【摘要】：連鑄大圓坯已被廣泛用于替代模鑄坯料生產(chǎn)大口徑無縫鋼管、大尺寸環(huán)形鍛件以及高速機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,導致鑄坯凝固時間長,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)部質量問題,而電磁攪拌技術是改善這些質量問題的重要手段。另外,對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),對提高鑄坯質量有著十分重要的意義。本文以某鋼廠Φ600mm大圓坯連鑄機為對象,重點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晶器電磁攪拌和凝固末端電磁攪拌作用下的電磁場分布、鋼液流動以及凝固傳熱行為;研究了圓坯連鑄凝固坯殼的生長規(guī)律,提出了定量化確定二冷區(qū)鑄坯目標表面溫度的方法。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壓力分配的方法。本文主要的研究內(nèi)容和獲得的結果如下:①基于連鑄電磁攪拌過程的磁流體力學特點,明確了電磁場問題和流動問題的解耦條件,即:磁雷諾數(shù)遠遠小于1,且無量綱角頻率遠遠小于1。通過對比研究,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與凝固耦合問題。在此基礎上,建立了描述電磁攪拌下連鑄過程鋼液流動和凝固傳熱的耦合數(shù)學模型。②通過數(shù)值模擬研究了結晶器電磁攪拌作用下大圓坯結晶器內(nèi)的三維電磁場、流場和溫度場,并用實測的磁感應強度值驗證了電磁場數(shù)學模型和求解方法的正確性,用描述凝固坯殼生長規(guī)律的經(jīng)驗公式驗證了流動 凝固數(shù)學模型和求解方法的正確性。研究結果表明,隨著電流頻率的增大,電磁力先增大后減小并在2.5Hz時達到最大。結晶器電磁攪拌產(chǎn)生的焦耳熱非常小,在傳熱計算中可忽略不計�？紤]凝固現(xiàn)象后,電磁攪拌下鋼液的旋轉流速明顯減小,證明凝固坯殼對攪拌強度的影響明顯。隨著攪拌強度的增強,鋼液由穩(wěn)態(tài)流動變?yōu)榉欠�(wěn)態(tài)流動,并出現(xiàn)偏流。結晶器旋轉電磁攪拌使從浸入式水口吐出的流股的侵入深度變淺,從而提高了結晶器內(nèi)溫度,有利于傳熱。結晶器旋轉電磁攪拌導致彎月面中心出現(xiàn)凹陷,且攪拌強度越大,凹陷程度越明顯,這可能會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,電磁力在鑄坯橫截面上仍呈周向分布,但磁感應強度和電磁力都出現(xiàn)不對稱分布。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、流體流動和凝固傳熱行為,并用實測的磁感應強度值和鑄坯表面溫度值驗證了耦合模型和計算方法的正確性。研究結果表明,位于圓坯1/2半徑和1/3半徑處的電磁力在頻率為10Hz時達到最大,然后逐漸減弱。凝固潛熱釋放模式對糊狀區(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)學模型,研究了圓坯連鑄凝固坯殼的生長規(guī)律,并采用實測數(shù)據(jù)進行了驗證。以此為基礎,提出了圓坯連鑄二冷區(qū)目標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力的分布規(guī)律,推導了圓坯連鑄下滑阻力的計算式,建立了圓坯矯直力矩和矯直力的計算模型,提出了確定拉矯機壓力分配的方法。綜上所述,本文以提高連鑄大圓坯的質量為目標,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)中的關鍵工藝參數(shù),并在生產(chǎn)實踐中取得了良好的應用效果。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TF777

【參考文獻】

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本文編號：2754209