电磁搅拌流场偏析与应力沈厚发

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1、电磁搅拌条件下连铸流场、偏析与裂纹数值模拟沈厚发清华大学机械工程系电话：010–62789922Email：shen@tsinghua.edu.cn报告内容研究背景结晶器电磁搅拌与流场方坯中心偏析数值模拟研究方坯连铸应力场的数值模拟总结研究现状－中心偏析铸坯裂纹电磁搅拌(EMS)水口弯月面结晶器结晶器出口拉坯方向电磁搅拌(EMS)促进溶质分布减少宏观偏析细化凝固组织方坯电磁搅拌方坯电磁搅拌报告内容研究背景结晶器电磁搅拌与流场方坯中心偏析数值模拟研究方坯连铸应力场的数值模拟总结电磁场求解方程磁通连续性方程法拉第定律欧姆定律Maxwell方程组:附加条件:安培定律洛仑兹力可

2、由电流密度J与磁感应强度B叉积求得磁场求解方程电磁场求解方程流场控制方程K-ε紊流方程Navier-Stokes方程连续方程程序求解步骤程序验证—磁场测量测量搅拌器内中心磁场装置磁场测试仪程序验证—磁场分布Moldcentrelinez=-0.65mEMSz=-0.487mz=-0.813m横断面380mm×280mm结晶器高度850mm搅拌中心距弯月面650mm测量范围1200mm频率2.5Hz电磁搅拌对流场的影响－两相四级几何模型有限元模型结晶器电磁搅拌计算模型－两相四级两相四级搅拌器磁感线垂直与磁极表面时间差为π/2的两相交变磁感应场结晶器电磁搅拌计算参数－两相四级

3、参数值方坯尺寸280mm×280mm相数2磁极数4电导率7.14×105Ω-1m-1磁导率4π×10-7Hm-1金属液密度7.02×103kgm3粘性5.6×10-3kgm-1s-1频率1Hz最大磁通量0.05T搅拌中心线上的磁感应强度磁感应强度模量沿拉坯方向的分布(t=1/8T与t=1/2T)550mm150mm150mmEMS铸坯横断面上的磁场分布变化磁感应强度在一个周期内的变化(z=-0.55m)Moldcentrelinez=-0.55mz=-0.4mz=-0.7m(a)t=1/8T(c)t=5/8T(b)t=3/8T(d)t=7/8T一个周期内B在垂直

4、于拉坯方向的横截面内的分布(z=-0.55m)不同横截面内的磁场分布(a)t=1/8T,z=-0.40m(b)t=1/8T,z=-0.30mB在不同横截面内的分布形态550mm150mm100mm(z=-0.55m)Moldcentrelinez=-0.55m铸坯横断面上的电磁力分布变化z=-0.4mz=-0.7m(a)t=1/8T(c)t=5/8T(b)t=3/8T(d)t=7/8T同一周期内不同时刻F在x-y横截面的分布(z=-0.55m)电磁搅拌结晶器流场流场动画(z=-0.55m)结晶器电磁搅拌流场与流线搅拌器作用中心位置横截面内流场及其流线形态三相交变磁场，相位

5、差2π/3磁感线在磁铁内部环形分布几何模型电磁搅拌对流场的影响－三相六极结晶器电磁搅拌计算条件－三相两极参数值方坯尺寸380mm×280mm相数3磁极数6电导率7.14×105Ω-1m-1磁导率4π×10-7Hm-1金属液密度7.02×103kgm3粘性5.6×10-3kgm-1s-1频率1.0~2.5Hz最大磁通量0.1T水口造型铸坯横断面上的磁场分布变化t=0t=1/6Tt=2/6Tt=3/6Tt=4/6Tt=5/6Tt=1/12Tt=2/12Tt=3/12Tt=4/12Tt=5/12Tt=6/12Tz=-0.1mz=-0.2mz=-0.35mz=-0.48

6、7m(搅拌器上沿)z=-0.813m(搅拌器下沿)z=-0.65m(搅拌器中心)650mm方坯结晶器内的流场宽度方向中心厚度方向中心直通型水口浸入深度150mm拉坯速度2.5m/min结晶器尺寸380mm×280mm×1200mm电磁搅拌下的流场无搅拌时的流场Moldcentrelinez=-0.65mz=-0.487mz=-0.813m结晶器电磁搅拌对流场的影响不同频率下的中心磁感应强度850mm650mmEMS不同频率下横截面磁场分布(a)f=1.0Hz(c)f=2.0Hz(b)f=1.5Hz(d)f=2.5Hz不同频率下横截面电磁力分布(a)f=1.0Hz(c)f=

7、2.0Hz(b)f=1.5Hz(d)f=2.5Hz不同频率下的中心力矩不同频率下的横截面流场(a)f=1.0Hz(b)f=2.5Hz搅拌器中心截面流场(z=-0.65m)电磁搅拌结晶器流场模拟－结论电磁搅拌磁感应强度沿拉坯方向大致呈正态分布，在搅拌器作用的中心位置达到最大值；当离开搅拌器的作用范围后，磁场迅速衰减；搅拌器上下两侧的磁场分布基本对称；旋转磁场在达到稳定状态后随时间的变化很小，可以以某一时刻的结果来代表一段时间内的结果；在结晶器的中心区域，磁场分布较为均匀整体上看，横截面上的电磁力分成两个部分，各部分区域内的电磁力