1、電磁攪拌條件下連鑄流場、偏析與裂紋數(shù)值模擬,沈厚發(fā) 清華大學(xué) 機械工程系,電 話：010 6278 9922 Email：,報告內(nèi)容,研究背景 結(jié)晶器電磁攪拌與流場 方坯中心偏析數(shù)值模擬研究 方坯連鑄應(yīng)力場的數(shù)值模擬 總結(jié),研究現(xiàn)狀中心偏析,鑄坯裂紋,電磁攪拌(EMS),水口,彎月面,結(jié)晶器,結(jié)晶器出口,拉坯方向,電磁攪拌(EMS),促進溶質(zhì)分布 減少宏觀偏析 細化凝固組織,方坯電磁攪拌,方坯電磁攪拌,報告內(nèi)容,研究背景 結(jié)晶器電磁攪拌與流場 方坯中心偏析數(shù)值模擬研究 方坯連鑄應(yīng)力場的數(shù)值模擬 總結(jié),電磁場求解方程,磁通連續(xù)性方程,法拉第定律,歐姆定律,Maxwell 方程組:,附加條件:,安

2、培定律,洛侖茲力可由電流密度 J 與磁感應(yīng)強度 B 叉積求得,磁場求解方程,電磁場求解方程,流場控制方程,K-紊流方程,Navier-Stokes方程,連續(xù)方程,程序求解步驟,程序驗證 磁場測量,測量攪拌器內(nèi)中心磁場裝置,磁場測試儀,程序驗證 磁場分布,z=-0.65m,EMS,z=-0.487m,z=-0.813m,橫斷面380mm280mm 結(jié)晶器高度850mm 攪拌中心距彎月面650mm 測量范圍1200mm 頻率2.5Hz,電磁攪拌對流場的影響兩相四級,幾何模型,有限元模型,結(jié)晶器電磁攪拌計算模型兩相四級,兩相四級攪拌器 磁感線垂直與磁極表面 時間差 為/2的兩相交變磁感應(yīng)場,結(jié)晶器電

3、磁攪拌計算參數(shù)兩相四級,攪拌中心線上的磁感應(yīng)強度,磁感應(yīng)強度模量沿拉坯方向的分布(t=1/8T 與 t=1/2T),EMS,鑄坯橫斷面上的磁場分布變化,磁感應(yīng)強度在一個周期內(nèi)的變化 (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,一個周期內(nèi)B在垂直于拉坯方向的橫截面內(nèi)的分布 (z=-0.55m),不同橫截面內(nèi)的磁場分布,(a) t=1/8T, z=-0.40m,(b) t=1/8T, z=-0.30m,B在不同橫截面內(nèi)的分布形態(tài),(z=-0.55m),z=-0.55m,鑄坯橫斷面上

4、的電磁力分布變化,z=-0.4m,z=-0.7 m,(a) t=1/8T,(c) t=5/8T,(b) t=3/8T,(d) t=7/8T,同一周期內(nèi)不同時刻 F 在 x-y 橫截面的分布(z=-0.55m),電磁攪拌結(jié)晶器流場,流場動畫(z=-0.55m),結(jié)晶器電磁攪拌流場與流線,攪拌器作用中心位置橫截面內(nèi)流場及其流線形態(tài),三相交變磁場，相位差2/3 磁感線在磁鐵內(nèi)部環(huán)形分布,幾何模型,電磁攪拌對流場的影響三相六極,結(jié)晶器電磁攪拌計算條件三相兩極,水口造型,鑄坯橫斷面上的磁場分布變化,t=0,t=1/6T,t=2/6T,t=3/6T,t=4/6T,t=5/6T,t=1/12T,t=2/12

5、T,t=3/12T,t=4/12T,t=5/12T,t=6/12T,z=-0.1m,z=-0.2m,z=-0.35m,z=-0.487m(攪拌器上沿),z=-0.813m(攪拌器下沿),z=-0.65m(攪拌器中心),方坯結(jié)晶器內(nèi)的流場,寬度方向中心,厚度方向中心,直通型水口 浸入深度150mm 拉坯速度2.5m/min 結(jié)晶器尺寸380mm280mm1200mm,電磁攪拌下的流場,無攪拌時的流場,z=-0.65m,z=-0.487m,z=-0.813m,結(jié)晶器電磁攪拌對流場的影響,不同頻率下的中心磁感應(yīng)強度,EMS,不同頻率下橫截面磁場分布,(a) f=1.0Hz,(c) f=2.0Hz,(

6、b) f=1.5Hz,(d) f=2.5Hz,不同頻率下橫截面電磁力分布,(a) f=1.0Hz,(c) f=2.0Hz,(b) f=1.5Hz,(d) f=2.5Hz,不同頻率下的中心力矩,不同頻率下的橫截面流場,(a) f=1.0Hz,(b) f=2.5Hz,攪拌器中心截面流場(z=-0.65m),電磁攪拌結(jié)晶器流場模擬結(jié)論,電磁攪拌磁感應(yīng)強度沿拉坯方向大致呈正態(tài)分布，在攪拌器作用的中心位置達到最大值；當離開攪拌器的作用范圍后，磁場迅速衰減；攪拌器上下兩側(cè)的磁場分布基本對稱；旋轉(zhuǎn)磁場在達到穩(wěn)定狀態(tài)后隨時間的變化很小，可以以某一時刻的結(jié)果來代表一段時間內(nèi)的結(jié)果；在結(jié)晶器的中心區(qū)域，磁場分布較

