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钢圆坯连铸过程中渐开式电磁旋流水口数值模拟

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金属学报 2013年第7期49卷 871-880页

作者：李德伟苏志坚陈进王强丸川雄净赫冀成东北大学材料与冶金学院沈阳110819

提出了一种新的浸入式水口内产生旋流的方法.即在水口外施加可移动的旋转电磁场,非接触地形成钢液旋流.为进一步发挥旋流作用,采用渐开式水口,对圆坯连铸中浸入式水口及结晶器内钢液流场、温度场进行了三维数值模拟,并重点研究了水口渐... 详细信息

提出了一种新的浸入式水口内产生旋流的方法.即在水口外施加可移动的旋转电磁场,非接触地形成钢液旋流.为进一步发挥旋流作用,采用渐开式水口,对圆坯连铸中浸入式水口及结晶器内钢液流场、温度场进行了三维数值模拟,并重点研究了水口渐开角度结合不同旋流强度对结晶器内流场及温度场的影响.研究结果表明,浸入式水口内磁场和旋流速度随着线圈电流强度的增加而增加.当电流强度为500 A,频率为50 Hz时.可产生最大为3 m/s左右的旋流速度.当水口采用同一渐开角度,随着旋流强度的增大,水口出流的冲击深度减小,上返流增强,弯月面温度提高.但当旋流强度增大到一定程度后,结晶器内弯月面附近温度变化不大.采用同一旋流强度,随着水口渐开角度的增加,结晶器内水口出口上方的上返流先增强后减弱,在渐开角度为60°时,上返流最强.同样,弯月面附近温度也是先提高后有所降低,在渐开角度为60°时,弯月面温度最高.水口渐开角度为60°,线圈电流350 A,频率为50 Hz时,在水口入口处施加0.5 m/s水平速度的人工偏流后,电磁旋流能对该偏流进行有效的抑制.

关键词：连铸电磁旋流浸入式水口结晶器数值模拟

电磁旋流水口作用下水口和结晶器内流场和温度场的实验研究

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电磁旋流水口作用下水口和结晶器内流场和温度场的实验研究

作者：金铎东北大学

学位级别：硕士

在钢的连铸过程中,浸入式水口的偏流是不可避免的,且对结晶器内钢水的流场、温度场的分布以及液面的波动等都有影响,最终影响连铸坯表面和内部质量及连铸的拉速。而在水口内使钢水产生水平旋转流动是抑制偏流产生的有效手段。因此在前... 详细信息

在钢的连铸过程中,浸入式水口的偏流是不可避免的,且对结晶器内钢水的流场、温度场的分布以及液面的波动等都有影响,最终影响连铸坯表面和内部质量及连铸的拉速。而在水口内使钢水产生水平旋转流动是抑制偏流产生的有效手段。因此在前续研究中提出了在浸入式水口外加旋转磁场,利用电磁力使水口内钢液产生水平旋流,并对不同类型旋转电磁旋流装置引起的低频磁场及水口和结晶器中的流动进行了数值模拟和初步的实验研究。本研究利用物理性质与钢液非常相似的Pb-Sn-Bi合金液来模拟钢液流动,进行电磁旋流作用下的连铸模型实验。使用高速摄像机,超声多普勒测速仪和热电偶等仪器对水口（无结晶器时）和圆坯及方坯结晶器内合金液的内部流场及温度场进行了有效测量,从而在此基础上分析水平旋转磁场对水口和结晶器内钢液流场和温度场分布的影响。得到以下结论： 1.在电磁旋流装置工作区内磁感应强度测定实验中,发现磁感应强度随电流的增加而增加;电磁旋流装置工作区中轴线以及边缘都以中心处磁感应强度最大,距离中心越远磁感应强度越小,而且在工作区边缘的磁感应强度要大于同一高度中轴线位置上的磁感应强度。 2.在水口出口旋流速度测定实验中,分别测试了不同磁感应强度,水口直径和磁场频率下的旋流速度。分析了水口直径和磁场频率对旋流速度的影响。发现随着水口直径的增大旋转速度随着增大,旋转速度呈抛物线式增大。并且旋流速度随线圈电流频率的增加而线性增加。 3.成功将超声多普勒测速仪用于电磁场下熔融金属速度场的测量中,并获得了电磁旋流作用下圆坯结晶器和方坯结晶器内熔融金属的速度场分布。发现在速度探头的中心轴延长线上,无电磁搅拌条件下基本没有旋流速度,在有电磁旋流条件下,旋流速度随距离结晶器壁面的距离增加而增加,达到最大值以后呈减小趋势,直到测量线段的中心。速度分布总体呈中心对称,在结晶器内表面处达到最低。说明总体趋势与理论计算相符。而且距水口下方越深时旋转速度越小。 4.在结晶器内不同位置放置4支热电偶,测量在模拟连铸过程中液面以及液态金属内部的温度场分布,发现在水口处施加电磁旋流装置后,结晶器内上端合金液的温度升高,温度分布更加均匀。

