[發明專利]一種小方坯結晶器內置式電磁攪拌器攪拌位置的制定方法

有效

• 申請號: 201410107221.9
• 申請日: 2014-03-21
• 公開（公告）號: CN103878330A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 張桂芳;施哲;高磊;孫輝;李金柱;曹陽
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: B22D11/115
• 分類號: B22D11/115;B22D11/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種小方坯結晶器內置式電磁攪拌器攪拌位置的制定方法，屬于鋼鐵冶煉連鑄工藝技術領域。

背景技術

結晶器是連鑄過程中控制鋼水潔凈度的最后環節，結晶器內鋼液的流動行為直接影響到鋼水中夾雜物的分離去除、保護渣的卷入影響及凝固初生坯殼的均勻形成，因此與連鑄坯的表面和內部缺陷密切相關。此外，因電磁場可影響結晶器內鋼液的流動狀態，強化鋼液的對流、傳質和傳熱狀態，提高連鑄坯質量，電磁攪拌技術已被鋼鐵企業廣泛采用。但是，電磁場作用下的連鑄研究難度大，仍處于起步階段。一方面，為了改進鑄坯內部質量和有效控制表面和皮下氣孔，要求結晶器內強攪拌；另一方面，必須控制彎月面附近的過強攪拌，防止表面缺陷如重皮、凹坑、漏鋼等，對SEN的保護澆注，更需要嚴格限制攪拌強度，防止保護渣卷吸和減緩SEN的侵蝕。電磁攪拌下的水口的設計及插入深度是否合理，攪拌器的安裝位置的選擇都影響著鑄坯質量；此外運行頻率選擇不合理，也難以保證有效的電磁力矩，不能有效地減少所需功率。由于現有的電磁熱流體力學還不很成熟，人們對電磁攪拌內部作用機理還不甚清楚，因此，電磁攪拌的使用率與使用效率都較低，許多工藝上的研究仍處于經驗探索階段。

尤其是內置式結晶器電磁攪拌技術，因其優良的特性和發展潛力，受到了鋼鐵企業的廣泛關注。其主要特點有：1.攪拌器占用空間小，適用于多流鑄造；2.?電磁能利用率高，電磁場直接作用于結晶器內的鋼水，避免了結晶器外壁對電磁場的削弱；3.?投資成本低；因現在鋼鐵企業普遍存在的需提高生產效能的問題，很多鋼鐵企業在新建設的小方坯結晶器中選擇使用內置式結晶器電磁攪拌器。

但內置式結晶器電磁攪拌技術的配套工藝不成熟，目前國內外的煉鋼生產廠家所涉及的電磁攪拌參數均是由設備廠家給定的，并沒有針對具體冶煉鋼種，冶煉設備提出配套的攪拌位置等冶煉參數。實踐證明，攪拌位置不正確，攪拌效果反而會惡化。已有技術大多針對電磁攪拌設備進行改進，而關于小方坯內置式結晶器電磁攪拌模型的研究很少，對設備的使用大多來源于經驗，缺乏對流場行為的理論指導，因此致使生產效率不高。

發明內容

針對上述現有技術存在的問題及不足，本發明提供一種小方坯結晶器內置式電磁攪拌器攪拌位置的制定方法。本方法根據結晶器內置式電磁攪拌實際情況，進行合理假設，通過有限元數值的模擬計算，獲得電磁場作用下的各種物理量及分布狀態，驗證不同攪拌位置對電磁攪拌效果的影響，從而確定合理的電磁攪拌位置，本發明通過以下技術方案實現。

一種小方坯結晶器內置式電磁攪拌器攪拌位置的制定方法，其具體步驟如下：

（1）建立流場模型

（1.1）無磁場作用下小方坯結晶器流場的數值模擬

小方坯結晶器內的流場主要是紊流，根據流體力學，紊流流場模型建立所需要考慮的主要參數為流體在坐標系中X、Y、Z方向的速度及流體的紊流脈動動能和紊流脈動耗散率，設定X、Y、Z方向的速度用u、v、w表示，流體的紊流脈動動能用K表示，紊流脈動耗散率用???????????????????????????????????????????????表示，上述主要參數需在離散化方程的基礎上計算得到，利用求得上述主要參數X、Y、Z方向的速度U(u、v、w)、流體的紊流脈動動能K、紊流脈動耗散率建立小方坯結晶器內流場的計算機模型，步驟如下：

步驟1：設定自定義函數和確定模型假設條件

①自定義函數：

②設f是定義在區域Ω上的函數，f在(x，y，z)處的梯度函數為

③定義任意向量場為

④定義任意向量場的散度為

⑤定義任意向量場的旋度為

⑥確定模型假設條件：

ⅰ.液體為不可壓縮粘性流體；

ⅱ.各個物性參數均為不隨時間變化的常數；

ⅲ.只考慮液相區的流動；

步驟2：在步驟1自定義函數及模型假設條件的基礎上，建立離散化方程

根據Navier?Stokes方程和K-雙方程，X、Y、Z方向的速度u、v、w，紊流脈動動能K，紊流脈動耗散率都服從守恒原理；

①在穩流計算時，X、Y、Z方向的速度u、v、w滿足Navier?Stokes方程，方程為