电磁软接触连铸圆坯结晶器磁场分布数值模拟研究_数学物理模型及数值计算结果的实验验

1、第28卷第9期电磁软接触连铸圆坯结晶器)磁场分布数值模拟研究(数学物理模型及数值计算结果的实验验证李本文,孙洋,邓安元,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)摘要:描述了自行设计的电磁软接触圆坯连铸结晶器,给出了相应的三维圆坯连铸结晶器电磁软接触电磁场的数学模型采用有限元方法对数学模型进行数值求解,在对数值计算结果进行实验验证后,系统地研究三维圆坯连铸结晶器内磁场分布数值解与实验结果误差小于5%分别考察了结晶器结构参数,钢液液面高度、电流强度等参数对结晶器内磁场分布的影响作参数变化的规律关键词:软接触;电磁连铸;结晶器;电磁场;磁感应强度中图分类号:TG249

2、.7文献标识码:A2()09DensityDistributionsinSoft2oundBillet.part:physicalmodelsandthevalidationofnumericalresultsLIBen2wen,SUNYang,DENGAn2yuan,HEJi2chengKeywords:soft2contacting;electromagneticcontinuouscasting;mold;electromagneticfield;magneticfluxdensity;numericalsimulation电磁软接触是电磁连铸技术的关键环节之一目前正在应用和开发的电磁连

3、铸技术中,软接触结晶器电磁连铸技术被公认为是最具发展前途的连铸技术之一该技术的应用能改善铸坯的质量,有利于连铸-连轧工艺一体化的顺利实现自Vives等人1提出软接触电磁连铸技术以来,该技术一直是国内外研究的一大热点,其中就包括结晶器内磁场数值模拟研究2-6但截止目前,各国冶金研究工作主要集中在方坯结晶器内磁场分析上,对圆坯结晶器磁场随结晶器结构参数和操作收稿日期:2006209226基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2001AA337040)作者简介:李本文(1965-),男,湖南澧县人,东北大学教授,博士生导师;赫冀成(1943-),男(满族),辽宁瓦房店人,东北大学教授,博士生导师)第

4、9期李本文等:电磁软接触连铸圆坯结晶器磁场分布数值模拟研究(1303参数变化规律的系统研究很少值得指出的是,邓康等5在20世纪末的研究对象正是圆坯结晶器,但其采用的介质为低熔点金属锡而金属锡与普通钢液的电导率相差近一个数量级为了更加贴近实际生产,本文直接采用钢液作介质,对结晶器内三维电磁场进行了系统的理论分析,并讨论了不同参数对结晶器内磁场分布的影响,为进一步优化软接触电磁连铸结晶器的实际应用设计参数和工艺参数提供理论依据上表面为平面,液面位置处于线圈中心位置,同时也处于切缝纵向方向上中心位置;介质物性系线性且各向同性;忽略铁磁材料的磁滞效应与导体电阻率的温度效应,建立实体模型,如图1所示由于

5、计算机内存所限,仅对结晶器上部280mm部分进行建模(其中切缝距离结晶器顶端100mm,切缝长度为130mm)这种建模方式不会影响模拟结果,因为在距离结晶器顶端280mm以下,磁场已经接近于零1数学模型在电磁软接触连铸技术中,电磁场的激发源为一定频率的正弦交变电流,且满足似稳条件,位移电流相对于传导电流可以忽略不计,即=0本文采用磁势法,此时麦克斯韦方程组为(1) ×H=J,(2) ×E=-,9t() ×B=0引入矢量磁位A,-<,为了惟一确定A:A=0,得A的基本控制方程7对导体区: ×A- A+(4)(5)(6)11ofphysicalmode

6、l(尺寸见2),考虑计算区域的对称性,选择结晶器的1/32作为计算对象,计算区域包括结晶器、钢液、线圈和空气区,空气区范围为结晶器尺度的34倍具体离散和求解过程参见文献8+ <-Js=0,(7)9t(8) - =09t对非导体区: ×A- A=Js(9)上述各式中,为位移电流,A;H为磁场强度,Am-1;J为电流密度,Am-2;E为电场强度,Vm-1;B为磁感应强度,T;为磁导率,Hm-1;为电导率,Sm-1;Js为源电流密度,Am-22物理模型和计算条件的确定数值计算选择以内腔直径尺寸为184mm的圆坯软接触结晶器内三维交变磁场为研究对象,模拟磁场分布情况和研究磁感应强度随各