关键词：电磁旋流超声多普勒测速仪浸入式水口结晶器液面温度

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板坯电磁旋流连铸过程流场的实验研究

板坯电磁旋流连铸过程流场的实验研究

作者：罗晋东北大学

学位级别：硕士

在钢的连铸过程中,浸入式水口出流的偏流是不可避免的,会导致结晶器内流场和温度场分布不均,液面波动加剧等问题,最终影响连铸坯表面和内部质量及连铸的拉速。水口内钢水的水平旋转流动是抑制偏流产生的有效手段。因此在前续研究中提出... 详细信息

在钢的连铸过程中,浸入式水口出流的偏流是不可避免的,会导致结晶器内流场和温度场分布不均,液面波动加剧等问题,最终影响连铸坯表面和内部质量及连铸的拉速。水口内钢水的水平旋转流动是抑制偏流产生的有效手段。因此在前续研究中提出了在浸入式水口外加旋转磁场,利用电磁力使水口内钢液产生水平旋流,并对不同结构电磁旋流装置引起的低频磁场、水口和圆坯及方坯结晶器中的流动传热进行了数值模拟和实验研究。本研究利用低熔点的Pb-Sn-Bi合金模拟钢液,进行了电磁旋流作用下板坯连铸模型实验。首先测量了电磁旋流区域磁场的分布,而后进行了无结晶器时水口出口旋流流速测量实验,分析了水口直径和水口长度对出口旋流流速的影响,最后利用超声多普勒测速仪测量了电磁旋流作用下板坯结晶器内熔融合金的流速分布。得到了以下结论：(1)在电磁旋流区域,竖直方向上,磁场分布为沿着旋流装置高度方向,磁感应强度是先增加后减小的,在中心高度处达到最大值,并且关于中心高度呈对称分布;在水平方向上,磁场分布为在中心点处最小,沿径向逐渐增加。(2)随着水口长度的增加,水口出口旋流速度减小。随着水口直径的增加,水口出口旋流速度变大。(3)在无旋流情况下,水口出口主流直接冲击结晶器窄面,然后形成下返流和上返流,水口出口高度上沿宽面方向的速度随着离水口距离的增加而减小,几乎没有沿窄面方向的速度分量。电磁旋流情况下,主流方向沿着旋流方向发生改变,先冲击结晶器宽面,在宽面1/4处水口出口高度上沿窄面方向的速度随着离探头(壁面)距离的增加而减小,在弯月面附近沿窄面方向的速度随着离探头(壁面)距离的增加而增加。水口出口高度和弯月面附近沿窄面的速度方向是相反的。

关键词：板坯结晶器电磁旋流超声多普勒测速仪连铸

板坯电磁旋流水口连铸对结晶器弯月面波动的影响

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板坯电磁旋流水口连铸对结晶器弯月面波动的影响

作者：朱晓伟东北大学

学位级别：硕士

电磁旋流水口技术作为一种新型的板坯控流技术,对实现高速连铸、提高铸坯的质量有着重要意义。目前,电磁旋流水口技术的研究主要集中在结晶器内钢液的流场和温度场,对由电磁旋流引起的流场变化导致的弯月面波动研究较少,而连铸过程中合... 详细信息

