[发明专利]一种板坯二次冷却区电磁搅拌参数的制定方法

说明书

技术领域

本发明属于钢铁冶炼连铸工艺技术领域，特别涉及一种板坯二次冷却区电磁搅拌器布置方式和搅拌电流方向的判断确定方法。

背景技术

在板坯连铸机二次冷却区上合理运用电磁搅拌技术，可以显著减轻中心偏析和中心疏松，大大提高等轴晶率，基本消除内裂与中心缩孔，提高铸坯合格率，尤其对宽厚板而言电磁搅拌的效果尤为明显，并已成为一种重要的技术手段，为国内外很多钢厂的实践所证实。

然而，目前国内外的炼钢生产厂家所设计的电磁搅拌参数均是由设备厂家给定的，因此并不根据工艺参数的变化而调整电磁搅拌参数。实践证明，只有针对不同的钢种和浇注工艺需要使用不同的搅拌参数才能达到最佳效果，否则铸坯质量反而会恶化。已有技术大多针对电磁搅拌设备进行改进，而关于板坯二次冷却区电磁搅拌参数的确定，在已发表的文章中，仅有电流强度和频率对搅拌效果的影响规律，且各报道结论相差较大。电磁搅拌器通常由两对线圈组成，其布置方式主要分为同侧布置和对面布置两种；电磁搅拌器的电流方向可分为同向和异向，不同电流方向所形成的磁场完全不同，所产生的搅拌效果也是差异很大，可见电磁搅拌器的布置方式和搅拌电流方向对搅拌效果有重要的影响，但关于此方面的研究尚未见报道。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种根据板坯连铸二次冷却区电磁搅拌实际，进行合理假设，通过有限元数值的模拟计算，获得电磁场的各种物理量及分布状态，验证不同搅拌器布置方式及搅拌电流方向对搅拌效果的影响强度，从而确定合理的电磁搅拌布置方式和搅拌电流方向的方法。

为达此目的，本发明采取了如下技术解决方案：

一种板坯二次冷却区电磁搅拌参数的制定方法，采用有限元法，根据现场电磁搅拌应用条件所作的假设，进行有限元数值的模拟计算，获得磁感应强度的大小及分布状态，并据此判断不同搅拌器布置方式及搅拌电流方向所产生搅拌效果的强弱，确定合理的电磁搅拌布置方式和搅拌电流方向。

其具体方法和步骤为：

1、二次冷却区电磁搅拌磁场分布的数值模拟：

电磁搅拌采用的是低频线性的交变电磁场，故符合麦克斯韦（Maxwell）微分方程组：

式中：为拉普拉斯（Laplace）算子；E为电场强度，V/m；B为磁感应强度，T；t为时间，s；H为磁场强度，A/m；D为电位移矢量，C/m²；J为电流密度，A/m²；为电荷密度，C/m³。

为表征在电磁场作用下媒质的宏观特性，在求解电磁场分布时，需补充描述材料电磁特性的本构方程：

式中：为介电常数，F/m；为磁导率，H/m；介电常数与磁导率的值视为常数。

在与电场有关的本构方程中应考虑在电磁搅拌过程中，因导电钢液的流动切割磁场而产生的感应电流密度J：

                                                                                 

式中：σ为电导率，S/m；V为运动速度，m/s；

对于导电钢液来说，σ=7.6×10⁵ S/m，ε=8.85×10^-12 F/m。

在搅拌器通电电流频率范围内，位移电流忽略不计；因此则有：▽× H = J 。同时，由于在线性电磁搅拌中，铸坯的断面平均流速为零，磁场受钢液流动的影响较小，故忽略不计；因此有：J =σE 。 

采用磁矢势法进行求解，引入磁矢势和电标势描述磁场在空间中的分布情况，定义如下：

                                                                                   

式中：A为磁矢势；为电标势。

为了使磁矢势的解具有唯一性，引入洛伦兹（Lorentz）规范：

         

即得到二次冷却区电磁搅拌磁场计算所需的：

磁场偏微分方程：