7、种结构参数和操作参数变化的规律结晶器材质为铜,在沿结晶器纵向方向上均匀分布32个切缝,切缝内部填充云母切片,采用5匝感应线圈,感应线圈顶部距离结晶器顶部118mm在本文中,假设钢液图2电磁软接触连铸结晶器几何示意图Fig.2SchematicofgeometryofSC2EMCCmold1304东北大学学报(自然科学版)第28卷表1电磁软接触连铸参数表Table1ParametersfortheSC2EMCCmold项目结晶器壁厚/mm结晶器切缝数线圈高度/mm切缝长度/mm参数1332941304结论参数7805140.3项目结晶器高度/mm线圈匝数线圈厚度/mm切缝宽度/mm给出了高频电磁

8、场基于磁势法的数学模型,以及针对实际生产的电磁软接触圆柱连铸结晶器利用有限元方法对数学模型进行数值求解以磁感应强度在切缝处沿纵向上的分布为例,数值解与实验结果最大误差在5%以内证明所用数学模型及数值方法的正确性参考文献:数值计算中各种材料物性参数如表2表2不同材料的物性参数Table2Propertiesofdifferentmaterials计算对象感应线圈)结晶器铜管(220)钢液(1520结晶器云母切缝空气相对磁导率11111电阻率/(m)214×10-214×10-815×10-1×10201×10208871VivesC.Electr

9、omagneticrefiningofaluminumalloysbytheCREMprocess:part1.workingprincipleandmetallurgicalresultsJ.MetallurgicalTransactions,1989,20(10):623-629.2HoyoungK,Joon2PyoP,HeetaeJ,etal.ContinuouscastingofbilletwithhighfrequencyelectromagneticfieldJ.ISIJInternational,2002,42(2):171-3数值模拟结果的实验验证实验条件除表1和表2所示外,采

10、用的结晶器切缝宽度为0.5mm,加载电流强度为1600A,频率为29.1kHz根据电磁感应原理,Bz为主要研究参数,通过对该参数的系统研究,初步了解在结晶器内其他位置处的磁感应强度分布情况,并且通过电磁感应强度B来进一步认识作用在钢液表面上的电磁力分布和弯月面高度等其他现象如无特殊说明,下文中Bz均指去切缝处磁感应强度在纵向上的分量绝对值图3是在切缝中心A点处沿纵向方向上Bz分布的数值模拟结果和实验结果比较从图3中可以看出,两者在变化趋势上完全相同,模拟结果与实验结果比较误差在5%以内,证明数学模型和数值计算方法是正确和可靠的并为进一步定量系统分析各种参数对磁场的影响奠定了可靠的基础3NaX,

11、ZhangX,Gananalysisandoffieldin.ISIJInternational,(4,贾光霖,王恩刚,等方坯软接触电磁连铸初始凝固区高频磁场的分布J金属学报,2002,38(2):208-214(YuGuang2wei,JiaGuang2lin,WangEn2gang,etal.HighfrequencymagneticfielddistributioninregionofinitialsolidificationwithinsoftcontactelectromagneticcontinuouscastingmoldofbilletJ.ActaMetallurgicaSin

12、ica,2002,38(2):208-214.)5邓康,任忠鸣,蒋国冒软接触电磁连铸的数值模拟和实验分析J金属学报,1999,35(10):1112-1116(DengKang,RenZhong2ming,JiangGuo2mao.NumericalsimulationandexperimentanalysisofelectromagneticActacontinuouscastingwithsoft2contactedmouldJ.MetallurgicaSinica,1999,35(10):1112-1116.)6邓安元,于光伟,贾光霖,等软接触电磁结晶器内三维弯月面形状数值模拟J钢铁研究

13、学报,2001,13(3):10-14(DengAn2yuan,YuGuang2wei,JiaGuang2lin,etal.Numericalsimulationofthree2dimensionalmeniscusshapeinelectromagneticsoft2contactmoldJ.JournalofIronandSteelResearch,2001,13(3):10-14.)7BiroO,PreisK.Ontheuseofthemagneticvectorpotentialinthefiniteelementanalysisofthree22dimensionaleddycurrentsJ.IEEETransactionsonMagnetics,1989,