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板坯连铸二冷电磁搅拌数值模拟及工艺优化研究

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摘要

第1章绪论

1.1连铸电磁冶金技术的发展概况

1.1.1国外连铸电磁技术的发展

1.1.2国内连铸电磁技术的发展

1.2连铸电磁搅拌技术

1.2.1电磁搅拌的实质

1.2.2电磁搅拌作用原理

1.2.3连铸电磁搅拌器的类型

1.2.4连铸二冷区电磁搅拌的冶金效果

1.2.5连铸二冷区电磁搅拌的基本要求

1.3连铸电磁搅拌过程数值模拟

1.3.1数值模拟的作用与意义

1.3.2板坯电磁搅拌数值模拟概况

1.3.3“白亮带”研究概况

1.4本文研究的目的意义及主要内容

1.5本章小结

第2章铸坯凝固组织“白亮带’’成因分析

2.1检验与分析

2.1.1冷酸浸低倍组织

2.1.2枝晶低倍组织检验分析

2.2“白亮带”凝固组织及分层结构的形成机理

2.2.2“白亮带”枝晶分层结构分析

2.3本章小结

第3章数学模型的建立

3.1凝固传热数学模型的建立

3.1.1凝固传热模型基本假设

3.1.2控制方程

3.1.3初始条件和边界条件

3.1.4物性参数

3.2电磁场模型的建立

3.2.1数学模型的假设

3.2.2电磁场基本理论

3.2.3电磁场方程的求解

3.2.4物性参数与几何参数

3.2.5载荷和边界条件

3.3流场模型的建立

3.3.1模型建立的假设

3.3.2流场控制方程

3.4本章小结

第4章板坯二冷区电磁搅拌数值模拟

4.1凝固传热数学模型

4.1.1模型验证

4.1.2拉速对铸坯温度场和坯壳厚度分布的影响

4.1.3过热度对铸坯温度场和坯壳厚度分布的影响

4.2二冷区电磁场模型

4.2.1模型的验证

4.2.2磁感应强度测量

4.2.3二冷电磁场分布规律

4.2.4电流强度对电磁场的影响

4.2.5电流频率对电磁场的影响

4.3二冷区流场模型

4.3.1铸坯两相区的搅拌情况

4.3.2不同电流参数对流场的影响

4.3.3不同拉速对流场的影响

4.3.4不同过热度对流场的影响

4.5本章小结

第5章板坯二冷区电磁搅拌工业实验

5.1电磁搅拌实验方案

5.2电磁搅拌实验结果

5.2.1第一阶段工业实验

5.2.2第二阶段工业实验

5.3本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

文中包含图、表、公式及文献

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摘要

本文主要以解决中心偏析及“白亮带”负偏析为目的,通过电磁搅拌改善凝固组织,打碎柱状晶,扩大铸坯中心等轴晶区域,减轻中心偏析及疏松程度,并减弱“白亮带”处负偏析程度。由于板坯二冷区恰好是柱状晶强劲生长的区域,因此研究电磁搅拌工艺参数对二冷区铸坯的作用规律,从而改善铸坯内部质量具有重要的意义。 本文根据国内某钢厂生产铸坯尺寸为250mm×1800mm的板坯连铸机设备参数及二冷区电磁搅拌工艺参数,利用ANSYS软件分别建立凝固传热模型、电磁场模型和流场模型,通过数值模拟获得了二冷区电磁搅拌器处的温度场、电磁场及流场分布规律,并通过现场工业实验分析,考察了电磁参数和连铸工艺参数对铸坯内部质量的影响规律。结果表明: (1)“白亮带”主要是由在电磁搅拌区域内迎着钢液流动方向密集生长的二次枝晶和由于钢液流动折断的一次枝晶尖端所形成的树枝晶团簇组成。“白亮带”中由于C元素含量较正常组织低而形成负偏析区,呈白色即“白亮带”。而外部区域是富集C元素的区域,形成正偏析区,而呈黑色。应用电磁搅拌工艺的铸坯上产生的“白亮带”通常是一层结构或二层结构; (2)拉速由0.80m/min增加到0.90m/min,铸坯的液相线和固相线消失位置分别向后推移1.6m和2.9m,两列电磁搅拌辊中间处对应的中心点温度从1526.3℃增加到1530.4℃;过热度由20℃增加到30℃,铸坯的液相线和固相线消失位置分别向后推移0.5m和0.4m,两列电磁搅拌辊中间处对应的中心点温度从1523.8℃增加到1527.9℃; (3)二冷区电磁搅拌器磁感强度在搅拌器中心位置处最大,向两端逐渐递减,基本上沿轴线方向呈抛物线分布;电磁力分布与磁感应强度分布趋势相似,搅拌辊位置处电磁力较大,远离搅拌辊位置处电磁力较小。电磁力随着电流强度的增加而增大,频率为5Hz时,电流每增大100A,最大电磁力约增加1135N/m3;电流为300A时,电流频率从5Hz增加到7Hz时,电磁力从1306N/m3增加到1981N/m3; (4)在电磁搅拌的作用下,搅拌强度随电流强度和频率的增加而增大,当电流频率为5Hz时,最大搅拌速度由300A的41.7cm/s增大到500A的74.7cm/s;电流强度为300A时,电流频率每增加1Hz,最大搅拌增加2.7cm/s; (5)工业实验表明:拉速为0.80m/min,最佳二冷区电磁参数为360A和5Hz,此时板坯中心碳偏析基本可以控制1.15以下,“白亮带”C含量负偏析指数控制在0.84以下。

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