天鋼圓坯電磁攪拌數(shù)值模擬與參數(shù)優(yōu)化

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1、http://www.gtjia.com天鋼圓坯電磁攪拌數(shù)值模擬與參數(shù)優(yōu)化王德清(天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠，天津300301)摘要：為了解天鋼圓坯結(jié)晶器電磁攪拌過程中鋼液流動(dòng)的狀況，利用有限元、有限體積法進(jìn)行數(shù)值求解[1]，并且對電磁場的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)際測量。通過對電磁攪拌參數(shù)的優(yōu)化促進(jìn)鑄坯等軸晶生長[2]，使坯殼生長均勻，提高鋼液的夾雜物上浮，減少了漏鋼事故，提高了鑄坯質(zhì)量。關(guān)鍵詞：圓坯；電磁攪拌；數(shù)值模擬連鑄電磁攪拌技術(shù)(Electromagneticstirring，簡稱EMS)是指在連鑄過程中，通過在連鑄機(jī)的不同位置處安裝不同類型的電磁攪拌裝置，利用所產(chǎn)生的電磁

2、力強(qiáng)化鑄坯內(nèi)金屬液的流動(dòng)，從而改善凝固過程的流動(dòng)、傳熱及傳質(zhì)條件，以改善鑄坯質(zhì)量的一項(xiàng)電磁冶金技術(shù)[3]。本文利用有限元、有限體積法進(jìn)行數(shù)值求解[4]，并且對電磁場的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)際測量，通過優(yōu)化電磁攪拌參數(shù)，達(dá)到了提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的目的。1天鋼圓坯結(jié)晶器電磁攪拌實(shí)體模型的建立天鋼圓坯結(jié)晶器電磁攪拌實(shí)體模型見圖1。選用三維實(shí)體單元solidll7單元[5]，對攪拌器，鑄坯采用映射網(wǎng)格劃分，這樣能在邊界上更好地保持恒定的網(wǎng)格特性，凝固殼及金屬熔體是電的良導(dǎo)體，其網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對計(jì)算結(jié)果的精度有著極大的影響，所以對其進(jìn)行較細(xì)網(wǎng)格的劃分[6]。此外，考慮到集膚效應(yīng)的影響，需要對

3、鑄坯表面進(jìn)行更細(xì)的網(wǎng)格劃分[7]。對空氣進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的均勻過渡[8]。計(jì)算區(qū)域的有限元模型的網(wǎng)格如圖2所示。圖中標(biāo)明了攪拌器的安裝位置，以及計(jì)算過程中所用到的坐標(biāo)體系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于結(jié)晶器頂表面圓心。2計(jì)算結(jié)果及分析http://www.gtjia.com圖3為鑄坯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖。從中可以看出，電磁攪拌磁場在鑄坯軸向方向上的分布并不均勻，磁感應(yīng)強(qiáng)度先逐漸增大，在結(jié)晶器下口z=0．8m處達(dá)最大，出結(jié)晶器后逐漸減小，并且出結(jié)晶器的磁感應(yīng)強(qiáng)度要高于結(jié)晶器內(nèi)某些部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度，這主要是由于少了結(jié)晶器銅板的屏蔽作用。這一規(guī)律在圖4中表現(xiàn)的更為明顯。電磁攪拌參數(shù)

4、就是指電流強(qiáng)度和電流頻率。圖5給出了頻率4．0Hz，鋼液中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小隨著電流強(qiáng)度的增大而呈線性增大，當(dāng)電流強(qiáng)度從260A增大到320A時(shí)，電磁攪拌中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度從43．0mT增大到56．9mT。圖6給出了電流300A時(shí)，鑄坯中心軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度分布隨著頻率變化的曲線，從中可以看出，隨著頻率由5．0變化到8．0Hz，磁感應(yīng)強(qiáng)度略有減小，但變化不大。http://www.gtjia.com3模擬結(jié)果與測試結(jié)果的比較圖7為攪拌器中心軸線上，磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比。經(jīng)過對比，可以很清楚地看出，數(shù)值模擬的結(jié)果和現(xiàn)場測試結(jié)果吻合的很好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。4

5、電磁攪拌參數(shù)的優(yōu)化與實(shí)踐針對Φ150mm的37Mn5和82B進(jìn)行現(xiàn)場優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)合目前工藝參數(shù)，得出了典型鋼種的最佳勵(lì)磁電流和頻率的工藝參數(shù)，具體見表1。圖8、圖9給出了鑄坯內(nèi)部質(zhì)量評級和等軸晶率。針對Φ150mm的82B和37Mn5兩個(gè)鋼種，確定了圓坯連鑄結(jié)晶器電磁攪拌的最佳勵(lì)磁電流強(qiáng)度和頻率，即：37Mn5為300A、6Hz，82B為260A、8Hz。采用優(yōu)化參數(shù)后的電磁攪拌參數(shù)：37Mn5圓坯的中心疏松≤1級，等軸晶率達(dá)到48．7％，無裂紋、縮孔和皮下氣泡等缺陷；82B圓坯的中心疏松≤1級，等軸晶率幾乎接近100％，平均C偏析指數(shù)達(dá)到1．02，無裂紋、縮孔和皮下氣泡

6、等缺陷。http://www.gtjia.com5結(jié)論根據(jù)電磁場理論和有限元方法，建立了電磁場的數(shù)學(xué)模型，利用有限元軟件ANSYS對結(jié)晶器電磁攪拌鑄坯內(nèi)的電磁場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：1)連鑄結(jié)晶器電磁攪拌中的磁場是旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的周期與勵(lì)磁電流的周期相同。磁感應(yīng)強(qiáng)度在結(jié)晶器下口中心達(dá)最大，向兩邊逐漸減小。2)攪拌器區(qū)域范圍內(nèi)金屬熔體都受到了沿周向方向上的力，作用方向與磁場的旋轉(zhuǎn)方向一致。同一水平截面內(nèi)，鑄坯邊緣上的電磁力最大，向中心不斷減弱。切向電磁力的軸向大小分布特征與磁感應(yīng)強(qiáng)度沿結(jié)晶器中心軸線的分布規(guī)律大致相同。3)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，對結(jié)晶器電磁攪拌的磁感應(yīng)強(qiáng)

7、度進(jìn)行實(shí)測，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。4)針對82B和37Mn5兩個(gè)鋼種，確定了圓坯連鑄結(jié)晶器電磁攪拌的最佳勵(lì)磁電流強(qiáng)度和頻率，中心疏松≤1級，等軸晶率達(dá)到48．7％，無裂紋、縮孔和皮下氣泡等缺陷。參考文獻(xiàn)：[1]干勇．連續(xù)鑄鋼前沿技術(shù)的工程[J]．中國工程科學(xué)，2002，4(9)：12—13．[2]《中國冶金報(bào)》編．連續(xù)鑄鋼500問[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1994：2—5．[3]蔡開科，程士富．連續(xù)鑄鋼原理與工藝[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2002：1—3．[4]朱苗勇，劉家奇，肖澤強(qiáng)．板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)過程的模擬仿