逐漸增加到[最大值]Hz,觀察到鑄坯表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度略有增加,而內(nèi)部距離表面[X]mm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度則明顯下降。當(dāng)頻率為[初始頻率值]Hz時(shí),鑄坯內(nèi)部該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為[初始磁感應(yīng)強(qiáng)度值]T,當(dāng)頻率增加到[最大值]Hz時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度下降至[最終磁感應(yīng)強(qiáng)度值]T,下降幅度達(dá)到了[X]%。磁場(chǎng)分布的變化直接影響電磁力的作用范圍和大小。由于趨膚效應(yīng),高頻下電磁力主要作用于鑄坯表面附近的鋼水,對(duì)內(nèi)部鋼水的攪拌作用減弱。在鑄坯表面附近,電磁力的增大使得鋼水的流動(dòng)速度加快,但在鑄坯內(nèi)部,由于電磁力的減小,鋼水的流動(dòng)速度明顯降低。在頻率為[初始頻率值]Hz時(shí),鑄坯內(nèi)部某點(diǎn)的鋼水流動(dòng)速度為[初始流速值]m/s,當(dāng)頻率增加到[最大值]Hz時(shí),該點(diǎn)的流速下降至[最終流速值]m/s,降低了[X]%。鋼水流動(dòng)速度的變化對(duì)鑄坯的凝固過程產(chǎn)生了多方面的影響。在傳熱方面,高頻下鋼水表面的快速流動(dòng)增強(qiáng)了表面與冷卻介質(zhì)之間的熱量交換,使得鑄坯表面的冷卻速度加快。鑄坯內(nèi)部鋼水流動(dòng)速度的降低導(dǎo)致內(nèi)部熱量傳遞效率下降,溫度梯度增大。通過模擬溫度場(chǎng)的變化,發(fā)現(xiàn)鑄坯表面與內(nèi)部的溫度差在頻率增加后明顯增大。在頻率為[初始頻率值]Hz時(shí),鑄坯表面與內(nèi)部的溫度差為[初始溫度差值]℃,當(dāng)頻率增加到[最大值]Hz時(shí),溫度差增大到[最終溫度差值]℃,增加了[X]%。這可能導(dǎo)致鑄坯表面和內(nèi)部的組織差異增大,影響鑄坯的質(zhì)量均勻性。在傳質(zhì)方面,鋼水流動(dòng)速度的變化影響溶質(zhì)元素的擴(kuò)散。高頻下鑄坯表面鋼水的快速流動(dòng)有利于溶質(zhì)元素在表面的均勻分布,但內(nèi)部鋼水流動(dòng)速度的降低使得溶質(zhì)元素在內(nèi)部的擴(kuò)散受到阻礙,容易導(dǎo)致中心偏析的加劇。通過對(duì)溶質(zhì)元素濃度分布的模擬分析,發(fā)現(xiàn)頻率增加后,鑄坯中心的溶質(zhì)元素濃度偏差明顯增大。在頻率為[初始頻率值]Hz時(shí),鑄坯中心的溶質(zhì)元素濃度偏差為[初始偏差值]%,當(dāng)頻率增加到[最大值]Hz時(shí),濃度偏差增大到[最終偏差值]%,惡化了鑄坯的質(zhì)量。電流頻率的變化對(duì)鑄坯的凝固組織形態(tài)也有顯著影響。高頻下鑄坯表面鋼水的快速流動(dòng)有助于表面等軸晶的形成,但內(nèi)部鋼水流動(dòng)速度的降低使得柱狀晶更容易生長(zhǎng),等軸晶區(qū)的發(fā)展受到抑制。在模擬中觀察到,隨著頻率的增加,鑄坯表面的等軸晶區(qū)有所擴(kuò)大,但內(nèi)部的等軸晶區(qū)明顯減小,柱狀晶區(qū)相應(yīng)增大。在頻率為[初始頻率值]Hz時(shí),等軸晶區(qū)占鑄坯斷面的比例為[初始等軸晶率]%,當(dāng)頻率增加到[最大值]Hz時(shí),等軸晶率下降到[最終等軸晶率]%,降低了[X]個(gè)百分點(diǎn)。綜合考慮鑄坯的凝固質(zhì)量和攪拌效果,存在一個(gè)合適的電流頻率范圍。在這個(gè)范圍內(nèi),能夠在保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的前提下,充分發(fā)揮電磁攪拌的作用。通過模擬不同頻率下的攪拌效果,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求,確定合適的電流頻率范圍為[下限值]Hz至[上限值]Hz。在這個(gè)頻率范圍內(nèi),鑄坯的溫度分布相對(duì)均勻,溶質(zhì)偏析程度較低,凝固組織形態(tài)良好,能夠滿足超寬板坯高質(zhì)量生產(chǎn)的要求。5.2攪拌輥結(jié)構(gòu)參數(shù)影響5.2.1分節(jié)輥尺寸對(duì)攪拌效果的影響分節(jié)輥的尺寸參數(shù),包括長(zhǎng)度、直徑等,對(duì)電磁攪拌效果有著顯著的影響。通過數(shù)值模擬,深入研究了不同分節(jié)輥尺寸下電磁場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化情況,以及這些變化對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響。分節(jié)輥長(zhǎng)度的變化會(huì)直接影響電磁攪拌的作用范圍。當(dāng)分節(jié)輥長(zhǎng)度增加時(shí),其產(chǎn)生的磁場(chǎng)能夠覆蓋更大的鑄坯區(qū)域,從而擴(kuò)大了電磁攪拌的作用范圍。