[发明专利]一种板坯二次冷却区电磁搅拌参数的制定方法

摘要

本发明提供一种板坯二次冷却区电磁搅拌参数的制定方法，根据现场电磁搅拌条件的假设，进行有限元数值的模拟计算，获得磁感应强度的大小和分布状态，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。本发明可以快速计算出电磁场的磁感应强度、电磁力等各种物理量，准确验证现有电磁搅拌参数的合理性及电磁搅拌强度的强弱，有效判断不同连铸浇注条件下电磁搅拌所需的最佳搅拌参数，从而合理选择确定搅拌器布置方式和搅拌电流的方向。应用本发明优化后的参数和模式，可以明显提高搅拌强度，扩大等轴晶率，提高组织致密性和均匀性。

主权项

1.一种板坯二次冷却区电磁搅拌参数的制定方法，其特征在于，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：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：为式中：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：电场偏微分方程：采用有限元法，解得磁势和电势的场分布；然后再经过转化：B=×A，F=J×B，式中F为电磁力、N，从而得到电磁场的磁感应强度和电磁力；模拟过程中根据电磁搅拌现场应用条件所作的假设为：a、钢液是不可压缩的导电流体，钢液的密度、粘度系数、电导率为常数；b、钢液流动为稳定状态，忽略凝固壳厚度的增长及其对流动的影响；c、在搅拌过程中，钢液和坯壳的温度都高于居里点760℃，因此，磁导率取为真空磁导率，即μ=1.2566×10^-6H/m；d、忽略钢液中的位移电流；在以上假设条件下，根据空气、辊子、线圈、坯壳、钢液及水的相对磁导率和电阻率，采用矢势法对线性电磁搅拌器所产生的电磁场进行计算，且计算过程中，电磁场的收敛监测量小于10^-6，计算残差小于10^-4；（2）、按照步骤（1）所述方法对不同电磁搅拌器布置方式所产生的磁场情况进行检测和计算，得到不同电磁搅拌器布置方式所产生的磁场强度和分布情况，从而判断和确定电磁搅拌器的合理布置方式；（3）、按照步骤（1）所述方法对不同电流方向所产生的磁场进行检测和计算，得到不同电流方向所产生的磁场强度和分布情况，从而判断和确定电磁搅拌的合理电流方向。