电磁旋流水口技术作为一种新型的板坯控流技术,对实现高速连铸、提高铸坯的质量有着重要意义。目前,电磁旋流水口技术的研究主要集中在结晶器内钢液的流场和温度场,对由电磁旋流引起的流场变化导致的弯月面波动研究较少,而连铸过程中合理的弯月面波动状况是提高连铸坯最终质量的关键,所以研究电磁旋流作用下结晶器内钢液弯月面波动有着重要意义。本文以某钢厂的板坯连铸机为研究对象,通过建立电磁旋流水口板坯结晶器内钢液三维数学模型,采用数值模拟的方法研究了不同电磁场条件及不同拉速下,水口和结晶器内电磁场和流场分布。最后通过弯月面波高,自由液面下钢液流速以及窄面附近垂直流速研究了弯月面的波动行为。主要内容和结果如下:(1)通过比较传统连铸和电磁旋流连铸结晶器内钢液的流场可以发现,在传统连铸过程中,结晶器两侧窄面附近钢液弯月面波高分布不对称。在350A、50Hz电流作用下,结晶器两侧窄面附近的弯月面高度分布趋于对称。(2)分别研究了有无电磁旋流作用的情况下,在弯月面下不同深度,从浸入式水口流出钢液的纵向冲击速度变化情况。在传统连铸过程中,钢液的冲击速度随着到弯月面距离的增大变化较小;在弯月面下1.5m处,仍然保持较大的冲击速度。在电磁旋流作用下,钢液的冲击速度随着到弯月面的距离增大迅速衰减。弯月面下1.5m时,钢液的冲击速度已经接近为零。(3)研究了不同电流强度和频率作用下钢液流场对弯月面波动的影响。在低电流、低频率的情况下,结晶器窄面附近钢液弯月面的峰值较高。随着电流强度和频率的升高,窄面附近钢液弯月面的高度大部分都在10mm以下,且自由液面下钢液流速小于0.4m/s。(4)研究了不同拉坯速度对钢液弯月面波动的影响。发现钢液的弯月面峰值的高度随着拉坯速度的提升呈线性增大。(5)钢液的弯月面峰值的高度与水口的浸入深度成反比,但是过大的浸入深度会引起窄面附近钢液冲击速度的增强。通过比较不同浸入深度下钢液的弯月面波高、自由液面下钢液的流速以及窄面附近钢液的冲击速度,浸入深度170mm可以作为一个理想的取值。

关键词：板坯连铸电磁旋流流场数值模拟液面波动

工艺参数对板坯电磁旋流连铸结晶器内气泡行为的影响

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工艺参数对板坯电磁旋流连铸结晶器内气泡行为的影响

作者：李静东北大学

学位级别：硕士

水口旋流可以改善水口出流偏流,并且大幅提高连铸坯表、内部质量,提高拉速。基础研究发现,电磁旋流可以在水口内产生旋流。本文运用ANSYS软件的EMAG模块对电磁旋流装置下浸入式水口(SEN)内的旋转电磁场及电磁力分布进行了模拟计算,并将... 详细信息