在模擬中,將分節(jié)輥長(zhǎng)度從[初始長(zhǎng)度值]m逐漸增加到[最大值]m,觀察到鑄坯內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布范圍相應(yīng)擴(kuò)大。在分節(jié)輥長(zhǎng)度為[初始長(zhǎng)度值]m時(shí),電磁攪拌的有效作用范圍主要集中在鑄坯中心區(qū)域,而當(dāng)分節(jié)輥長(zhǎng)度增加到[最大值]m時(shí),電磁攪拌的作用范圍擴(kuò)展到了鑄坯的更寬區(qū)域,使得更多的鋼水受到電磁力的作用,促進(jìn)了鋼水的混合和傳熱。分節(jié)輥長(zhǎng)度的增加也會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定程度上的衰減。由于磁場(chǎng)在傳播過程中會(huì)受到介質(zhì)的影響,分節(jié)輥長(zhǎng)度的增加會(huì)使得磁場(chǎng)傳播的路徑變長(zhǎng),從而導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度的衰減。在模擬中發(fā)現(xiàn),當(dāng)分節(jié)輥長(zhǎng)度增加時(shí),鑄坯內(nèi)遠(yuǎn)離分節(jié)輥的區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)有所降低。在分節(jié)輥長(zhǎng)度為[初始長(zhǎng)度值]m時(shí),鑄坯邊緣某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為[初始磁感應(yīng)強(qiáng)度值]T,當(dāng)分節(jié)輥長(zhǎng)度增加到[最大值]m時(shí),該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度下降至[最終磁感應(yīng)強(qiáng)度值]T,下降幅度達(dá)到了[X]%。這可能會(huì)影響到鑄坯邊緣區(qū)域的攪拌效果,導(dǎo)致該區(qū)域的鋼水流動(dòng)速度降低,影響鑄坯的質(zhì)量均勻性。分節(jié)輥直徑的變化對(duì)電磁攪拌效果也有重要影響。增大分節(jié)輥直徑可以增加其內(nèi)部線圈的匝數(shù)和繞線空間,從而提高電磁攪拌器的電磁功率,增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。在模擬中,將分節(jié)輥直徑從[初始直徑值]mm逐步增大到[最大值]mm,觀察到鑄坯內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著增加。在分節(jié)輥直徑為[初始直徑值]mm時(shí),鑄坯內(nèi)某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為[初始磁感應(yīng)強(qiáng)度值]T,當(dāng)分節(jié)輥直徑增大到[最大值]mm時(shí),該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到[最終磁感應(yīng)強(qiáng)度值]T,增長(zhǎng)幅度達(dá)到了[X]%。磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)會(huì)使電磁力增大,從而提高鋼水的流動(dòng)速度。在分節(jié)輥直徑增大后,鋼水的最大流速明顯增加。在分節(jié)輥直徑為[初始直徑值]mm時(shí),鋼水的最大流速為[初始流速值]m/s,當(dāng)分節(jié)輥直徑增大到[最大值]mm時(shí),鋼水的最大流速增加到[最終流速值]m/s,增長(zhǎng)了[X]倍。鋼水流動(dòng)速度的加快有利于增強(qiáng)鋼水的混合和傳熱,使鋼水的溫度和成分更加均勻,改善鑄坯的凝固組織和質(zhì)量。然而,分節(jié)輥直徑的增大也會(huì)帶來一些問題。分節(jié)輥直徑的增大可能會(huì)增加設(shè)備的成本和重量,對(duì)設(shè)備的安裝和維護(hù)提出更高的要求。過大的分節(jié)輥直徑還可能會(huì)影響鑄坯的正常運(yùn)行,如增加鑄坯與分節(jié)輥之間的摩擦力,導(dǎo)致鑄坯表面出現(xiàn)劃痕等缺陷。因此,在選擇分節(jié)輥直徑時(shí),需要綜合考慮攪拌效果、設(shè)備成本和鑄坯質(zhì)量等因素,找到一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)。5.2.2線圈布置方式對(duì)攪拌效果的影響線圈布置方式是影響分節(jié)輥式電磁攪拌效果的關(guān)鍵因素之一,不同的線圈布置方式會(huì)導(dǎo)致電磁場(chǎng)的分布和攪拌效果產(chǎn)生顯著差異。通過數(shù)值模擬,研究了多種常見的線圈布置方式,包括單層同心式、雙層同心式、交錯(cuò)式等,分析了它們?cè)陔姶艌?chǎng)分布、電磁力作用以及對(duì)鑄坯質(zhì)量影響方面的特點(diǎn)。在單層同心式
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