【摘要】：連鑄大圓坯已被廣泛用于替代模鑄坯料生產(chǎn)大口徑無(wú)縫鋼管、大尺寸環(huán)形鍛件以及高速機(jī)車車輪等高附加值產(chǎn)品。然而,大圓坯連鑄具有斷面尺寸大、拉坯速度低的特點(diǎn),導(dǎo)致鑄坯凝固時(shí)間長(zhǎng),凝固收縮量大,生產(chǎn)中容易產(chǎn)生中心縮孔、中心裂紋和中心偏析等內(nèi)部質(zhì)量問題,而電磁攪拌技術(shù)是改善這些質(zhì)量問題的重要手段。另外,對(duì)于圓坯連鑄還需要控制好鑄坯的不圓度。因此,研究電磁攪拌作用下大圓坯連鑄過程中的傳輸行為,并分析拉坯矯直過程中的力能參數(shù),對(duì)提高鑄坯質(zhì)量有著十分重要的意義。本文以某鋼廠Φ600mm大圓坯連鑄機(jī)為對(duì)象,重點(diǎn)研究了大圓坯連鑄過程中的宏觀傳輸現(xiàn)象。通過數(shù)值模擬分別研究了結(jié)晶器電磁攪拌和凝固末端電磁攪拌作用下的電磁場(chǎng)分布、鋼液流動(dòng)以及凝固傳熱行為;研究了圓坯連鑄凝固坯殼的生長(zhǎng)規(guī)律,提出了定量化確定二冷區(qū)鑄坯目標(biāo)表面溫度的方法。另外,通過分析大圓坯連鑄拉坯矯直過程中的力能參數(shù),提出了定量化確定圓坯連鑄拉矯機(jī)壓力分配的方法。本文主要的研究?jī)?nèi)容和獲得的結(jié)果如下:①基于連鑄電磁攪拌過程的磁流體力學(xué)特點(diǎn),明確了電磁場(chǎng)問題和流動(dòng)問題的解耦條件,即:磁雷諾數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1,且無(wú)量綱角頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。通過對(duì)比研究,低雷諾數(shù)k-ε模型最適用于分析電磁攪拌作用下的流動(dòng)與凝固耦合問題。在此基礎(chǔ)上,建立了描述電磁攪拌下連鑄過程鋼液流動(dòng)和凝固傳熱的耦合數(shù)學(xué)模型。②通過數(shù)值模擬研究了結(jié)晶器電磁攪拌作用下大圓坯結(jié)晶器內(nèi)的三維電磁場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng),并用實(shí)測(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值驗(yàn)證了電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型和求解方法的正確性,用描述凝固坯殼生長(zhǎng)規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證了流動(dòng) 凝固數(shù)學(xué)模型和求解方法的正確性。研究結(jié)果表明,隨著電流頻率的增大,電磁力先增大后減小并在2.5Hz時(shí)達(dá)到最大。結(jié)晶器電磁攪拌產(chǎn)生的焦耳熱非常小,在傳熱計(jì)算中可忽略不計(jì)�？紤]凝固現(xiàn)象后,電磁攪拌下鋼液的旋轉(zhuǎn)流速明顯減小,證明凝固坯殼對(duì)攪拌強(qiáng)度的影響明顯。隨著攪拌強(qiáng)度的增強(qiáng),鋼液由穩(wěn)態(tài)流動(dòng)變?yōu)榉欠�(wěn)態(tài)流動(dòng),并出現(xiàn)偏流。結(jié)晶器旋轉(zhuǎn)電磁攪拌使從浸入式水口吐出的流股的侵入深度變淺,從而提高了結(jié)晶器內(nèi)溫度,有利于傳熱。結(jié)晶器旋轉(zhuǎn)電磁攪拌導(dǎo)致彎月面中心出現(xiàn)凹陷,且攪拌強(qiáng)度越大,凹陷程度越明顯,這可能會(huì)引起卷渣和鋼液二次氧化。攪拌器中心與鑄坯圓心不重合時(shí),電磁力在鑄坯橫截面上仍呈周向分布,但磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力都出現(xiàn)不對(duì)稱分布。③模擬研究了凝固末端電磁攪拌作用下連鑄大圓坯的三維電磁場(chǎng)、流體流動(dòng)和凝固傳熱行為,并用實(shí)測(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值和鑄坯表面溫度值驗(yàn)證了耦合模型和計(jì)算方法的正確性。研究結(jié)果表明,位于圓坯1/2半徑和1/3半徑處的電磁力在頻率為10Hz時(shí)達(dá)到最大,然后逐漸減弱。凝固潛熱釋放模式對(duì)糊狀區(qū)的形態(tài)影響明顯,采用平衡凝固模式更為合理。凝固末端電磁攪拌的安裝位置距彎月面越近,則糊狀區(qū)面積越大,攪拌速度也越大。在持續(xù)攪拌模式下,攪拌速度以一定周期在波峰波谷之間變化。④建立了圓坯二冷凝固傳熱的一維瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型,研究了圓坯連鑄凝固坯殼的生長(zhǎng)規(guī)律,并采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。以此為基礎(chǔ),提出了圓坯連鑄二冷區(qū)目標(biāo)表面溫度的確定方法,即采用下式作為連鑄圓坯的熱流密度分布所計(jì)算出的鑄坯表面溫度22 2212(0.5)0.5ar=-éù-+êú??R R LKq R K t Rr式中2 2 22.15 1.04R Rr=R-RK t+K t運(yùn)用建立的模型和方法,優(yōu)化了大圓坯連鑄的二冷分區(qū),制定了二冷水表,研究了工藝參數(shù)對(duì)連鑄凝固傳熱的影響。⑤基于矯直區(qū)圓坯橫斷面上溫度和應(yīng)力的分布規(guī)律,推導(dǎo)了圓坯連鑄下滑阻力的計(jì)算式,建立了圓坯矯直力矩和矯直力的計(jì)算模型,提出了確定拉矯機(jī)壓力分配的方法。綜上所述,本文以提高連鑄大圓坯的質(zhì)量為目標(biāo),模擬研究了電磁攪拌作用下鑄坯內(nèi)的宏觀傳輸行為,分析了拉坯矯直過程中的力能現(xiàn)象,確定了連鑄生產(chǎn)中的關(guān)鍵工藝參數(shù),并在生產(chǎn)實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用效果。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TF777

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