水口旋流可以改善水口出流偏流,并且大幅提高连铸坯表、内部质量,提高拉速。基础研究发现,电磁旋流可以在水口内产生旋流。本文运用ANSYS软件的EMAG模块对电磁旋流装置下浸入式水口(SEN)内的旋转电磁场及电磁力分布进行了模拟计算,并将电磁力导入到FLUENT中进行板坯结晶器内流场的计算,研究了SEN浸入深度、水口出口上沿半径、拉速及水口出口宽度四个工艺参数对板坯结晶器内流场的影响。随后采用Lagrange离散相模型对钢液流场及气泡行为(气泡轨迹和气泡颗粒浓度分布)进行耦合计算,分析了以上工艺参数对气泡行为的影响。本文获得的结论如下：1.在电磁旋流的作用下,水口的出流主流不再平行于宽面,而是会冲击到结晶器一侧的宽面上,形成上返流和下返流,水口出口的最大速度出现在出口上方,自由液面的速度变小。吹入氩气后,气泡被旋流夹带先冲击到结晶器一侧宽面上,并且在宽面长度方向上分布变得均匀,但是靠近宽面一侧旋流下游的数量多于上游的,最后在浮力的作用下上浮到自由液面。2.浸入深度的影响：浸入深度增大,使上回流的区域增大,涡心下移,自由液面的速度变小;在吹氩条件下,由于浸入深度的增加,气泡的冲击深度及其在流场区域的运动范围增大,被流股带到窄面的气泡数量逐渐增多。3.水口出口上沿半径的影响：水口出口上沿半径增大,使水口出流的垂直出流角变大,出流冲击稍微变深,自由液面的速度稍微减小;在吹氩条件下,由于冲击变深,被带到窄面的气泡数量稍微增多。4.拉速的影响：拉速增大,使上、下回流的流动增强,自由液面的速度增大,水口出口的最大速度位置向水口下方移动。拉速小时,气泡主要集中在水口附近上浮,拉速大时,气泡在流场区域的运动范围较大,被带到窄面的数量较多,有些甚至冲击到下返流后上浮。5.水口出口宽度的影响：水口出口宽度增大,使水口出流的水平偏转角(冲击到宽面)逐渐增大,自由液面的速度减小;在吹氩条件下,被流股带到窄面的气泡呈现减小的趋势。

关键词：板坯结晶器吹氩电磁旋流流场数值模拟

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电磁旋流水口对圆坯结晶器液面波动的控制

连铸 2021年第6期46卷 24-28页

作者：石红燕吴春雷刘利田盛林刘晓明王强山东钢铁股份有限公司莱芜分公司山东济南271104 东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室辽宁沈阳110819 东北大学冶金学院辽宁沈阳110819 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室辽宁沈阳110819

在大圆连铸坯生产过程中,过强的结晶器电磁搅拌会造成结晶器液面波动,影响连铸坯的表面和内部质量。将电磁旋流水口技术与结晶器电磁搅拌配合使用,通过调整电磁旋流装置的搅拌方向和电流强度来弱化结晶器电磁搅拌引起的二次流,从而使结... 详细信息

在大圆连铸坯生产过程中,过强的结晶器电磁搅拌会造成结晶器液面波动,影响连铸坯的表面和内部质量。将电磁旋流水口技术与结晶器电磁搅拌配合使用,通过调整电磁旋流装置的搅拌方向和电流强度来弱化结晶器电磁搅拌引起的二次流,从而使结晶器液面波动控制在一个较小的范围内。结果显示,当两个电磁装置的搅拌方向相反,电流强度为400A时,大于±2mm的液面波动比例由单用结晶器电磁搅拌时的0.62%降至0.13%,在±1mm~±2mm范围内的液面波动比例由单用结晶器电磁搅拌时的5.90%降至3.56%。当搅拌方向相同时,对大于±2mm的液面波动的控制效果不佳。因此,使用与结晶器电磁搅拌方向相反的水口旋流可实现对结晶器液面波动的有效控制。

关键词：连铸液面波动结晶器电磁搅拌电磁旋流浸入式水口

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一种新的旋流连铸技术——电磁旋流水口

连铸 2013年第4期38卷 18-21页

作者：李德伟苏志坚丸川雄净赫冀成东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室辽宁沈阳110004

日本及中国的学者研究表明,在连铸过程中浸入式水口内的旋转流动可以有效改善结晶器内的流体流动状态并提高钢坯的表面和内部质量。笔者提出一种新的旋流连铸技术,即利用水口外的旋转电磁场对钢液的洛伦兹力,使水口内钢液形成旋转流动... 详细信息