7、為均勻 整體上看，橫截面上的電磁力分成兩個部分，各部分區(qū)域內(nèi)的電磁力矢量大小基本相等而方向相反，其綜合作用效果相當于一對力偶，使得鋼液運動產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)的趨勢 電磁力的變化周期為磁場的1/2,電磁攪拌結(jié)晶器流場模擬結(jié)論,在三相六極攪拌器作用下，結(jié)晶器區(qū)域內(nèi)的磁場分布較為均勻；在每一個時刻，攪拌器附近的磁場大致構(gòu)成了兩個半圓，半圓的起點和終點處磁場最小，而在中間達到最大值；總體上看，正是由于這兩個半圓不斷變換方向，使得中間的磁場也隨之變化； 同磁極繞組的電磁力分布不同，環(huán)形繞組的電磁力向內(nèi)側(cè)作用；整個橫截面上電磁力矢量分成兩大部分，兩部分的作用效果相當于一對向內(nèi)側(cè)作用的力偶，驅(qū)動了鋼液的旋轉(zhuǎn)；,電磁

8、攪拌結(jié)晶器流場模擬結(jié)論,在結(jié)晶器中心處，電磁力較小，而在邊界處，力明顯增大；電磁力的大小同磁場變化梯度有關(guān)，即在磁場變化較大的位置，電磁力大，反之亦成立；結(jié)晶器中心處磁場分布較為均勻，變化較小，因此電磁力小；電磁力結(jié)果中的中間“縫隙”即為磁場邊界上最大值之間的連線；攪拌器中的兩段磁場分別作用產(chǎn)生了兩部分電磁力；兩段磁場方向相反，因而產(chǎn)生的電磁力方向也相反 由于水口出流的存在，電磁攪拌作用下的流場中心形成了漸開線式的渦心，位置與結(jié)晶器中心非常接近；各截面流場形態(tài)基本上呈中心對稱狀，流動穩(wěn)定,電磁攪拌結(jié)晶器流場模擬結(jié)論,由于電磁攪拌的作用，流場不如普通條件下的劇烈；在縱截面上，水口出流沒有直通到結(jié)

9、晶器底部，寬面方向上的左右兩個回流區(qū)也并不明顯；在上半部分的水口附近，由于回流區(qū)范圍較小，流動較弱；相比較之下，窄面方向上的流動又要比寬面方向的更弱一些，寬面方向上的流動仍然占據(jù)主導(dǎo)地位 磁感應(yīng)強度B 和電磁力F 均隨攪拌頻率增大而降低，頻率為2.5Hz時的中心磁感應(yīng)強度最大值相比1.0Hz時下降約20%；各個頻率下磁感應(yīng)強度最大值之間的差值較為接近 攪拌頻率增大，流場整體旋轉(zhuǎn)速度減??；攪拌頻率的改變并未對流態(tài)造成明顯影響，只在流速方面有所區(qū)別,報告內(nèi)容,研究背景 結(jié)晶器電磁攪拌與流場 方坯中心偏析數(shù)值模擬研究 方坯連鑄應(yīng)力場的數(shù)值模擬 總結(jié),連續(xù)方程： 能量方程： 動量方程： 濃度方程：,數(shù)

10、學(xué)模型,流場,溶質(zhì)場,中心偏析的形成過程,中心偏析的形成過程,4.0 m 8.0 m 12.0 m 16.0 m 20.0 m,中心偏析測試位置,偏析度與實測結(jié)果對比,a 寬度中心,b 厚度中心,a,b,中心偏析計算與實測結(jié)果對比,數(shù)值模擬結(jié)果,實測結(jié)果,中心偏析模擬結(jié)果與實際比較,小方坯連鑄的宏觀偏析,橫斷面上的中心偏析,中心偏析,板坯厚度方向偏析成分與實際比較,鑄坯中心偏析數(shù)值模擬結(jié)論,沿著拉坯方向鑄坯中心的溶質(zhì)濃度在結(jié)晶器區(qū)域變化不大；當液相穴接近凝固前沿時溶質(zhì)濃度迅速升高，在凝固末端，中心溶質(zhì)濃度接近最大值 在鑄坯表面附近，鑄坯表面激冷層的濃度與鋼水初始濃度相接近；當坯殼進一步向內(nèi)生長