日本及中国的学者研究表明,在连铸过程中浸入式水口内的旋转流动可以有效改善结晶器内的流体流动状态并提高钢坯的表面和内部质量。笔者提出一种新的旋流连铸技术,即利用水口外的旋转电磁场对钢液的洛伦兹力,使水口内钢液形成旋转流动。对圆形电磁旋流装置作用下圆坯及方坯连铸过程结晶器内钢液流场进行了三维数值模拟,分析了350A电磁旋流作用下圆坯及方坯结晶器内钢液流场。结果表明:①水口电磁旋流使得圆坯结晶器内的钢液都处于旋转状态。②有旋流时,在方坯结晶器角部的附近可以观察到水平流动;钢液的冲击深度更小,上返流增强。

关键词：连铸电磁旋流浸入式水口结晶器数值模拟

商业软件ANSYS及FLUENT在钢电磁连铸中的应用

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铸造技术 2013年第3期34卷 327-329页

作者：李德伟苏志坚丸川雄净赫冀成东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室辽宁沈阳110819

介绍了ANSYS和FLUENT在钢电磁旋流连铸中的应用。并以小方坯为例,对钢电磁旋流连铸过程中在电磁旋流装置作用下浸入式水口内钢液的磁场、水口及结晶器内流场进行了三维数值模拟。

关键词：连铸电磁旋流商业软件数值模拟

长水口结构及电磁作用对中间包冲击区钢液流动的影响研究

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长水口结构及电磁作用对中间包冲击区钢液流动的影响研究

作者：邓诗云武汉科技大学

学位级别：硕士

连铸过程中,钢包的钢液由长水口进入中间包,对中间包冲击区钢液冲击强烈,尤其是换钢包过程中,液面波动大,极易引起钢液卷渣和钢液面裸露,造成钢液二次氧化和卷入夹渣,降低钢液纯净度,影响铸坯内部质量。如何抑制浇铸过程中中间包冲击区... 详细信息

连铸过程中,钢包的钢液由长水口进入中间包,对中间包冲击区钢液冲击强烈,尤其是换钢包过程中,液面波动大,极易引起钢液卷渣和钢液面裸露,造成钢液二次氧化和卷入夹渣,降低钢液纯净度,影响铸坯内部质量。如何抑制浇铸过程中中间包冲击区钢液湍流成为国内外研究的热点。本文提出采用结构简易扩张型长水口和电磁旋流技术,控制浇铸过程中中间包冲击区钢液湍流。首先,建立中间包浇铸过程钢-渣-气VOF多相流数学模型,并采用水力学物理模拟验证,研究长水口结构对中间包冲击区钢液流动行为的影响,并重点针对换钢包非稳态浇铸过程进行研究。再者,基于以上模型,使用UDF将电磁力加载到长水口,研究长水口电磁旋流作用对中间包冲击区钢-渣-气三相流动行为的影响。研究结果表明:（1）稳态浇注时,采用扩张型长水口,能对钢包高速注流产生较大缓冲作用,抑制其对中间包钢液流动的冲击,显著降低中间包冲击区的湍流程度和液面流速,降低钢液面裸露和钢渣卷混的倾向。换钢包非稳态浇注时,随着长水口内径扩张增大,钢液裸露面积的最大值和裸露时间逐渐减小,但长水口内径扩张到2倍时,会由于需排除长水口内大量的气体,造成钢液持续约25s的裸露。最佳长水口结构为内径扩张1.5倍的长水口。（2）扩张型长水口和湍流控制器两种控流装置均能降低中间包冲击区钢液面湍动能和钢液速度大小。两种控流装置组合使用使中间包冲击区钢液面湍动能下降了71%,钢液速度大小下降了65%。扩张型长水口+湍流控制器组合使用冶金效果更佳。（3）在旋转磁场作用下,中间包长水口的钢液产生明显旋转,并在长水口出口上下附近处都产生旋流,冲击区钢液的循环回流范围变大,路径变长。但由于长水口出口到中间包底部的距离短,且流速高,旋流来不及扩散且受钢液回流影响,最终电磁旋流技术对中间包冲击区的优化效果并不明显。

关键词：中间包冲击区长水口电磁旋流非稳态 VOF多相流模型