11、，糊狀區(qū)流動造成鑄坯的負偏析；隨著坯殼的生長和碳元素的析出，導(dǎo)致在鑄坯中心的液相區(qū)中出現(xiàn)高濃度的碳元素集中區(qū)域，最終凝固后形成了鑄坯中心正偏析,報告內(nèi)容,研究背景 結(jié)晶器電磁攪拌與流場 方坯中心偏析數(shù)值模擬研究 方坯連鑄應(yīng)力場的數(shù)值模擬 總結(jié),控制方程熱彈塑性模型,彈性區(qū),塑性區(qū),凝固坯殼變形的總應(yīng)變增量,其中，, 總應(yīng)變增量, 彈性應(yīng)變增量, 塑性應(yīng)變增量, 熱應(yīng)變增量, 熱彈性矩陣, 熱塑性矩陣,物性參數(shù),力學(xué)參數(shù),熱學(xué)參數(shù),等效應(yīng)力（v=0.7m/min）,距彎月面205mm(MPa),距彎月面411mm(MPa),等效應(yīng)力（v=0.7m/min）,距彎月面616mm(MPa),距彎月面

12、770mm(MPa),等效應(yīng)變（v=0.7m/min）,距彎月面205mm,距彎月面411mm,等效應(yīng)變（v=0.7m/min）,距彎月面616mm,距彎月面770mm,拉速對等效應(yīng)力的影響,結(jié)晶器出口應(yīng)力(MPa) v = 0.7m/min,結(jié)晶器出口應(yīng)力(MPa) v = 0.9m/min,拉速對等效應(yīng)變的影響,結(jié)晶器出口應(yīng)變 v = 0.7m/min,結(jié)晶器出口應(yīng)變 v = 0.9m/min,方坯連鑄應(yīng)力場模擬結(jié)論,鑄坯內(nèi)不同部位冷卻的不均勻造成角部塑性變形集中，容易發(fā)生變形 隨著到彎月面距離的增加，最大應(yīng)力應(yīng)變位置會向偏角處偏移 隨著拉速的增加，在結(jié)晶器出口處，坯殼厚度減小強度下降，但

13、同時等效熱應(yīng)力和等效熱應(yīng)變也呈下降趨勢,報告內(nèi)容,研究背景 結(jié)晶器電磁攪拌與流場 方坯中心偏析數(shù)值模擬研究 方坯連鑄應(yīng)力場的數(shù)值模擬 總結(jié),總 結(jié),（一） 電磁攪拌條件下結(jié)晶器流場的計算 根據(jù)現(xiàn)場的攪拌器，建立了相應(yīng)的三維電磁場計算模型； 在已有結(jié)晶器流場計算程序的基礎(chǔ)上，建立了電磁攪拌條件下結(jié)晶器流場的計算模型，開發(fā)了相應(yīng)的計算軟件Visual Cast，該軟件可以處理復(fù)雜的水口形狀，可以改變水口、浸入深度、拉坯速度、攪拌頻率等工藝條件； 計算了不同電磁攪拌工藝條件下方坯結(jié)晶器內(nèi)的電磁場、電磁力及流場，分析了攪拌頻率對上述結(jié)果的影響,總 結(jié),（二） 方坯凝固宏觀偏析的數(shù)值模擬 以方坯連鑄為研

14、究對象，建立了流場、溫度場、溶質(zhì)傳輸?shù)鸟詈嫌嬎隳Ｐ?，并在軟件Visual Cast中實現(xiàn)了相應(yīng)的功能；對連鑄中心偏析進行了研究，定量的預(yù)測了鑄坯宏觀偏析的位置及成份；通過與實驗及文獻結(jié)果的比對和驗證，確認了計算結(jié)果的準確性與可靠性；數(shù)值模擬的鑄坯表面溫度與鋼廠的實測數(shù)據(jù)相吻合；通過定點取樣化學(xué)分析測量的鑄坯橫截面上的碳成分分布與數(shù)值模擬的濃度變化趨勢及偏析程度吻合 （三） 坯殼凝固與熱應(yīng)力的數(shù)值模擬研究 開發(fā)了連鑄結(jié)晶器內(nèi)鑄坯熱力耦合分析程序，并對方坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)鑄坯凝固與熱應(yīng)力進行了分析,連鑄工藝模擬分析軟件（2000）,請 提 意 見 謝 謝！ 沈厚發(fā),總 結(jié),

15、（二） 方坯連鑄凝固傳熱過程的數(shù)值模擬 基于凝固傳熱學(xué)基本理論，建立了方坯凝固傳熱數(shù)學(xué)模型。該模型根據(jù)糊狀區(qū)溶質(zhì)傳輸和反擴散方程，采用鋼中多組元成分的百分含量計算液、固相線溫度，考慮了組元成分、固相分數(shù)、溫度等因素對熱物性參數(shù)的影響； 研究了方坯連鑄三維溫度場；利用綜合換熱系數(shù)考慮二冷區(qū)的四種不同的換熱狀況，以二冷區(qū)鑄坯表面實際水流密度分布和輥子接觸傳熱為邊界條件，計算整個鑄坯表面及內(nèi)部任意點、線、面的溫度及固相分數(shù)分布；計算結(jié)果與VAI與實測結(jié)果一致。,方坯坯殼厚度模擬與實測對比,坯殼厚度與實際比較,At the end of solidification, Soft Reduction is applied to reduce the slab thickness, which can reduce the center segregation and center porosity simultaneously.,連鑄液芯壓下與宏觀偏析,連鑄液芯壓下,輕壓下溶質(zhì)再分布機理